基于再生骨料技術的混凝土結構實驗教學設計

沈炫

湖北工業大學 武漢 430068

0 引言

溫室氣體的過度排放，導致全球氣候變暖、極端天氣頻發，嚴重影響了人類社會經濟活動的正常開展。為應對這一日趨嚴重的全球性問題，我國提出了“碳達峰、碳中和”的雙碳目標[1]。目前，我國建筑行業規模位居世界第一，每年建筑碳排放量約占全球的20%，并占全國碳排放量的一半以上[2]，而這些碳排放主要集中在建筑運行和建材生產過程中，尤其是天然骨料的開采和運輸需要消耗大量能源，且對生態環境的破壞十分嚴重[3]。伴隨著建筑行業規模的飛速提升，以廢棄混凝土為主的建筑垃圾也在快速增加，造成了大量的資源浪費和嚴重的環境問題[4]。因此，建筑行業的節能減排，應重點放在建材生產的能源結構調整，以及廢棄混凝土的再生利用。土木工程專業是建筑行業人才培養的重要學科專業，從某種程度上來說決定著未來建筑業的發展。因此，如何在人才培養階段增強學生的節能減排知識、技能和意識，對建筑行業進行節能減排的產業升級，實現“雙碳”目標有著重要的意義。

1 混凝土結構實驗教學現狀

混凝土結構設計原理是高校土木工程專業學生學習的核心內容，其理論基礎均來自大量的實驗研究[5]。通過實驗教學，可以將課題上的理論與實踐相結合，培養學生的專業素養和工程意識。因此，為使學生能深入了解混凝土結構的受力機理和力學特性，實驗教學環節必不可少。

目前，開設了土木工程專業的高校，每學年都會開展混凝土結構實驗教學，許多高校出于安全考慮或為確保實驗效率，實驗教學多以實驗演示的方式進行，即教師在實驗課開始前準備好試件，課程中由教師負責具體操作，學生在實驗過程中僅觀察和記錄實驗現象，實驗結束后完成實驗報告。這種實驗教學模式下，學生僅僅是對試件破壞過程的觀察，而對試件內部構造以及試件破壞形態的認識不夠全面和深入，難以達到預期的實驗教學效果。雖然有部分高校為了增強學生動手能力的培養，提高學生的參與感和興趣，要求學生完成從試件設計、鋼筋綁扎、混凝土澆筑、養護到加載的全過程。但此種實驗教學模式局限于基本理論知識的傳授，與現階段建筑行業對節能減排需求聯系不夠緊密，缺乏對學生節能減排知識的傳授和環保意識的培養。

由于混凝土結構實驗所需試件尺寸較大且數量較多，因此需要消耗如天然骨料、水泥等大量建材。此外，混凝土結構實驗為破壞性實驗，實驗完成后會產生大量廢棄試件，而廢棄試件的堆放及處理也會帶來一系列管理問題和環境問題。鑒于現有混凝土結構實驗教學所存在的問題，對現有混凝土結構實驗教學進行改革具有迫切的現實意義。

2 再生骨料技術

再生骨料技術是指將廢棄混凝土塊經過破碎、清理與分級后，按一定的比例與級配混合后形成再生混凝土骨料的技術。將再生骨料部分或全部代替砂石等天然骨料配置成新的混凝土，可以實現對廢棄混凝土的再利用，從而解決了部分環保問題[6]。目前，歐美等國家對再生骨料技術進行了大量基礎性研究，并進行了一些剛性路面以及建筑物的應用，起到較好的示范作用。國內學者近年來也開展了相關的研究，取得了較豐富的成果。現有研究表明，再生骨料與天然骨料相比孔隙率較高、吸水性大、強度也較低[7]，但其基本性能能夠滿足混凝土對粗骨料的要求[8]。而再生混凝土的強度與基體混凝土嵌固端、再生骨料破碎工藝、再生骨料的替代率以及再生混凝土的配合比等因素密切相關，其強度隨再生骨料替代率的增加而降低；再生混凝土的抗滲性能、抗硫酸鹽侵蝕性能、抗磨性能等要低于普通混凝土[6]。雖然再生骨料混凝土的性能要低于同等級的普通混凝土，但采用再生骨料取代天然骨料對低強度混凝土影響較小。總體來說，再生骨料仍然具有較好的工程應用價值和環保價值，有利于我國實現“碳達峰、碳中和”的目標。

3 實驗教學設計

鑒于再生骨料技術對實現我國“碳達峰、碳中和”目標有著積極的推動作用，將這一技術引入現有的混凝土結構實驗教學體系中，不僅能夠滿足實驗教學的要求，同時對增強學生的節能環保意識有著積極的意義。此外，將廢棄的混凝土試件進行處理后作為再生骨料替代天然骨料，不但可以減少混凝土結構教學試件制作對天然骨料的消耗，同時也能從一定程度上解決大量廢棄試件處理的問題，符合國家“雙碳”戰略目標的要求。在對基于再生骨料技術的混凝土結構實驗進行設計時，實驗教學內容應充分體現課程教學目標，并能夠緊密結合節能減排的行業需求。因此，實驗教學內容應該與當前再生骨料技術在實際工程中的應用相結合，體現該技術的先進性，并且要保證實驗具有可操作性。

3.1 實驗教學任務編制

與傳統實驗教學中學生只需按照實驗目的和實驗步驟進行實驗操作不同，基于再生骨料技術的混凝土結構實驗教學任務編制，除包含實驗目的、實驗內容和要求外，還要求學生根據所選實驗項目查閱關于再生骨料技術的文獻，對再生骨料技術的研究現狀進行梳理，總結再生骨料混凝土的性能特點，并比較與傳統混凝土之間的性能差異。在此基礎上設計實驗方案，方案應包括試件設計、實驗監測方案設計、加載方案設計等部分。在對再生骨料文獻進行查閱梳理以及實驗方案的設計過程中，不僅鞏固了混凝土結構課程的理論知識，也拓展了學生關于再生骨料技術的相關知識，提升了學生獨立思考問題、分析問題、解決問題的能力，促進學生創新能力和節能減排意識的培養。

3.2 再生骨料混凝土試件的設計及制作

再生骨料混凝土試件的制作主要目的是幫助學生更直觀和深入地了解混凝土構件的內部構造，并對學生動手能力以及團隊協作能力進行培養。試件制作前，要求學生根據文獻資料設計再生混凝土的配合比，并根據實驗項目（如混凝土結構抗彎試驗、抗剪試驗等），設計試件的配筋。

在實驗試件制作前，學生需自主分組，完成對往期混凝土試件的破碎、篩分、清洗，將符合要求的混凝土塊作為再生骨料，并按照《普通混凝土用碎石或卵石質量標準及檢驗方法》（JGJ 53-92）測試再生骨料的基本性能，主要進行堆積密度、表觀密度、吸水率等指標測試，這些性能測試可以使學生進一步掌握混凝土骨料的測試方法，并了解再生骨料的基本性能。

完成再生骨料材料性能試驗后，需進行再生混凝土試配。試配時可選取不同再生骨料取代率制作混凝土立方體試件，并根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081-2002）測試如坍落度、表觀密度以及抗壓強度等性能。通過這些測試可以使學生進一步了解再生骨料對混凝土性能的影響，并可以驗證設計配合比的正確性。隨后由學生根據設計配合比（或調整后的設計配合比），制作試件。

3.3 實驗開展過程設計

結構實驗的開展，要求在教師的指導下由學生自己動手完成。實驗時，學生首先需要自己將試件放置于加載系統上，然后完成應變片及位移傳感器等試驗設備的安裝。設備調試完成后，根據所計算的開裂荷載及極限荷載進行預加載和正式加載。加載過程中，學生需對實驗現象及實驗數據進行觀察和記錄，如對混凝土受壓區及受拉區應變數據、跨中撓度數據進行記錄，對裂縫的出現及發展過程進行觀測，描繪并記錄每級荷載下裂縫的變化及分布情況等，同時為確保實驗安全，還需有部分學生作為安全員確保實驗安全進行。實驗加載結束后，學生按要求拆除數據采集設備，并完成對破壞試件的轉移，將破壞的混凝土梁存放于指定的廢棄試件存放區，最后完成實驗場地的清理等工作。

實驗加載全過程均由學生親手完成，不僅增加了學生在實驗過程中的參與感，同時實驗過程中分工合作也培養了學生的團隊合作意識，實驗結束后的場地清理，也可以培養學生的責任意識。

3.4 實驗結果討論及報告撰寫

由于各組實驗的考察目標不同，且試件均由學生設計及制作，因此每組實驗的現象及結果可能存在差異。為使學生更加深入地掌握混凝土結構的性能和工作機理，實驗結束后，要求學生以小組為單位結合實驗過程照片、實驗結果總結等內容進行實驗匯報，并進行交流討論。此種交流討論，有助于學生對實驗現象及結果進行總結，從而培養學生的科研能力和獨立思考的意識。

實驗報告的撰寫。實驗報告應包含對實驗現象的描述、原始數據的處理和分析，并繪制荷載-撓度曲線、荷載-應變曲線以及裂縫開展圖等。學生可以通過對跨中截面的應變分布數據進行分析，更為直觀地了解受彎構件在受力過程中的應力變化情況，對再生混凝土梁截面應變是否滿足平截面假定進行判斷。同時，通過分析跨中截面頂面受壓區混凝土應變以及受拉縱筋應變的測試結果，可對再生混凝土試件的破壞特征進行總結。此外，在進行數據處理和分析時，還可以根據實驗現象和實測數據對比分析再生混凝土結構與傳統混凝土結構之間的性能差異，討論再生混凝土結構是否能夠采用現有混凝土規范《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）[3]的相關公式進行計算。另外，實驗報告的最后，學生需要對采用再生骨料制作混凝土節能減排的可行性進行總結。

實驗報告的撰寫不僅可進一步培養學生數據分析和獨立思考的能力，還可以引導學生對再生骨料在實現我國“雙碳”目標中的作用進行思考，從而達到培養學生專業技能以及節能環保工程意識的目的。

4 結束語

“碳達峰、碳中和”的提出是我國為改善全球生態環境，促進人類社會和諧發展的重要舉措，要實現這一目標，必須從人才培養抓起，從根本上樹立節能減排意識。將再生骨料技術引入混凝土結構實驗教學中，不僅可以使學生掌握混凝土結構基本理論，拓展學生對再生骨料技術的認知，培養學生節能減排的環保理念和科學精神，還能夠減少天然骨料的使用、解決實驗廢棄混凝土的處理問題，具有深遠的現實意義。