基于應(yīng)用導(dǎo)向的“水泥工藝學(xué)”教學(xué)改革

王法軍 雷勝

[摘 要]在“水泥工藝學(xué)”課程教學(xué)過程中將教學(xué)目標(biāo)中的知識點(diǎn)進(jìn)行分解，并將知識點(diǎn)與具體的工程應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合，即將工程知識、問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展等內(nèi)容引入教學(xué)環(huán)節(jié)中。該教學(xué)改革有利于促進(jìn)學(xué)生在書本知識的學(xué)習(xí)過程中與實(shí)際應(yīng)用需要相結(jié)合，提高學(xué)生解決實(shí)際工程應(yīng)用問題的能力。

[關(guān)鍵詞]水泥工藝學(xué);本科生教育;理論教學(xué);實(shí)際應(yīng)用

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2022）02-0089-03

“水泥工藝學(xué)”是無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，主要授課內(nèi)容包括水泥原料、原料的預(yù)處理、“兩磨一燒”工藝、配料計算、水泥混合材、水泥的水化反應(yīng)、水泥的耐久性、特種水泥等部分。水泥是除水之外人類使用量最大的材料，在建筑、道路工程、橋梁、堤壩等工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。我們在無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，本專業(yè)的本科生絕大多數(shù)對鋰離子電池、功能陶瓷、納米材料等材料領(lǐng)域熱門學(xué)科具有濃厚的學(xué)習(xí)興趣和就業(yè)傾向，而對水泥相關(guān)材料則普遍存在偏見[1-3] 。他們通常認(rèn)為水泥是一類“粗鄙”的材料，沒有任何技術(shù)含量。這些觀念必將造成水泥行業(yè)工程技術(shù)人員的缺失。因此，應(yīng)在“水泥工藝學(xué)”課程教學(xué)目標(biāo)中結(jié)合實(shí)際工程問題，將工程知識、問題分析、設(shè)計/開發(fā)解決方案、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展等內(nèi)容引入教學(xué)環(huán)節(jié)中[4] ，通過分析水泥混凝土相關(guān)的典型工程應(yīng)用實(shí)例，強(qiáng)調(diào)水泥基材料的重大應(yīng)用背景、所存在的關(guān)鍵技術(shù)問題以及所涉及的重大經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會效益。這樣才能加強(qiáng)本科生對水泥基材料重要性的認(rèn)識，提高他們對“水泥工藝學(xué)”這門課程的學(xué)習(xí)興趣，吸引無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)本科人才在水泥相關(guān)行業(yè)就業(yè)[2， 5]。

一、在 “滲透性”的教學(xué)中引入表面改性劑的工程應(yīng)用實(shí)例

在學(xué)習(xí)水泥基材料的“滲透性”概念時，學(xué)生往往對此概念認(rèn)識不深。事實(shí)上，在混凝土工程受侵蝕的案例中絕大多數(shù)都是和混凝土的滲透性密切相關(guān)的。例如，混凝土橋面在冬季容易結(jié)冰，撒融冰鹽是最常用的路面融冰方法。但融冰鹽中含有的Cl-離子容易腐蝕混凝土中的鋼筋，造成內(nèi)部應(yīng)力，使混凝土膨脹開裂。在講述滲透性的時候，可以從水泥混凝土的表面浸潤性特征、內(nèi)部孔隙特征和外部水中所攜帶的復(fù)雜侵蝕性離子的特征進(jìn)行講解，并結(jié)合具體的工程案例，強(qiáng)調(diào)混凝土表面改性的概念。目前，硅烷/硅氧烷乳液或膏體已經(jīng)在混凝土工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，教師可通過講解硅烷/硅氧烷乳液在硅酸鹽水泥混凝土表面的化學(xué)結(jié)合過程和表面接觸角的變化，結(jié)合直觀的樣品表面改性過程演示和表面水滴浸潤狀態(tài)的改變演示，加深學(xué)生對混凝土表面憎水劑的理解和“滲透性”的認(rèn)識。學(xué)生在學(xué)習(xí)混凝土疏水改性劑時，會對疏水混凝土的應(yīng)用提出疑問。例如，有學(xué)生問道：既然疏水混凝土改性劑——硅烷/硅氧烷乳液或膏體已經(jīng)在混凝土工程領(lǐng)域獲得了應(yīng)用，為何我家的房屋還是漏水？為何我國民用建筑的防水問題還是沒有得到徹底的解決呢？這和很多因素相關(guān)。第一個因素是民用建筑的施工規(guī)范。按照傳統(tǒng)規(guī)范，硅烷/硅氧烷乳液或膏體不會作為內(nèi)摻改性劑加入混凝土中。因?yàn)槭杷怨柰楦男詣┨砑拥交炷林泻螅炷恋膹?qiáng)度會急劇下降。如果混凝土強(qiáng)度不夠，那么建筑結(jié)構(gòu)的安全性問題就不言而喻了。又有學(xué)生提問：有沒有疏水性好，強(qiáng)度又高的混凝土？使用這樣的混凝土不就可以解決安全性和滲透性的問題了嗎？確實(shí)，通過合理的配方設(shè)計和材料選用，可以實(shí)現(xiàn)混凝土疏水高強(qiáng)的功能。但這樣無疑造成了混凝土結(jié)構(gòu)制作成本的增加，這類材料只有在重要的混凝土工程中才會使用。在民用建筑材料領(lǐng)域，常用的防水材料以聚合物水泥防水涂料為主要產(chǎn)品，例如國內(nèi)的著名品牌“東方雨虹”，其聚合物改性水泥基防水灰漿（PMC-421）就是這樣一類產(chǎn)品。

二、在“二次水化反應(yīng)”的教學(xué)中引入高性能混凝土的工程應(yīng)用實(shí)例

在學(xué)習(xí)“水化反應(yīng)”和“活性混合材”相關(guān)概念時，學(xué)生往往對二次水化反應(yīng)的認(rèn)識不夠?！岸嗡磻?yīng)”是指水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣與原料中的活性二氧化硅或活性氧化鋁之間的反應(yīng)。粉煤灰作為一種高排放的工業(yè)廢棄物，在生產(chǎn)粉煤灰硅酸鹽水泥中能夠減少水泥用量，資源化利用粉煤灰可改善水泥的一些性能指標(biāo)，這種性能的改善主要依賴于粉煤灰的火山灰反應(yīng)特性和微集料的填充作用。不同的粉體原料的火山灰反應(yīng)活性和速率差別很大，教師可通過對納米二氧化硅、硅灰、?；郀t礦渣和石英砂改性的硅酸鹽水泥進(jìn)行對比，在工程實(shí)例分析中引入海洋混凝土工程的侵蝕現(xiàn)狀和維護(hù)情況內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中制備對應(yīng)的樣品，并通過對抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度、孔隙率、吸水率等參數(shù)的測試與不同改性劑的二次水化反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行解讀，加深學(xué)生對高性能硅酸鹽水泥混凝土的理解和“二次水化反應(yīng)”的認(rèn)識。有學(xué)生提問：既然火山灰反應(yīng)和硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)相比，也有類似的水化特點(diǎn)，如都在水的存在下反應(yīng)，產(chǎn)物會凝固、硬化并最終擁有較高的強(qiáng)度，同時考慮到硅酸鹽水泥的生產(chǎn)過程中存在能耗大、污染大的缺點(diǎn)，能否開發(fā)利用火山灰反應(yīng)進(jìn)行水化凝結(jié)硬化的新型環(huán)保型水泥呢？教師可以提示學(xué)生從環(huán)保的概念出發(fā)，思考如何選擇火山灰反應(yīng)物質(zhì)，又該如何選擇激發(fā)劑。在教師的啟迪下，學(xué)生會從反應(yīng)原理、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)成本方面優(yōu)選原料。例如，選擇粉煤灰和?；郀t礦渣，是因?yàn)樗鼈兗扔谢鹕交一钚?，又是工業(yè)固體廢棄物，數(shù)量十分巨大，特別適合水泥工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的需要。堿激發(fā)材料可以選擇氫氧化鈉、氫氧化鉀、水玻璃和生石灰。其中生石灰由石灰石煅燒而來，價格最為便宜。學(xué)生可以利用實(shí)驗(yàn)性教學(xué)環(huán)節(jié)，如本科畢設(shè)、創(chuàng)新型實(shí)踐訓(xùn)練等環(huán)節(jié)將這些材料進(jìn)行組合，進(jìn)行水化、凝結(jié)、硬化過程的實(shí)驗(yàn)研究。

三、在“泡沫混凝土”的教學(xué)中引入新型建筑墻體的工程應(yīng)用實(shí)例

在資源和能源危機(jī)的大背景下，通過發(fā)展新型綠色功能建筑墻體減少一次資源的消耗和電能的消耗具有重要意義。新型泡沫混凝土作為非承重建筑墻體使用不但自重輕，還具有隔熱、隔音、降溫、空氣凈化、透氣等多種功能?！芭菽炷痢苯虒W(xué)過程中涉及的知識點(diǎn)包含泡沫的形成機(jī)理和穩(wěn)定性、泡沫混凝土多功能的復(fù)合以及泡沫的強(qiáng)度?？蓪l(fā)泡過程的相關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入課堂，與理論教學(xué)結(jié)合，講解泡沫的形成機(jī)理。還可結(jié)合自保溫墻體應(yīng)用實(shí)例，引入泡沫混凝土砌塊、泡沫混凝土保溫板、泡沫混凝土墻體的應(yīng)用。由于隔熱、隔音、降溫、空氣凈化、透氣等功能所對應(yīng)的知識點(diǎn)相對通俗易懂，在教學(xué)過程中可以采用師生角色互換的方式，由學(xué)生進(jìn)行講解。教師可通過泡沫混凝土的重要工程應(yīng)用實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生對該領(lǐng)域的就業(yè)前景和細(xì)分領(lǐng)域進(jìn)行分析，了解新型高校泡沫水泥致孔劑的開發(fā)，尤其要了解高強(qiáng)多孔混凝土的研究是該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。如何制備輕質(zhì)高強(qiáng)泡沫混凝土？在實(shí)際工程中如何制備和使用泡沫混凝土？學(xué)生需要從工程應(yīng)用的實(shí)際出發(fā)，從制備過程、可操作性、穩(wěn)定性、安全性、毒害物排放等方面進(jìn)行綜合考慮。例如，目前常用的制備泡沫混凝土的方法是采用物理發(fā)泡劑，首先制備穩(wěn)定的泡沫水，然后將泡沫水引入水泥漿體中。此過程要求泡沫有一定的穩(wěn)定期，保證泡沫混凝土硬化前泡沫不能破裂。此外還要求泡沫混凝土在硬化前有可輸送性，例如，使用泵送裝置現(xiàn)澆泡沫混凝土?xí)r，泡沫混凝土能夠穩(wěn)定，不發(fā)生凝固、泡沫破裂等問題。

四、在“固體廢棄物固定化/穩(wěn)定化”的教學(xué)中引入廢棄物混凝土的工程應(yīng)用實(shí)例

工業(yè)固體廢棄物中有很多廢棄物含有毒害物質(zhì)，如重金屬鉛、鉻和汞等，以及一些有毒有機(jī)物。教師在教學(xué)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展，這在水泥相關(guān)行業(yè)尤其具有重要的意義。工業(yè)的高速發(fā)展使得一次性原材料的消耗量極為龐大。當(dāng)原材料在加工、提純的過程中，材料在制備和成型的過程中，產(chǎn)品完成服役周期后報廢為廢品時將形成數(shù)量巨大的廢棄物。一方面，原材料的不斷消耗使得優(yōu)質(zhì)原材料價格不斷攀升，優(yōu)質(zhì)資源的儲量日益枯竭。另一方面，廢棄物的不斷形成及排放又給人類社會帶來新的麻煩，堆放和填埋不但占用了稀缺的土地，還會對環(huán)境造成污染。教師在“固體廢棄物固定化/穩(wěn)定化”的教學(xué)中應(yīng)針對環(huán)境保護(hù)和廢棄物利用的問題，指出水泥是實(shí)現(xiàn)固體廢棄物固定化/穩(wěn)定化最為有效的方法。教師可以城市固體垃圾焚燒飛灰的處置作為工程應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的工程知識進(jìn)行問題分析，針對焚燒飛灰的特性、焚燒飛灰與水泥凝膠材料之間的相互作用以及固化體的力學(xué)性能和濾出行為特征，設(shè)計/開發(fā)解決方案，實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展。固體廢棄物根據(jù)來源不同其形狀與性質(zhì)差別很大。例如，鑄造廢砂顆粒較大，主要成分是石英砂和粘結(jié)劑，它們可以作為水泥的粗集料使用;粉煤灰和?；郀t礦渣可以作為水泥的活性混合材;造紙污泥可以通過處理后作為水泥的細(xì)集料;含鉻廢渣含有重金屬毒害物六價鉻，因此不能用一般的方法進(jìn)行利用。學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分知識點(diǎn)的時候，會形成強(qiáng)烈的環(huán)保意識和歷史使命感。資源循環(huán)利用將是未來社會持續(xù)發(fā)展的永恒主題。目前我國很多固體廢棄物資源沒有得到合理的利用，學(xué)生利用所學(xué)知識，如能正確對其中某種廢棄物進(jìn)行合理的處置，不但能夠成就個人事業(yè)，還具有重要的社會效益。

五、在其他知識點(diǎn)的教學(xué)中引入工程應(yīng)用實(shí)例

將“水泥工藝學(xué)”的教學(xué)任務(wù)與實(shí)際工程應(yīng)用相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生在具體的案例分析和解決方案的設(shè)計與開發(fā)過程中將所學(xué)的工程知識進(jìn)行合理的利用，以達(dá)到學(xué)以致用、學(xué)有所用的教學(xué)目的。由于水泥的制備、成型、養(yǎng)護(hù)的過程非常簡單，很多實(shí)驗(yàn)可以很方便地搬到課堂，通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)演示加深學(xué)生對水泥特性的認(rèn)識。例如，教學(xué)“水泥減水劑”在水泥中的作用原理和效果時，我們通過簡單的拌和實(shí)驗(yàn)，通過“水泥+水”和“水泥+水+減水劑”和易性和流動度的對比，就能讓學(xué)生理解減水劑的有益效果。在工程應(yīng)用中使用減水劑可使標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量減少，水泥制品的密實(shí)度增加而滲透性降低。再如，在教學(xué)“緩凝劑”和“早強(qiáng)劑”時，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用的需要，如混凝土在拌和過程中需要較多的保持塑性的時間，則可使用緩凝劑;在混凝土對早期強(qiáng)度有需求的場合，則可使用早強(qiáng)劑。又如，在“高性能混凝土”的教學(xué)中可與實(shí)際工程應(yīng)用實(shí)例相結(jié)合。在教學(xué)方面，高性能混凝土所涉及的知識點(diǎn)包括密實(shí)度、火山灰反應(yīng)、高強(qiáng)水泥、高強(qiáng)纖維、壓力成型等概念;在實(shí)際工程應(yīng)用中，當(dāng)高性能混凝土應(yīng)用于海工混凝土工程時，其在服役條件下自身的強(qiáng)度、抗侵蝕性和耐久性相關(guān)。而高性能混凝土的耐久性又由混凝土的密實(shí)度、火山灰反應(yīng)程度、水泥基體的強(qiáng)度、纖維的類型和強(qiáng)度、成型壓力等若干因素（教學(xué)知識點(diǎn)）決定。通過分析上述知識點(diǎn)與耐久性的關(guān)系即可建立教學(xué)知識點(diǎn)與實(shí)際工程應(yīng)用實(shí)例的聯(lián)系，從而將二者結(jié)合起來。

六、結(jié)束語

在“水泥工藝學(xué)”教學(xué)中大量引入工程應(yīng)用實(shí)例，不但可以強(qiáng)化傳統(tǒng)水泥材料所具有的重大工程應(yīng)用背景，還可以利用具體案例分析引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，找到相關(guān)專業(yè)知識點(diǎn)，利用工程知識進(jìn)行案例分析，最終提出解決方案。水泥材料設(shè)計的學(xué)科涉及的材料和化學(xué)物質(zhì)非常多，涉及的行業(yè)領(lǐng)域也較為寬廣。水泥相關(guān)材料具有很強(qiáng)的應(yīng)用背景，涉及原料、原料加工、熱工設(shè)備、混合材、添加劑等各方面，每個方面和環(huán)節(jié)都有相關(guān)產(chǎn)業(yè)的支撐。將“水泥工藝學(xué)”課程相關(guān)章節(jié)中的知識點(diǎn)與工程應(yīng)用結(jié)合起來，使學(xué)生學(xué)有所用、學(xué)以致用，促使他們摒棄學(xué)習(xí)無用論的錯誤觀點(diǎn)，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，從而達(dá)到較好的教學(xué)效果。因此，基于應(yīng)用導(dǎo)向的“水泥工藝學(xué)”教學(xué)，可以幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論知識的學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用的結(jié)合，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)自信，促進(jìn)無機(jī)非金屬材料工程專業(yè)或其他相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在本領(lǐng)域就業(yè)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 丁茜，劉亦武，譚井華.功能高分子材料課程教學(xué)改革的探索[J].教育現(xiàn)代化，2018（37）：13?14.

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[3] 張軍華，李振春.傳承與創(chuàng)新結(jié)合 教學(xué)與科研并舉 立德與育人并重：淺談高?；鶎咏虒W(xué)單位建設(shè)的體會與認(rèn)識[J].教育教學(xué)論壇，2014（3）：43?44.

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[6] 李培根，許曉東，陳國松.我國本科工程教育實(shí)踐教學(xué)問題與原因探析[J].高等工程教育研究，2012（3）：1?6.

[收稿時間]2020-07-21

[基金項(xiàng)目]江蘇理工學(xué)院品牌專業(yè)建設(shè)資助項(xiàng)目：功能材料專業(yè)建設(shè)（20201178501）。

[作者簡介]王法軍（1976—），男，湖北人，博士，副教授，研究方向：功能水泥基復(fù)合材料的制備及耐久性。

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