基于應用導向的“水泥工藝學”教學改革

王法軍 雷勝

[摘 要]在“水泥工藝學”課程教學過程中將教學目標中的知識點進行分解，并將知識點與具體的工程應用實例相結合，即將工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、環境與可持續發展等內容引入教學環節中。該教學改革有利于促進學生在書本知識的學習過程中與實際應用需要相結合，提高學生解決實際工程應用問題的能力。

[關鍵詞]水泥工藝學;本科生教育;理論教學;實際應用

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

“水泥工藝學”是無機非金屬材料工程專業的一門專業基礎課程，主要授課內容包括水泥原料、原料的預處理、“兩磨一燒”工藝、配料計算、水泥混合材、水泥的水化反應、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、堤壩等工程領域有著廣泛的應用。我們在無機非金屬材料工程專業教學過程中發現，本專業的本科生絕大多數對鋰離子電池、功能陶瓷、納米材料等材料領域熱門學科具有濃厚的學習興趣和就業傾向，而對水泥相關材料則普遍存在偏見[1-3] 。他們通常認為水泥是一類“粗鄙”的材料，沒有任何技術含量。這些觀念必將造成水泥行業工程技術人員的缺失。因此，應在“水泥工藝學”課程教學目標中結合實際工程問題，將工程知識、問題分析、設計/開發解決方案、環境與可持續發展等內容引入教學環節中[4] ，通過分析水泥混凝土相關的典型工程應用實例，強調水泥基材料的重大應用背景、所存在的關鍵技術問題以及所涉及的重大經濟效益、環保效益和社會效益。這樣才能加強本科生對水泥基材料重要性的認識，提高他們對“水泥工藝學”這門課程的學習興趣，吸引無機非金屬材料工程專業本科人才在水泥相關行業就業[2， 5]。

一、在 “滲透性”的教學中引入表面改性劑的工程應用實例

在學習水泥基材料的“滲透性”概念時，學生往往對此概念認識不深。事實上，在混凝土工程受侵蝕的案例中絕大多數都是和混凝土的滲透性密切相關的。例如，混凝土橋面在冬季容易結冰，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，造成內部應力，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、內部孔隙特征和外部水中所攜帶的復雜侵蝕性離子的特征進行講解，并結合具體的工程案例，強調混凝土表面改性的概念。目前，硅烷/硅氧烷乳液或膏體已經在混凝土工程領域得到了廣泛應用，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結合過程和表面接觸角的變化，結合直觀的樣品表面改性過程演示和表面水滴浸潤狀態的改變演示，加深學生對混凝土表面憎水劑的理解和“滲透性”的認識。學生在學習混凝土疏水改性劑時，會對疏水混凝土的應用提出疑問。例如，有學生問道：既然疏水混凝土改性劑——硅烷/硅氧烷乳液或膏體已經在混凝土工程領域獲得了應用，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。第一個因素是民用建筑的施工規范。按照傳統規范，硅烷/硅氧烷乳液或膏體不會作為內摻改性劑加入混凝土中。因為疏水性硅烷改性劑添加到混凝土中后，混凝土的強度會急劇下降。如果混凝土強度不夠，那么建筑結構的安全性問題就不言而喻了。又有學生提問：有沒有疏水性好，強度又高的混凝土？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，通過合理的配方設計和材料選用，可以實現混凝土疏水高強的功能。但這樣無疑造成了混凝土結構制作成本的增加，這類材料只有在重要的混凝土工程中才會使用。在民用建筑材料領域，常用的防水材料以聚合物水泥防水涂料為主要產品，例如國內的著名品牌“東方雨虹”，其聚合物改性水泥基防水灰漿（PMC-421）就是這樣一類產品。

二、在“二次水化反應”的教學中引入高性能混凝土的工程應用實例

在學習“水化反應”和“活性混合材”相關概念時，學生往往對二次水化反應的認識不夠。“二次水化反應”是指水泥水化產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。粉煤灰作為一種高排放的工業廢棄物，在生產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，這種性能的改善主要依賴于粉煤灰的火山灰反應特性和微集料的填充作用。不同的粉體原料的火山灰反應活性和速率差別很大，教師可通過對納米二氧化硅、硅灰、粒化高爐礦渣和石英砂改性的硅酸鹽水泥進行對比，在工程實例分析中引入海洋混凝土工程的侵蝕現狀和維護情況內容。在實驗教學環節中制備對應的樣品，并通過對抗壓強度和抗折強度、孔隙率、吸水率等參數的測試與不同改性劑的二次水化反應機理進行解讀，加深學生對高性能硅酸鹽水泥混凝土的理解和“二次水化反應”的認識。有學生提問：既然火山灰反應和硅酸鹽水泥的水化反應相比，也有類似的水化特點，如都在水的存在下反應，產物會凝固、硬化并最終擁有較高的強度，同時考慮到硅酸鹽水泥的生產過程中存在能耗大、污染大的缺點，能否開發利用火山灰反應進行水化凝結硬化的新型環保型水泥呢？教師可以提示學生從環保的概念出發，思考如何選擇火山灰反應物質，又該如何選擇激發劑。在教師的啟迪下，學生會從反應原理、環保性和經濟成本方面優選原料。例如，選擇粉煤灰和粒化高爐礦渣，是因為它們既有火山灰活性，又是工業固體廢棄物，數量十分巨大，特別適合水泥工業大規模應用的需要。堿激發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。學生可以利用實驗性教學環節，如本科畢設、創新型實踐訓練等環節將這些材料進行組合，進行水化、凝結、硬化過程的實驗研究。

三、在“泡沫混凝土”的教學中引入新型建筑墻體的工程應用實例

在資源和能源危機的大背景下，通過發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。“泡沫混凝土”教學過程中涉及的知識點包含泡沫的形成機理和穩定性、泡沫混凝土多功能的復合以及泡沫的強度。可將發泡過程的相關實驗教學引入課堂，與理論教學結合，講解泡沫的形成機理。還可結合自保溫墻體應用實例，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用。由于隔熱、隔音、降溫、空氣凈化、透氣等功能所對應的知識點相對通俗易懂，在教學過程中可以采用師生角色互換的方式，由學生進行講解。教師可通過泡沫混凝土的重要工程應用實例引導學生對該領域的就業前景和細分領域進行分析，了解新型高校泡沫水泥致孔劑的開發，尤其要了解高強多孔混凝土的研究是該領域的重要發展方向。如何制備輕質高強泡沫混凝土？在實際工程中如何制備和使用泡沫混凝土？學生需要從工程應用的實際出發，從制備過程、可操作性、穩定性、安全性、毒害物排放等方面進行綜合考慮。例如，目前常用的制備泡沫混凝土的方法是采用物理發泡劑，首先制備穩定的泡沫水，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，使用泵送裝置現澆泡沫混凝土時，泡沫混凝土能夠穩定，不發生凝固、泡沫破裂等問題。

四、在“固體廢棄物固定化/穩定化”的教學中引入廢棄物混凝土的工程應用實例

工業固體廢棄物中有很多廢棄物含有毒害物質，如重金屬鉛、鉻和汞等，以及一些有毒有機物。教師在教學中應強調環境保護與可持續發展，這在水泥相關行業尤其具有重要的意義。工業的高速發展使得一次性原材料的消耗量極為龐大。當原材料在加工、提純的過程中，材料在制備和成型的過程中，產品完成服役周期后報廢為廢品時將形成數量巨大的廢棄物。一方面，原材料的不斷消耗使得優質原材料價格不斷攀升，優質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，還會對環境造成污染。教師在“固體廢棄物固定化/穩定化”的教學中應針對環境保護和廢棄物利用的問題，指出水泥是實現固體廢棄物固定化/穩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用實例進行分析，引導學生利用所學的工程知識進行問題分析，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性能和濾出行為特征，設計/開發解決方案，實現環境保護與可持續發展。固體廢棄物根據來源不同其形狀與性質差別很大。例如，鑄造廢砂顆粒較大，主要成分是石英砂和粘結劑，它們可以作為水泥的粗集料使用;粉煤灰和粒化高爐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行利用。學生在學習這部分知識點的時候，會形成強烈的環保意識和歷史使命感。資源循環利用將是未來社會持續發展的永恒主題。目前我國很多固體廢棄物資源沒有得到合理的利用，學生利用所學知識，如能正確對其中某種廢棄物進行合理的處置，不但能夠成就個人事業，還具有重要的社會效益。

五、在其他知識點的教學中引入工程應用實例

將“水泥工藝學”的教學任務與實際工程應用相結合，引導學生在具體的案例分析和解決方案的設計與開發過程中將所學的工程知識進行合理的利用，以達到學以致用、學有所用的教學目的。由于水泥的制備、成型、養護的過程非常簡單，很多實驗可以很方便地搬到課堂，通過現場實驗演示加深學生對水泥特性的認識。例如，教學“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驗，通過“水泥+水”和“水泥+水+減水劑”和易性和流動度的對比，就能讓學生理解減水劑的有益效果。在工程應用中使用減水劑可使標準稠度需水量減少，水泥制品的密實度增加而滲透性降低。再如，在教學“緩凝劑”和“早強劑”時，結合實際工程應用的需要，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;在混凝土對早期強度有需求的場合，則可使用早強劑。又如，在“高性能混凝土”的教學中可與實際工程應用實例相結合。在教學方面，高性能混凝土所涉及的知識點包括密實度、火山灰反應、高強水泥、高強纖維、壓力成型等概念;在實際工程應用中，當高性能混凝土應用于海工混凝土工程時，其在服役條件下自身的強度、抗侵蝕性和耐久性相關。而高性能混凝土的耐久性又由混凝土的密實度、火山灰反應程度、水泥基體的強度、纖維的類型和強度、成型壓力等若干因素（教學知識點）決定。通過分析上述知識點與耐久性的關系即可建立教學知識點與實際工程應用實例的聯系，從而將二者結合起來。

六、結束語

在“水泥工藝學”教學中大量引入工程應用實例，不但可以強化傳統水泥材料所具有的重大工程應用背景，還可以利用具體案例分析引導學生發現問題，找到相關專業知識點，利用工程知識進行案例分析，最終提出解決方案。水泥材料設計的學科涉及的材料和化學物質非常多，涉及的行業領域也較為寬廣。水泥相關材料具有很強的應用背景，涉及原料、原料加工、熱工設備、混合材、添加劑等各方面，每個方面和環節都有相關產業的支撐。將“水泥工藝學”課程相關章節中的知識點與工程應用結合起來，使學生學有所用、學以致用，促使他們摒棄學習無用論的錯誤觀點，激發他們的學習興趣，從而達到較好的教學效果。因此，基于應用導向的“水泥工藝學”教學，可以幫助學生實現理論知識的學習與實際應用的結合，增強學生的專業自信，促進無機非金屬材料工程專業或其他相關專業的學生在本領域就業。

[ 參 考 文 獻 ]

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

[2] 趙青云，崔艷，劉帥.新工科理念下普通高校工科專業教與學的探索[J].大學教育，2020（5）：40?42.

[3] 張軍華，李振春.傳承與創新結合 教學與科研并舉 立德與育人并重：淺談高校基層教學單位建設的體會與認識[J].教育教學論壇，2014（3）：43?44.

[4] 崔文琴.當代大學生學習投入現狀及對策研究[J].高教探索，2012（6）：67?71，143.

[5] 李娜，賈方，楊瀚宇，等.我國高校實踐教學改革的困境及對策[J].大學教育，2015（1）：16?19.

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

[收稿時間]2020-07-21

[基金項目]江蘇理工學院品牌專業建設資助項目：功能材料專業建設（20201178501）。

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

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