《道路工程材料》中水泥教學(xué)的思考

張?jiān)銎? 張強(qiáng)

摘 要：水泥是一種重要的道路工程材料，本文圍繞水泥發(fā)展的歷史故事、水泥的水化機(jī)理和水泥的應(yīng)用等三個(gè)方面對(duì)本節(jié)內(nèi)容進(jìn)行分析，旨在提高《道路工程材料》中水泥內(nèi)容講解的教學(xué)效果。

1.引言

水泥是重要的建筑材料之一，是以硅酸鹽水泥熟料和適量的石膏、及規(guī)定的混合材料制成的水應(yīng)性膠凝材料[1]。水泥在《道路工程材料》這門(mén)必修專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課中也具有很重要的地位。要求學(xué)生掌握水泥熟料礦物成分特性、水化機(jī)理和技術(shù)性質(zhì)及測(cè)定方法。對(duì)于土木工程領(lǐng)域的本科生而言，缺乏無(wú)機(jī)非金屬材料專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)，理解水泥的水化、凝結(jié)硬化機(jī)理存在一定難度。鑒于此，本文便于學(xué)生理解，從水泥發(fā)展的歷史故事、水泥的水化機(jī)理和水泥的應(yīng)用等三個(gè)方面對(duì)本節(jié)內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充和詮釋。

2.水泥內(nèi)容詮釋

2.1 水泥發(fā)展的歷史故事

關(guān)于水泥的發(fā)明，有著一段很有趣而悠久的歷史。1756年，英吉利海峽南端最重要的燈塔突然失火燒毀了。英國(guó)政府命令工程師Smeaton用最快的速度重建這座燈塔。為了節(jié)省時(shí)間，Smeaton要求把石灰石運(yùn)往燈塔所在的小島，以便燒成石灰使用。兩星期后，史密頓收到的確實(shí)混有太多土質(zhì)的石灰石?？墒?，時(shí)間緊迫，他只好用這些劣質(zhì)原料進(jìn)行燒制。出乎意料的是，用這批石灰石燒出來(lái)的石灰，粘結(jié)石塊的性能比普通石灰更好。Smeaton不愧是一名出色的工程師，他對(duì)這樣的結(jié)果進(jìn)行了冷靜思考，對(duì)這些石灰進(jìn)行了檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些石灰竟含有多達(dá)約20%的黏土。正是這樣的偶然事件，讓史密頓發(fā)現(xiàn)含黏土的石灰石煅燒可以獲得性能優(yōu)異的石灰。從此人們開(kāi)始使用各種天然含土石灰?guī)r石（泥灰?guī)r）來(lái)燒制水硬石灰。水硬石灰的生產(chǎn)技術(shù)在1796年獲得專(zhuān)利，并被稱(chēng)為“羅馬水泥”。然而由于天然含土石灰?guī)r石并不隨處可見(jiàn)，人們開(kāi)始人工配制水泥。英格蘭人Aspdin在這方面取得了巨大的成功。他用粉磨的石灰石和黏土混合物在老式立窯中煅燒后制成水硬水泥，并在1824年所獲得的專(zhuān)利中用波特蘭來(lái)命名自己的產(chǎn)品，因?yàn)椴ㄌ靥m巖石是當(dāng)?shù)氐囊环N堅(jiān)硬、耐久的石灰?guī)r。從這時(shí)起，膠凝材料進(jìn)入了一個(gè)嶄新的發(fā)展時(shí)代[2]。

2.2關(guān)于水泥的水化機(jī)理

水泥的凝結(jié)和硬化是一個(gè)連續(xù)而復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程。水泥與適量的水拌和后，立即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，水泥的各個(gè)組分開(kāi)始溶解并產(chǎn)生了復(fù)雜的物理、化學(xué)和力學(xué)變化，這種變化可以持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，最終形成具有一定強(qiáng)度的石狀體。水泥的水化實(shí)際上是其中各種主要礦物的水化[2，3]。

1）硅酸三鈣

2.3關(guān)于水泥的應(yīng)用

在道路和橋梁中常用的有硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥和復(fù)合硅酸鹽水泥等六大品種[2]。工程建設(shè)中以硅酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥為主。以其優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性，水泥是道路、橋梁和隧道等各種公路工程中最重要的一種無(wú)機(jī)結(jié)合料。水泥廣泛用于路面基層、底基層和面層中，也是養(yǎng)護(hù)大中修工程常用材料，用于水泥冷再生基層中[4-7]，也可以用于土壤穩(wěn)定[8]。

3.結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)始學(xué)習(xí)《道路工程材料》這門(mén)課程的本科生一般沒(méi)有進(jìn)行過(guò)水泥實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)水泥的各種技術(shù)性質(zhì)還是比較陌生的。通過(guò)在課堂中引入水泥發(fā)展的歷史故事、深入解析其水化機(jī)理和介紹其應(yīng)用，可以有效改善《道路工程材料》水泥這一節(jié)內(nèi)容的教學(xué)效果，增加課堂的趣味性。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB175-2007，通用硅酸鹽水泥

[2]申愛(ài)琴，道路工程材料，第二版，人民交通出版社[M]，2016

[3]伍必慶，道路建筑材料，人民交通出版社[M]，2007

[4]馬滿(mǎn)生.水泥穩(wěn)定碎石基層施工技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2019（04）：213-214.

[5]韓麗華，馮火印.水泥混凝土路面施工技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用[J].交通世界，2016（36）：28-29.

[6]彭博.水泥穩(wěn)定材料冷再生在公路大中修工程中的應(yīng)用[J].工程技術(shù)研究，2017（10）：117+133.

[7]宋玉波.水泥就地冷再生基層在公路大中修工程中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技，2016，39（05）：74+76.

[8]曾慶偉，孫海秀，王麗娜.水泥改良黃土在公路工程中的應(yīng)用研究[J].公路，2017，62（07）：272-275.

作者簡(jiǎn)介：

1. 張?jiān)銎剑校?981年10月生，陜西藍(lán)田人，博士。工作單位：長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院道路工程所。職稱(chēng)：教授。研究方向：道路工程材料。

2. 張強(qiáng)，男 ，1986年12月25日生，陜西西安人。學(xué)歷：本科。工作單位：中國(guó)三安建設(shè)集團(tuán)有限公司，職稱(chēng)：工程師。