基于微宏觀分析結合的綠色混凝土性能實驗教學設計

封坤 潘瑾 孫克國 李福海 曾艷華 趙莉香

摘? 要：以綠色隧道建設科研課題為依托，結合建筑材料中混凝土性能實驗教學，分析用綠色植物（胡蘿卜）萃取液作為天然生物外加劑和粉煤灰作為礦物摻合料的混凝土的力學性能及機理，對實驗中采用的X-射線衍射、掃描電鏡分析等新方法和思路進行總結，引入新型綠色材料并提出將宏觀實驗現象與微觀機理分析相結合的面向學生的新型實驗教學模式。該模式作為傳統教學的優化和補充，可為其他課程實驗教學革新提供思路，有利于激發學生的實驗興趣，培養其不僅要知其然，更要知其所以然的綜合科研探究能力。

關鍵詞：胡蘿卜萃取液；粉煤灰；宏觀實驗；微觀機理；教學革新

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）11-0037-07

Abstract： Based on the scientific research project of green tunnel construction， combined with the experimental teaching of concrete performance in construction materials， the mechanical properties and mechanism of concrete with green plant （carrot） extract as natural bio-admixture and fly ash as mineral admixture are analyzed. The new methods and ideas of X-ray diffraction and scanning electron microscope analysis used in the experiment are summarized. New green materials are introduced and a new experimental teaching mode for students is proposed， which combines macroscopic experimental phenomena with microscopic mechanism analysis. As an optimization and supplement of traditional teaching， this model can provide ideas for the innovation of experimental teaching in other courses， which is conducive to stimulating students' interest in experiments and cultivating their comprehensive scientific research inquiry ability not only to know it， but also to know why.

Keywords： carrot extract; fly ash; macroscopic experiment; microscopic mechanism; teaching innovation

近年來，綠色、可持續發展成為各行各業重要的發展方向，建筑行業對混凝土高性能化也提出了迫切需求[1]。在此背景下，混凝土行業向綠色化、可持續化、高性能化的轉變也變得極為迫切。近些年來，已有眾多學者關注這一問題并且開展了有關方面的研究。相關研究主要包括對現有混凝土的改良和尋找新型綠色混凝土材料[2]。國內部分工程或項目已開始采用新型綠色混凝土進行施工建設。簡而言之，混凝土在不斷進化以適應實際需求。

建筑材料是土木工程的基礎課程，可培養學生的理論和實踐能力。目前，高校建筑材料實驗教學存在的不足導致土木工程專業學生的動手能力較弱。實驗教學內容陳舊、實驗方法單一、現象機理理解不深刻、實驗學時少、教學方式單一及實驗管理落后等[3-4]使得學生缺乏興趣，浪費了寶貴的實踐學習機會。

從實驗內容本身入手能在一定程度上緩解上述問題，使教學效果得以保證。針對目前建筑材料實驗教學現狀，以綠色隧道建設科研課題為例，對建筑材料實驗教學中混凝土性能研究的一些新材料、新思路、新方法、新技術進行了總結和思考，以期探索我國高校建筑材料實驗教學的新方法和新模式，旨在培養具有綜合科研能力的新時代大學生。

一? 傳統混凝土材料力學實驗教學

（一）? 傳統混凝土材料力學實驗

1? 材料

水泥、砂、石、聚羧酸減水劑。

2? 實驗內容與方法

分別制備150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方體抗壓和劈裂抗拉試塊，包括材料稱量、模具清潔刷油、混凝土攪拌、混凝土注模、標準條件養護、混凝土抗壓、劈裂抗拉和抗折力學性能試驗，這些工作由學生相互配合完成。學生對混凝土抗壓、劈裂抗拉等力學試驗數據進行處理和分析，得到混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度，根據整個實驗過程、實驗結果、觀察試件破壞過程和形態，以及教師的講解，了解混凝土強度形成的理論知識和力學性能的影響因素，學習優化混凝土材料配合比設計。實驗完成后整理實驗結果，并將實驗結果與理論計算值進行比較，評定該混凝土材料力學強度是否達到設計要求。

（二）? 傳統混凝土材料力學教學的不足

1? 教學內容陳舊

近年來，我國提出新工科理念，預期培養具有創新思維、獨立開展科研解決問題等綜合能力的高水平人才。建筑材料是土木工程最基礎的內容，其應該與實際緊密結合。目前，各高校教學內容基本仍是傳統混凝土、瀝青、砂石等試驗，試驗中混凝土試塊的制備使用的外加劑為傳統的化學外加劑，沒有使用植物萃取液等新型綠色材料，也沒有添加粉煤灰等固廢。新材料、新技術、新工藝已被各類工程項目及研究領域廣泛應用，并更加注重環保節能效益，傳統耗能與污染材料正逐漸減少或被取代，但這些理念的變化卻極少地體現在實驗教學中，在實驗教材中也未能及時更新材料的技術標準、質量控制和檢測標準、設計規范[5]。教學內容趕不上實際進展，缺乏科學前沿探究，較為落后，教學內容亟待革新。

2? 教學方式滯后

目前，大多數高校開設的建筑材料實驗仍以演練示范、檢驗性為主，缺乏科學前沿和機理探究，不能有效激發學生的學習興趣和拓展學生的思維能力。傳統教學實驗方法根據規范規定的內容按部就班地進行材料準備、試件制作、試驗測試等環節，測出混凝土材料試塊的強度，教師講解混凝土材料強度生成的理論知識和原理鞏固課堂所學的知識，實驗結束后編寫實驗報告[6]。傳統的力學實驗僅僅對混凝土材料力學性能進行宏觀表述，無法對混凝土材料微觀結構和機理進行分析，缺乏綜合性實驗，只依賴教師對理論知識和原理進行講解顯得枯燥乏味，學生學習的積極性不高，印象不深刻，對理論知識掌握不牢固。所以，目前教學方式落后，教學效果不理想。因此，教師不能完全使用傳統的教學方式，應該在此基礎上增加一些綜合性、前沿性的教學方法。

3? 實驗內容缺乏新穎性和前沿性

實驗內容以固定的配合比測試傳統混凝土材料力學性能為主，缺乏新穎性和前沿性。教學大綱制定的課程實驗主要為基礎實驗、驗證性實驗。教師講解試驗注意事項，學生被動接受知識，機械重復往屆學生做過的試驗，毫無新穎性，更沒有體現土木工程學科的前沿性。傳統混凝土的原材料組成較為陳舊老套，沒有新型綠色材料的添加和配合比的優化，阻礙了學生思維發散，難以激發學生的學習興趣和研究熱情。隨著中國建筑行業發展，建筑材料的使用早已日新月異，涌現出眾多的新型綠色材料和技術，比如天然生物外加劑、粉煤灰、礦渣、煤矸石等綠色混凝土材料和微觀掃描電鏡、XRD、水化熱、核磁共振、壓汞等高技術手段廣泛應用在混凝土中。此外，混凝土材料力學實驗注重混凝土試塊制作過程、基本力學性能，缺乏對原材料的考究和力學性能的影響因素的探究，沒有創新型實驗的設計，難以提升學生的自學能力和主動思考能力，以及激發學生的創新思維。目前的實驗內容與科研課題和工程案例關聯極少，不能鍛煉學生的實踐能力和靈活運用能力[7]。

4? 考核方式不合理

我國高校目前的實驗考核模式主要是以教師帶領學生做實驗，以遞交實驗報告的形式評判和考核實驗內容[8]。實驗報告內容較為固定和單一，使得學生的實驗報告結果類似，不能全面地評價學生的學習水平和在實驗中的表現，不利于公平考核，也不能突顯學生的綜合素質。

二? 綠色隧道建設科研項目精選實驗課題

混凝土強度高，耐久性好，自從問世以來便成為盾構隧道管片的使用的主要材料之一，水泥是混凝土中最主要的膠凝材料，而水泥的生產是一個高能耗過程，且伴隨著溫室氣體的產生[9]，會給環境帶來巨大的壓力[10]。目前廣泛使用輔助膠凝材料、開發低耗能水泥和提高混凝土性能以減少水泥用量等方法減少管片混凝土對環境造成的不利影響。

添加外加劑和使用輔助膠凝材料調節混凝土性能是一種簡單高效的方法，目前大部分外加劑是通過化學合成的，制備過程較復雜，成本較高，同時在制備過程中會產生有害物質，并且會緩慢的釋放甲醛等有害氣體[11-12]，污染環境。低成本的天然生物外加劑替代化學外加劑，可以克服化學外加劑對環境污染的缺點，實現混凝土的可持續生產[13-14]。天然生物外加劑可以促進水泥水化，并具有一定的保水性能，能產生更多均勻的水化產物，使混凝土微觀結構更加致密，從而使混凝土具有更高的力學性能。另外，粉煤灰是電廠排放的固體廢料，將其應用到混凝土中不僅具有良好的經濟和環境效益，還能較大程度地改善混凝土性能。文中將胡蘿卜萃取液（CE）作為天然生物外加劑和粉煤灰加入混凝土中制作混凝土試塊，讓學生在教師的指導下研究混凝土的力學性能和微觀機理，以此改善傳統混凝土材料實驗教學的不足，鍛煉學生的獨立思考和動手能力，培養學生的創新能力。

三? 綠色混凝土力學實驗與微觀表征

（一）? 實驗原材料

實驗中混凝土原材料主要的成分為水泥、砂、石、粉煤灰、CE和聚羧酸減水劑。

（二）? 實驗儀器設備與試件制作

參考GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能實驗方法標準》[15]，以立方體抗壓強度、劈裂抗拉強度作為含有CE和粉煤灰的混凝土基本力學性能指標，立方體抗壓和劈裂抗拉實驗使用150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊，每3個試塊為一組。

在試驗開始前，準備好試驗器材和材料，試驗器材有電子秤、燒杯、膠頭滴管、玻璃攪拌器、模具、濾網和榨汁機等。玻璃制品使用前保持內壁干燥清潔。將胡蘿卜榨汁和水以特定的比例進行混合，配置成濃度不同的CE。按照試驗設計好的配合比進行試塊澆筑，將混凝土裝入模具進行編號，放進溫度為（23±1）℃，相對濕度大于95%的標準養護室內進行養護。24小時后拆模，拆模之后繼續放進養護室分別養護至3、7、28、56天分別取出，試件表面擦干，進行試驗。用壓力實驗機對混凝土試塊進行抗壓強度和劈裂抗拉強度測試。

（三）? 試件參數及實驗方法

1? 試件參數

本實驗共設計了3組不同濃度的CE（1∶100（C-CE1）、1∶50（C-CE2）、1∶25（C-CE4）），分別加入混凝土中制備抗壓強度和劈裂抗拉強度試塊和凈漿試樣。另外還制作了一組不加CE的空白對照組（C-CON）試塊和凈漿試樣。共四組混凝土試塊，每組都摻入了20%的粉煤灰，每組抗壓試塊和劈裂抗拉試塊各3個。

2? 實驗方法

抗壓強度試驗采用TYE-2000E型壓力試驗機，最大試驗力2 000 kN，調速范圍0.3～0.8 MPa/s，示值相對誤差±1%。劈裂抗拉強度試驗采用TYE-300型壓力試驗機，最大試驗力300 kN，調速范圍0.3～9.9 kN/s，示值相對誤差±1%。本試驗采用Rigaku， SmartLab和掃描電鏡分別測試混凝土的X射線衍射（XRD）和微觀結構（SEM）。

通過學生親自制備天然生物外加劑和混凝土試塊，體驗試件制作和不同濃度CE溶液配置的全過程，掌握材料特性及儀器使用方法，學生主觀能動性得到充分發揮。在教師的指導下展開實驗和微觀測試，能夠加強師生互動，培養學生主動思考和創新的意識。學生全過程參與實驗，更清楚地認識混凝土材料的組成成分、強度機理，鞏固專業理論知識，加深對實驗的記憶，培養了學生的實踐動手能力和良好的實驗素養[16-17]。

（四）? 研究案例

教師在課程中講解其他種類的天然生物外加劑和不同摻量粉煤灰改善混凝土的研究案例，有針對性地講解，并與傳統混凝土進行對比。通過講解不同研究案例的改善效果、作用機理、微觀分析等內容，留出問題讓學生分小組進行思考、分析討論和總結。天然生物外加劑大多數取之于純天然綠色植物，經濟環保、取材容易、生物兼容性高，而且制備簡單、使用方便，因其優異的改善混凝土力學性能成為目前國內外研究的熱點之一。目前已經研究了數十種植物性天然生物外加劑用來改善混凝土各種性能，其中包括仙人掌、秋葵、殼聚糖、甜菜、糖、馬鈴薯淀粉、藍桉和棕櫚酒等[18-20]，它們對混凝土的水化過程都存在著不同程度的影響，從而有效地改善混凝土力學性能。另外，國內外學者在粉煤灰改善混凝土性能方面已開展大量研究并取得豐富的成果。

1? 抗壓強度

研究人員對黃秋葵提取液作為生物外加劑進行了表征，并將其加入水泥砂漿和混凝土研究其對砂漿和混凝土性能的影響，結果表明，黃秋葵提取液具有增黏性能并提高了水泥漿體的水化速率縮短了凝結時間，對抗壓強度有積極的影響[19]。研究人員研究了粉煤灰對C30粗骨料全替代再生混凝土力學性能的影響，結果表明摻入適量的粉煤灰可有效提高再生混凝土的和易性，還能滿足C30混凝土強度要求[21]。

2? 劈裂抗拉強度

研究人員在制備混凝土混合物中摻入不同濃度的天然生物外加劑仙人掌提取液，并研究了其各項性能，研究結果表明仙人掌提取物提高了混凝土的黏度特性、保水性能，減少了混凝土早期水分散失，從而減少了收縮裂縫，研究結果還表明，加入仙人掌提取物使混凝土具有更高的劈裂抗拉強度等力學性能和耐久性[22]。研究人員研究了粉煤灰對纖維自密實再生混凝土力學性能的影響，結果表明粉煤灰有效提升了混凝土的抗壓強度、劈拉強度和彎折強度[23]。

在實驗和教學過程中，通過講解研究案例、讓學生了解天然生物外加劑和粉煤灰的優勢及應用領域，開闊學生的工程視野，增強教學的實踐性與應用性。同時，提高學生的學習興趣，吸引學生的注意力，達到師生互動的課堂教學效果。學生通過分析機理問題、思考解決方法，使其思維能力和創新能力得到快速提升。

四? 力學性能實驗與微觀表征結果的教學分析

（一）? 抗壓強度分析

抗壓強度是混凝土材料一個重要的性能指標，學生操作壓力試驗機測試了四組混凝土試塊所設置齡期的抗壓強度，并記錄數據，采用數據處理軟件進行數據處理并畫出柱狀圖如圖1所示，通過不同濃度的CE混凝土試塊抗壓強度與空白對照組試塊抗壓強度作對比，摻加CE的混凝土抗壓強度在各齡期均有提高，表明CE對混凝土抗壓強度具有改善作用，總體來說，在養護第3、7、28 天時抗壓強度隨CE濃度的增加而降低，養護第56天后抗壓強度隨CE濃度的增加而升高。學生自主討論，猜想其原因。教師總結學生們討論猜想的原因，進行CE改善混凝土力學性能機理講解，并結合微觀表征分析加以驗證，指出CE用于混凝土所呈現出的優勢，各組學生在整理分析、對比的過程中潛能被充分挖掘，其團結協作精神明顯增強，邏輯分析和獨立思考能力顯著提升[24]。此外，各小組獨立處理數據并嘗試分析實驗結果，有助于培養學生動手能力和認真嚴謹、刻苦鉆研的精神，為將來從事科研和相關工作奠定良好的基礎。

（二）? 劈裂抗拉強度分析

劈裂抗拉強度也是混凝土材料一個重要的性能指標，學生測試了混凝土試塊28和56天的劈裂抗拉強度，并記錄數據，采用數據處理軟件進行數據處理并畫出柱狀圖如圖2所示，通過不同濃度的CE混凝土試塊抗壓強度與空白對照組試塊抗壓強度作對比，CE對混凝土劈裂抗拉強度具有一定改善作用，且數據的規律性與上述的抗壓強度規律一致，學生提出疑問并嘗試分析原因作出解答。學生通過對劈開的試塊進行觀察，結合理論知識分析原因并進行口頭表述，不僅鍛煉學生解決問題和口頭表達能力，同時還提高了學生的辯證思維能力、綜合分析能力和知識運用能力[25]。

（三）? 材料試樣的微觀表征分析

XRD結果如圖3所示。在光譜中可以觀察到水泥熟料和水化產物的典型峰，包括氫氧化鈣（P）、石膏（G）[26]、硅酸二鈣（C2S）和硅酸三鈣（C3S）。加入CE后，沒有產生新的礦物。P與C2S、C3S衍射峰的差值即為相對強度[27]。如圖3（a）所示，P-CE1～P-CE4的相對強度高于P-CON，說明CE的加入促進了水化反應，生成更多的氫氧化鈣。G與鋁酸三鈣（C3A）反應生成鈣凡石（AFt）， P-CE1～P-CE4的G峰強度高于P-CON，說明CE的加入抑制了C3A與G的反應，生成較少的AFt，且這種抑制作用緩慢消失。如圖3（b）所示，在56天時，相對強度進一步增大，說明隨著齡期的增加，水泥熟料被消耗產生更多的氫氧化鈣。此外，在56天時，無論是否添加CE，所有試樣中G的峰值強度都是相似的，這意味著CE對C3A的抑制作用在水化后期逐漸消除。

SEM結果如圖4所示。從粉煤灰的掃描電鏡圖像中可以看出其顆粒基本為球狀，使得其滾珠效應顯著，其粒徑和細度均較小，具有良好的細粒填充效果。摻入粉煤灰可以改善混凝土的流動性，減少用水量，從而降低混凝土水膠比，還可以填充混凝土中的孔隙，提高混凝土力學和耐久性能。另外，在四組樣品中均觀察到針狀的AFt晶體、片狀的氫氧化鈣晶體和絮狀的水化硅酸鈣（C-S-H）結構。與C-CE1～C-CE4相比，C-CON的微觀結構顯得松散，并出現了一些裂紋，導致C-CON的強度低于C-CE1～C-CE4。此外，C-CE1～C-CE4中的水化產物比C-CON的多，這與56天的XRD測量結果一致。

這部分由教師帶領學生一起完成，教師給學生示范一組微觀測試樣品制作、測試儀器的使用和數據處理。其余幾組由學生在教師的指示下完成。老師給學生講解XRD測試原理，和圖中衍射峰所表示的含義，讓學生查閱粉煤灰和水化產物在微觀電鏡下呈現的形態，學生嘗試自主對混凝土材料進行微觀表征分析，教師加以更正，并將微觀表征與宏觀力學特征相結合，充分解釋CE和粉煤灰改善混凝土力學性能機理。通過對測試結果的觀察與分析，培養學生對實驗結果的對比分析和理解能力[28]，激發學生的學習積極性[29-30]，有助于提高學生學習的深度和廣度，同時提高了教學質量， 確保學生知識、能力和素質的綜合培養，也突出了實驗教學的前沿性。

五實驗分析與教學探索

該實驗歷經實驗方案設計、配合比確定、實驗材料準備、宏觀抗壓強度和劈裂抗拉強度試驗、多種微觀測試手段學習、試驗現象和試驗數據記錄、原因分析及結論整理等多個環節，邏輯清晰，體系完整，結論可靠，對于開展相同類型實驗有一定的參考價值。該實驗將科研課題與實驗教學相結合，注重引導學生自主設計并完成整個實驗，培養學生觀察試驗現象、深入機理分析的科研能力，從多方面鍛煉了學生的動手能力和機理分析能力。

課題中將新型綠色材料CE和粉煤灰摻入混凝土，研究其對混凝土性能影響。綠色植物為生活中常見物體，將其與混凝土結合容易引起學生好奇心和試驗興趣。粉煤灰是固體廢料，將其摻入混凝土不僅可以改善混凝土性能，還能實現固廢的精細化管控利用。另外，天然生物外加劑和粉煤灰對混凝土性能影響的作用機理較為復雜，學生前期可查閱相關外加劑和粉煤灰在混凝土中應用的文獻資料，大致了解其作用原理。最后學生在教師的指導下見證由CE引起的混凝土性能的顯著改變，激發起學生探索其作用機理的興趣，最終達到實驗教學開展目的。

學生通過親自參與CE的制備，混凝土試塊的澆筑，抗壓強度和劈裂抗拉強度的測試和SEM、XRD等微觀測試過程，了解了混凝土基礎知識，熟悉混凝土測試實驗操作過程，實現與課本知識的融會貫通。實際操作混凝土的靜態軸向加載，可使學生掌握萬能試驗壓力機的使用方法，了解觀察混凝土微觀層面結構的方法，在鍛煉學生實踐能力的同時拓展其科研探索能力，為日后從事工程實踐或科學研究奠定基礎[31-32]。

測試數據處理和分析包括對混凝土材料抗壓強度和劈裂抗拉強度測試結果的描述，采用數據分析軟件對數據處理繪制混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度柱狀圖，并對強度規律進行分析，結合教師講解的微觀表征分析，充分理解與掌握CE對混凝土材料力學性能改善的原因。以上微觀表征分析過程，學生在常規實驗教學中均難以接觸，與較為常見的強度測試分析等相比較為靈活，具有較強的邏輯性。學生嘗試總結實驗現象，得出實驗結論。通過這種實驗教學可以培養學生的數據分析能力、邏輯思維，以及理論與實踐相結合的能力。

實驗考核要將學生平時在實驗中的表現、實驗報告和期末實驗考核相結合。平時表現包括出勤率、實驗操作、課堂回答問題及實驗室清潔整理。多樣化的考核方式可以提高學生對實驗課程的重視程度，端正學習態度，養成良好的學習習慣。

由實驗結果可得，CE可以有效改善混凝土力學性能。通過實驗可以更具體地向學生展示新型綠色材料與常規材料的性能差異，開拓學生思路，培養學生科研興趣和與時俱進的創新思維。

將實驗與科研課題、國內外研究案例相結合的教學方式，能有效培養學生深入思考問題的習慣和邏輯推理能力，為今后從事科研或走上工作崗位打好基礎。此外，引入廣受關注的國內外案例，說明CE和粉煤灰對混凝土性能改善特性及實驗方法與作用和先進的微觀表征測試手段等，拓寬學生的視野，增加師生間的互動，培養學生的應用能力[33]。

實驗室面向學生開放，各小組學生利用課余時間走進實驗室，按照與教師共同協商制定的實驗方案，主動思考、自由分配任務，自主在課下完成實驗。這樣不僅保證了學生的主體地位、培養了學生的團隊合作精神，還彌補了實驗課時較少的缺陷[7]。

六? 結束語

根據混凝土材料特點和以傳統力學實驗為基礎，引入新型綠色材料并結合混凝土微觀表征分析，對混凝土力學實驗教學模式進行拓展探索。注重實驗內容的更新和先進微觀表征測試的引入，注重教學互動及加強學生在學習過程的主動積極性，使形成混凝土材料宏觀力學實驗與微觀表征分析相結合。將基本實驗、理論知識和微觀分析同步協調，并改革了實驗考核方法，調動學生的學習主動性，提高參與度，拓寬了學生的新視野，提升了學生獨立思考能力、創新能力和實踐能力。讓學生初步形成了獨具個性特色的科學思維方式。此外，也推動了實驗教學與時俱進，具有較好的現實意義和推廣價值。

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