基于微宏觀分析結(jié)合的綠色混凝土性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

封坤 潘瑾 孫克國(guó) 李福海 曾艷華 趙莉香

摘? 要：以綠色隧道建設(shè)科研課題為依托，結(jié)合建筑材料中混凝土性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)，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(xué)性能及機(jī)理，對(duì)實(shí)驗(yàn)中采用的X-射線衍射、掃描電鏡分析等新方法和思路進(jìn)行總結(jié)，引入新型綠色材料并提出將宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與微觀機(jī)理分析相結(jié)合的面向?qū)W生的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。該模式作為傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)化和補(bǔ)充，可為其他課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)革新提供思路，有利于激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，培養(yǎng)其不僅要知其然，更要知其所以然的綜合科研探究能力。

關(guān)鍵詞：胡蘿卜萃取液；粉煤灰；宏觀實(shí)驗(yàn)；微觀機(jī)理；教學(xué)革新

中圖分類號(hào)：G642? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(lái)，綠色、可持續(xù)發(fā)展成為各行各業(yè)重要的發(fā)展方向，建筑行業(yè)對(duì)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(yè)向綠色化、可持續(xù)化、高性能化的轉(zhuǎn)變也變得極為迫切。近些年來(lái)，已有眾多學(xué)者關(guān)注這一問(wèn)題并且開(kāi)展了有關(guān)方面的研究。相關(guān)研究主要包括對(duì)現(xiàn)有混凝土的改良和尋找新型綠色混凝土材料[2]。國(guó)內(nèi)部分工程或項(xiàng)目已開(kāi)始采用新型綠色混凝土進(jìn)行施工建設(shè)。簡(jiǎn)而言之，混凝土在不斷進(jìn)化以適應(yīng)實(shí)際需求。

建筑材料是土木工程的基礎(chǔ)課程，可培養(yǎng)學(xué)生的理論和實(shí)踐能力。目前，高校建筑材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的不足導(dǎo)致土木工程專業(yè)學(xué)生的動(dòng)手能力較弱。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容陳舊、實(shí)驗(yàn)方法單一、現(xiàn)象機(jī)理理解不深刻、實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)少、教學(xué)方式單一及實(shí)驗(yàn)管理落后等[3-4]使得學(xué)生缺乏興趣，浪費(fèi)了寶貴的實(shí)踐學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。

從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本身入手能在一定程度上緩解上述問(wèn)題，使教學(xué)效果得以保證。針對(duì)目前建筑材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，以綠色隧道建設(shè)科研課題為例，對(duì)建筑材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)中混凝土性能研究的一些新材料、新思路、新方法、新技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和思考，以期探索我國(guó)高校建筑材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新方法和新模式，旨在培養(yǎng)具有綜合科研能力的新時(shí)代大學(xué)生。

一? 傳統(tǒng)混凝土材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

（一）? 傳統(tǒng)混凝土材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1? 材料

水泥、砂、石、聚羧酸減水劑。

2? 實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)、混凝土抗壓、劈裂抗拉和抗折力學(xué)性能試驗(yàn)，這些工作由學(xué)生相互配合完成。學(xué)生對(duì)混凝土抗壓、劈裂抗拉等力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得到混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度，根據(jù)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、觀察試件破壞過(guò)程和形態(tài)，以及教師的講解，了解混凝土強(qiáng)度形成的理論知識(shí)和力學(xué)性能的影響因素，學(xué)習(xí)優(yōu)化混凝土材料配合比設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)完成后整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，評(píng)定該混凝土材料力學(xué)強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（二）? 傳統(tǒng)混凝土材料力學(xué)教學(xué)的不足

1? 教學(xué)內(nèi)容陳舊

近年來(lái)，我國(guó)提出新工科理念，預(yù)期培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維、獨(dú)立開(kāi)展科研解決問(wèn)題等綜合能力的高水平人才。建筑材料是土木工程最基礎(chǔ)的內(nèi)容，其應(yīng)該與實(shí)際緊密結(jié)合。目前，各高校教學(xué)內(nèi)容基本仍是傳統(tǒng)混凝土、瀝青、砂石等試驗(yàn)，試驗(yàn)中混凝土試塊的制備使用的外加劑為傳統(tǒng)的化學(xué)外加劑，沒(méi)有使用植物萃取液等新型綠色材料，也沒(méi)有添加粉煤灰等固廢。新材料、新技術(shù)、新工藝已被各類工程項(xiàng)目及研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并更加注重環(huán)保節(jié)能效益，傳統(tǒng)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(xiàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在實(shí)驗(yàn)教材中也未能及時(shí)更新材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范[5]。教學(xué)內(nèi)容趕不上實(shí)際進(jìn)展，缺乏科學(xué)前沿探究，較為落后，教學(xué)內(nèi)容亟待革新。

2? 教學(xué)方式滯后

目前，大多數(shù)高校開(kāi)設(shè)的建筑材料實(shí)驗(yàn)仍以演練示范、檢驗(yàn)性為主，缺乏科學(xué)前沿和機(jī)理探究，不能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和拓展學(xué)生的思維能力。傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)方法根據(jù)規(guī)范規(guī)定的內(nèi)容按部就班地進(jìn)行材料準(zhǔn)備、試件制作、試驗(yàn)測(cè)試等環(huán)節(jié)，測(cè)出混凝土材料試塊的強(qiáng)度，教師講解混凝土材料強(qiáng)度生成的理論知識(shí)和原理鞏固課堂所學(xué)的知識(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后編寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告[6]。傳統(tǒng)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)僅僅對(duì)混凝土材料力學(xué)性能進(jìn)行宏觀表述，無(wú)法對(duì)混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)理進(jìn)行分析，缺乏綜合性實(shí)驗(yàn)，只依賴教師對(duì)理論知識(shí)和原理進(jìn)行講解顯得枯燥乏味，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高，印象不深刻，對(duì)理論知識(shí)掌握不牢固。所以，目前教學(xué)方式落后，教學(xué)效果不理想。因此，教師不能完全使用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，應(yīng)該在此基礎(chǔ)上增加一些綜合性、前沿性的教學(xué)方法。

3? 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容缺乏新穎性和前沿性

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以固定的配合比測(cè)試傳統(tǒng)混凝土材料力學(xué)性能為主，缺乏新穎性和前沿性。教學(xué)大綱制定的課程實(shí)驗(yàn)主要為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。教師講解試驗(yàn)注意事項(xiàng)，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，機(jī)械重復(fù)往屆學(xué)生做過(guò)的試驗(yàn)，毫無(wú)新穎性，更沒(méi)有體現(xiàn)土木工程學(xué)科的前沿性。傳統(tǒng)混凝土的原材料組成較為陳舊老套，沒(méi)有新型綠色材料的添加和配合比的優(yōu)化，阻礙了學(xué)生思維發(fā)散，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和研究熱情。隨著中國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展，建筑材料的使用早已日新月異，涌現(xiàn)出眾多的新型綠色材料和技術(shù)，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(shù)手段廣泛應(yīng)用在混凝土中。此外，混凝土材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)注重混凝土試塊制作過(guò)程、基本力學(xué)性能，缺乏對(duì)原材料的考究和力學(xué)性能的影響因素的探究，沒(méi)有創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，難以提升學(xué)生的自學(xué)能力和主動(dòng)思考能力，以及激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。目前的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與科研課題和工程案例關(guān)聯(lián)極少，不能鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力和靈活運(yùn)用能力[7]。

4? 考核方式不合理

我國(guó)高校目前的實(shí)驗(yàn)考核模式主要是以教師帶領(lǐng)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，以遞交實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式評(píng)判和考核實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[8]。實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容較為固定和單一，使得學(xué)生的實(shí)驗(yàn)報(bào)告結(jié)果類似，不能全面地評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)水平和在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)，不利于公平考核，也不能突顯學(xué)生的綜合素質(zhì)。

二? 綠色隧道建設(shè)科研項(xiàng)目精選實(shí)驗(yàn)課題

混凝土強(qiáng)度高，耐久性好，自從問(wèn)世以來(lái)便成為盾構(gòu)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(chǎn)是一個(gè)高能耗過(guò)程，且伴隨著溫室氣體的產(chǎn)生[9]，會(huì)給環(huán)境帶來(lái)巨大的壓力[10]。目前廣泛使用輔助膠凝材料、開(kāi)發(fā)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(duì)環(huán)境造成的不利影響。

添加外加劑和使用輔助膠凝材料調(diào)節(jié)混凝土性能是一種簡(jiǎn)單高效的方法，目前大部分外加劑是通過(guò)化學(xué)合成的，制備過(guò)程較復(fù)雜，成本較高，同時(shí)在制備過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)，并且會(huì)緩慢的釋放甲醛等有害氣體[11-12]，污染環(huán)境。低成本的天然生物外加劑替代化學(xué)外加劑，可以克服化學(xué)外加劑對(duì)環(huán)境污染的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)混凝土的可持續(xù)生產(chǎn)[13-14]。天然生物外加劑可以促進(jìn)水泥水化，并具有一定的保水性能，能產(chǎn)生更多均勻的水化產(chǎn)物，使混凝土微觀結(jié)構(gòu)更加致密，從而使混凝土具有更高的力學(xué)性能。另外，粉煤灰是電廠排放的固體廢料，將其應(yīng)用到混凝土中不僅具有良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)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(xué)生在教師的指導(dǎo)下研究混凝土的力學(xué)性能和微觀機(jī)理，以此改善傳統(tǒng)混凝土材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，鍛煉學(xué)生的獨(dú)立思考和動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

三? 綠色混凝土力學(xué)實(shí)驗(yàn)與微觀表征

（一）? 實(shí)驗(yàn)原材料

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備與試件制作

參考GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]，以立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度作為含有CE和粉煤灰的混凝土基本力學(xué)性能指標(biāo)，立方體抗壓和劈裂抗拉實(shí)驗(yàn)使用150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊，每3個(gè)試塊為一組。

在試驗(yàn)開(kāi)始前，準(zhǔn)備好試驗(yàn)器材和材料，試驗(yàn)器材有電子秤、燒杯、膠頭滴管、玻璃攪拌器、模具、濾網(wǎng)和榨汁機(jī)等。玻璃制品使用前保持內(nèi)壁干燥清潔。將胡蘿卜榨汁和水以特定的比例進(jìn)行混合，配置成濃度不同的CE。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)好的配合比進(jìn)行試塊澆筑，將混凝土裝入模具進(jìn)行編號(hào)，放進(jìn)溫度為（23±1）℃，相對(duì)濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。24小時(shí)后拆模，拆模之后繼續(xù)放進(jìn)養(yǎng)護(hù)室分別養(yǎng)護(hù)至3、7、28、56天分別取出，試件表面擦干，進(jìn)行試驗(yàn)。用壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試。

（三）? 試件參數(shù)及實(shí)驗(yàn)方法

1? 試件參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)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(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試塊和凈漿試樣。另外還制作了一組不加CE的空白對(duì)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(gè)。

2? 實(shí)驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用TYE-2000E型壓力試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力2 000 kN，調(diào)速范圍0.3～0.8 MPa/s，示值相對(duì)誤差±1%。劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)采用TYE-300型壓力試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力300 kN，調(diào)速范圍0.3～9.9 kN/s，示值相對(duì)誤差±1%。本試驗(yàn)采用Rigaku， SmartLab和掃描電鏡分別測(cè)試混凝土的X射線衍射（XRD）和微觀結(jié)構(gòu)（SEM）。

通過(guò)學(xué)生親自制備天然生物外加劑和混凝土試塊，體驗(yàn)試件制作和不同濃度CE溶液配置的全過(guò)程，掌握材料特性及儀器使用方法，學(xué)生主觀能動(dòng)性得到充分發(fā)揮。在教師的指導(dǎo)下展開(kāi)實(shí)驗(yàn)和微觀測(cè)試，能夠加強(qiáng)師生互動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)思考和創(chuàng)新的意識(shí)。學(xué)生全過(guò)程參與實(shí)驗(yàn)，更清楚地認(rèn)識(shí)混凝土材料的組成成分、強(qiáng)度機(jī)理，鞏固專業(yè)理論知識(shí)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的記憶，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和良好的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)[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(duì)性地講解，并與傳統(tǒng)混凝土進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)講解不同研究案例的改善效果、作用機(jī)理、微觀分析等內(nèi)容，留出問(wèn)題讓學(xué)生分小組進(jìn)行思考、分析討論和總結(jié)。天然生物外加劑大多數(shù)取之于純天然綠色植物，經(jīng)濟(jì)環(huán)保、取材容易、生物兼容性高，而且制備簡(jiǎn)單、使用方便，因其優(yōu)異的改善混凝土力學(xué)性能成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。目前已經(jīng)研究了數(shù)十種植物性天然生物外加劑用來(lái)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(lán)桉和棕櫚酒等[18-20]，它們對(duì)混凝土的水化過(guò)程都存在著不同程度的影響，從而有效地改善混凝土力學(xué)性能。另外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在粉煤灰改善混凝土性能方面已開(kāi)展大量研究并取得豐富的成果。

1? 抗壓強(qiáng)度

研究人員對(duì)黃秋葵提取液作為生物外加劑進(jìn)行了表征，并將其加入水泥砂漿和混凝土研究其對(duì)砂漿和混凝土性能的影響，結(jié)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(jié)時(shí)間，對(duì)抗壓強(qiáng)度有積極的影響[19]。研究人員研究了粉煤灰對(duì)C30粗骨料全替代再生混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)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(qiáng)度要求[21]。

2? 劈裂抗拉強(qiáng)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(xiàng)性能，研究結(jié)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(jié)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(qiáng)度等力學(xué)性能和耐久性[22]。研究人員研究了粉煤灰對(duì)纖維自密實(shí)再生混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明粉煤灰有效提升了混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彎折強(qiáng)度[23]。

在實(shí)驗(yàn)和教學(xué)過(guò)程中，通過(guò)講解研究案例、讓學(xué)生了解天然生物外加劑和粉煤灰的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)闊學(xué)生的工程視野，增強(qiáng)教學(xué)的實(shí)踐性與應(yīng)用性。同時(shí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，吸引學(xué)生的注意力，達(dá)到師生互動(dòng)的課堂教學(xué)效果。學(xué)生通過(guò)分析機(jī)理問(wèn)題、思考解決方法，使其思維能力和創(chuàng)新能力得到快速提升。

四? 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)與微觀表征結(jié)果的教學(xué)分析

（一）? 抗壓強(qiáng)度分析

抗壓強(qiáng)度是混凝土材料一個(gè)重要的性能指標(biāo)，學(xué)生操作壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了四組混凝土試塊所設(shè)置齡期的抗壓強(qiáng)度，并記錄數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并畫(huà)出柱狀圖如圖1所示，通過(guò)不同濃度的CE混凝土試塊抗壓強(qiáng)度與空白對(duì)照組試塊抗壓強(qiáng)度作對(duì)比，摻加CE的混凝土抗壓強(qiáng)度在各齡期均有提高，表明CE對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度具有改善作用，總體來(lái)說(shuō)，在養(yǎng)護(hù)第3、7、28 天時(shí)抗壓強(qiáng)度隨CE濃度的增加而降低，養(yǎng)護(hù)第56天后抗壓強(qiáng)度隨CE濃度的增加而升高。學(xué)生自主討論，猜想其原因。教師總結(jié)學(xué)生們討論猜想的原因，進(jìn)行CE改善混凝土力學(xué)性能機(jī)理講解，并結(jié)合微觀表征分析加以驗(yàn)證，指出CE用于混凝土所呈現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)，各組學(xué)生在整理分析、對(duì)比的過(guò)程中潛能被充分挖掘，其團(tuán)結(jié)協(xié)作精神明顯增強(qiáng)，邏輯分析和獨(dú)立思考能力顯著提升[24]。此外，各小組獨(dú)立處理數(shù)據(jù)并嘗試分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有助于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)、刻苦鉆研的精神，為將來(lái)從事科研和相關(guān)工作奠定良好的基礎(chǔ)。

（二）? 劈裂抗拉強(qiáng)度分析

劈裂抗拉強(qiáng)度也是混凝土材料一個(gè)重要的性能指標(biāo)，學(xué)生測(cè)試了混凝土試塊28和56天的劈裂抗拉強(qiáng)度，并記錄數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并畫(huà)出柱狀圖如圖2所示，通過(guò)不同濃度的CE混凝土試塊抗壓強(qiáng)度與空白對(duì)照組試塊抗壓強(qiáng)度作對(duì)比，CE對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度具有一定改善作用，且數(shù)據(jù)的規(guī)律性與上述的抗壓強(qiáng)度規(guī)律一致，學(xué)生提出疑問(wèn)并嘗試分析原因作出解答。學(xué)生通過(guò)對(duì)劈開(kāi)的試塊進(jìn)行觀察，結(jié)合理論知識(shí)分析原因并進(jìn)行口頭表述，不僅鍛煉學(xué)生解決問(wèn)題和口頭表達(dá)能力，同時(shí)還提高了學(xué)生的辯證思維能力、綜合分析能力和知識(shí)運(yùn)用能力[25]。

（三）? 材料試樣的微觀表征分析

XRD結(jié)果如圖3所示。在光譜中可以觀察到水泥熟料和水化產(chǎn)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(méi)有產(chǎn)生新的礦物。P與C2S、C3S衍射峰的差值即為相對(duì)強(qiáng)度[27]。如圖3（a）所示，P-CE1～P-CE4的相對(duì)強(qiáng)度高于P-CON，說(shuō)明CE的加入促進(jìn)了水化反應(yīng)，生成更多的氫氧化鈣。G與鋁酸三鈣（C3A）反應(yīng)生成鈣凡石（AFt）， P-CE1～P-CE4的G峰強(qiáng)度高于P-CON，說(shuō)明CE的加入抑制了C3A與G的反應(yīng)，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(shí)，相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)一步增大，說(shuō)明隨著齡期的增加，水泥熟料被消耗產(chǎn)生更多的氫氧化鈣。此外，在56天時(shí)，無(wú)論是否添加CE，所有試樣中G的峰值強(qiáng)度都是相似的，這意味著CE對(duì)C3A的抑制作用在水化后期逐漸消除。

SEM結(jié)果如圖4所示。從粉煤灰的掃描電鏡圖像中可以看出其顆?；緸榍驙睿沟闷錆L珠效應(yīng)顯著，其粒徑和細(xì)度均較小，具有良好的細(xì)粒填充效果。摻入粉煤灰可以改善混凝土的流動(dòng)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(xué)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(jié)構(gòu)。與C-CE1～C-CE4相比，C-CON的微觀結(jié)構(gòu)顯得松散，并出現(xiàn)了一些裂紋，導(dǎo)致C-CON的強(qiáng)度低于C-CE1～C-CE4。此外，C-CE1～C-CE4中的水化產(chǎn)物比C-CON的多，這與56天的XRD測(cè)量結(jié)果一致。

這部分由教師帶領(lǐng)學(xué)生一起完成，教師給學(xué)生示范一組微觀測(cè)試樣品制作、測(cè)試儀器的使用和數(shù)據(jù)處理。其余幾組由學(xué)生在教師的指示下完成。老師給學(xué)生講解XRD測(cè)試原理，和圖中衍射峰所表示的含義，讓學(xué)生查閱粉煤灰和水化產(chǎn)物在微觀電鏡下呈現(xiàn)的形態(tài)，學(xué)生嘗試自主對(duì)混凝土材料進(jìn)行微觀表征分析，教師加以更正，并將微觀表征與宏觀力學(xué)特征相結(jié)合，充分解釋CE和粉煤灰改善混凝土力學(xué)性能機(jī)理。通過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果的觀察與分析，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析和理解能力[28]，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性[29-30]，有助于提高學(xué)生學(xué)習(xí)的深度和廣度，同時(shí)提高了教學(xué)質(zhì)量， 確保學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)的綜合培養(yǎng)，也突出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前沿性。

五實(shí)驗(yàn)分析與教學(xué)探索

該實(shí)驗(yàn)歷經(jīng)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、配合比確定、實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備、宏觀抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、多種微觀測(cè)試手段學(xué)習(xí)、試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、原因分析及結(jié)論整理等多個(gè)環(huán)節(jié)，邏輯清晰，體系完整，結(jié)論可靠，對(duì)于開(kāi)展相同類型實(shí)驗(yàn)有一定的參考價(jià)值。該實(shí)驗(yàn)將科研課題與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，注重引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)并完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生觀察試驗(yàn)現(xiàn)象、深入機(jī)理分析的科研能力，從多方面鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和機(jī)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(duì)混凝土性能影響。綠色植物為生活中常見(jiàn)物體，將其與混凝土結(jié)合容易引起學(xué)生好奇心和試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)固廢的精細(xì)化管控利用。另外，天然生物外加劑和粉煤灰對(duì)混凝土性能影響的作用機(jī)理較為復(fù)雜，學(xué)生前期可查閱相關(guān)外加劑和粉煤灰在混凝土中應(yīng)用的文獻(xiàn)資料，大致了解其作用原理。最后學(xué)生在教師的指導(dǎo)下見(jiàn)證由CE引起的混凝土性能的顯著改變，激發(fā)起學(xué)生探索其作用機(jī)理的興趣，最終達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)展目的。

學(xué)生通過(guò)親自參與CE的制備，混凝土試塊的澆筑，抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)試和SEM、XRD等微觀測(cè)試過(guò)程，了解了混凝土基礎(chǔ)知識(shí)，熟悉混凝土測(cè)試實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)與課本知識(shí)的融會(huì)貫通。實(shí)際操作混凝土的靜態(tài)軸向加載，可使學(xué)生掌握萬(wàn)能試驗(yàn)壓力機(jī)的使用方法，了解觀察混凝土微觀層面結(jié)構(gòu)的方法，在鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力的同時(shí)拓展其科研探索能力，為日后從事工程實(shí)踐或科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)[31-32]。

測(cè)試數(shù)據(jù)處理和分析包括對(duì)混凝土材料抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果的描述，采用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)處理繪制混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度柱狀圖，并對(duì)強(qiáng)度規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)合教師講解的微觀表征分析，充分理解與掌握CE對(duì)混凝土材料力學(xué)性能改善的原因。以上微觀表征分析過(guò)程，學(xué)生在常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中均難以接觸，與較為常見(jiàn)的強(qiáng)度測(cè)試分析等相比較為靈活，具有較強(qiáng)的邏輯性。學(xué)生嘗試總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。通過(guò)這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力、邏輯思維，以及理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力。

實(shí)驗(yàn)考核要將學(xué)生平時(shí)在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告和期末實(shí)驗(yàn)考核相結(jié)合。平時(shí)表現(xiàn)包括出勤率、實(shí)驗(yàn)操作、課堂回答問(wèn)題及實(shí)驗(yàn)室清潔整理。多樣化的考核方式可以提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的重視程度，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，CE可以有效改善混凝土力學(xué)性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以更具體地向?qū)W生展示新型綠色材料與常規(guī)材料的性能差異，開(kāi)拓學(xué)生思路，培養(yǎng)學(xué)生科研興趣和與時(shí)俱進(jìn)的創(chuàng)新思維。

將實(shí)驗(yàn)與科研課題、國(guó)內(nèi)外研究案例相結(jié)合的教學(xué)方式，能有效培養(yǎng)學(xué)生深入思考問(wèn)題的習(xí)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(chǔ)。此外，引入廣受關(guān)注的國(guó)內(nèi)外案例，說(shuō)明CE和粉煤灰對(duì)混凝土性能改善特性及實(shí)驗(yàn)方法與作用和先進(jìn)的微觀表征測(cè)試手段等，拓寬學(xué)生的視野，增加師生間的互動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力[33]。

實(shí)驗(yàn)室面向?qū)W生開(kāi)放，各小組學(xué)生利用課余時(shí)間走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，按照與教師共同協(xié)商制定的實(shí)驗(yàn)方案，主動(dòng)思考、自由分配任務(wù)，自主在課下完成實(shí)驗(yàn)。這樣不僅保證了學(xué)生的主體地位、培養(yǎng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，還彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)課時(shí)較少的缺陷[7]。

六? 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)混凝土材料特點(diǎn)和以傳統(tǒng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，引入新型綠色材料并結(jié)合混凝土微觀表征分析，對(duì)混凝土力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行拓展探索。注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的更新和先進(jìn)微觀表征測(cè)試的引入，注重教學(xué)互動(dòng)及加強(qiáng)學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程的主動(dòng)積極性，使形成混凝土材料宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)與微觀表征分析相結(jié)合。將基本實(shí)驗(yàn)、理論知識(shí)和微觀分析同步協(xié)調(diào)，并改革了實(shí)驗(yàn)考核方法，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高參與度，拓寬了學(xué)生的新視野，提升了學(xué)生獨(dú)立思考能力、創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。讓學(xué)生初步形成了獨(dú)具個(gè)性特色的科學(xué)思維方式。此外，也推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與時(shí)俱進(jìn)，具有較好的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價(jià)值。

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