“雙碳”背景下綠色土木工程材料實驗課改革研究

摘要：針對土木工程材料實驗課學生積極性不高、難以結合國家政策與行業發展新技術等問題，本研究結合“雙碳”政策背景，設計了以再生混凝土為主題的綠色土木工程材料實驗項目。在傳統實驗項目的基礎上增加可選變量和試驗內容，增加學生自主設計部分以激發學生積極性，使學生在有限的實驗課時間內掌握水泥混凝土實驗的基本操作，了解水膠比、外加劑、溫度等因素對混凝土性能的影響，并直觀地感受建筑垃圾制作再生混凝土的過程，加強學生對建筑行業節能減排相關政策及技術的思考。

關鍵詞：土木工程材料；實驗課；教學研究；節能減排

《土木工程材料》是我校土木工程專業的專業核心課程之一，是我校高質量應用型人才培養計劃的重要部分，實驗課是本課程的重要組成部分，實驗課的實踐操作對學生掌握課程的理論知識、深刻理解材料性能，并應用于后續的課程學習、方案設計、工程實踐都具有極其重要的作用。土木工程材料作為一門與工程密切相關的課程，實驗課不僅需要使學生掌握傳統建筑材料的相關知識，還需要使學生了解行業發展方向、國家政策導向，并適當融入課程思政元素。但目前實驗課普遍存在以驗證性實驗為主、方案固定、操作重復等問題，并且實驗項目較難融入國家政策與行業發展方向。

目前建筑行業的大趨勢是節能減排、清潔生產，中央政府在2020年提出了“雙碳”目標，而建筑行業是能耗和碳排放大戶，2020年全國建筑與建造總能耗占全國總能耗的45.5%，碳排放占全國總排放量的50.9%，主要為建筑材料的生產階段和建筑運行階段的能耗和碳排放[1]。建筑行業節能環保技術的研究與實踐應用對土木工程等相關專業的本科生提出了新的需求，要求學生掌握相關的基本知識，具備在實際研究與工程應用中實踐節能環保相關技術的基本能力，尤其是綠色建筑材料在建筑設計、施工中的應用。

因此，在“雙碳”背景下對《土木工程材料》實驗課程進行改革和創新，能夠加強學生節能減排意識，了解行業在節能減排方面的新技術以及新方法，掌握將其應用于工程實踐的能力。

1土木工程材料實驗課的現狀及問題

目前《土木工程材料》教材中推薦的實驗項目主要是材料基本性能測試的標準實驗，例如水泥凝結時間、水泥安定性、骨料堆積密度、普通混凝土坍落度等，各高校再根據自身的培養計劃和實驗條件選擇實驗課內容。實驗項目的限制導致土木工程材料實驗課教學普遍存在以下問題：

1.1以驗證性實驗為主

土木工程材料的實驗課對實驗室條件有一定要求，實驗室不僅需要有沉降池用于沉淀污水，還需要購置大量實驗設備。如果設備較少，實驗課過程中學生需要輪流使用設備，甚至只能由教師進行演示實驗，因此為了提高學生的參與度，盡量使更多的學生能夠親自進行實驗操作，需要根據實驗課分組數采購多套設備。這就導致需要盡量安排設備價格較低的實驗項目，例如使用維卡儀進行的水泥標準稠度和凝結時間實驗、使用雷氏夾進行水泥體積安定性實驗、使用李氏瓶進行顆粒密度實驗等。這些都是基于標準方法的材料基本性能測試，這類實驗項目往往存在方案固定、操作重復、現象不明顯等問題，不利于激發學生對實驗課的積極性，導致實驗課并不能很好地起到加深學生對課程的掌握，以及激發學生科研熱情的作用。針對這一問題，研究者普遍認為在土木工程材料實驗課中適當引入研究性、創新性實驗項目[2]，或是結合工程背景提高實踐性[3]都有利于提高學生的積極性，改善教學效果。

1.2實驗課學時偏少

土木工程材料課程本身就有內容多且雜，除了水泥、砂漿、混凝土三章外，其他各章節之間知識點的關聯性較弱，學時分配較為困難。以我校為例，《土木工程材料》課程共32學時，其中理論課20學時，實驗課12學時。學時數偏少導致教學過程中需要放棄瀝青、木材等章節，將教學重點放在工程應用最多的水泥混凝土部分。實驗課的安排同樣以水A6OumdKEn5UY/EQfEzsptQ==泥混凝土標準實驗為主，但這類實驗普遍需要較多時間，例如按照標準方法完整地進行一次普硅水泥凝結時間實驗至少需要6小時，在4學時的實驗課中往往無法測出針入度變化。而且標準方法嚴格控制各項實驗條件，學生難以通過實驗課了解水膠比、外加劑、摻合料、環境溫濕度等因素對實際工程中水泥混凝土性能的影響。為了彌補實驗課時間較少的缺點，段海娟等[4]提出基于ADDIE模式通過建立實驗課相關的MOOC，增加學生可以參與實驗課的時間和空間條件，并以此增加了與學生的互動以及反饋，進一步改善了教學效果。或者選擇綜合性實驗項目，在一個實驗項目中包含多項內容，在有限的課程時間內使學生盡量多地接觸不同實驗方法與影響因素。

1.3學生積極性不高

由于土木工程材料實驗存在灰塵大、需要接觸污水等問題，許多學生并不愿意進行實驗操作，筆者教學過程中經常發現部分小組只有一人進行實驗操作的情況。同時由于標準方法對實驗過程的嚴格控制，使部分具有較好課程基礎和探索熱情的學生無法將所學知識用于實驗操作，打壓了學生的熱情。為提高學生的積極性，除了改善實驗環境外，還可以增加創新性實驗和工程實踐實驗，薛翠真[5]等在“工程教育認證”理念下，結合互聯網+技術進行實驗課改革，建立更內容更豐富、方法更科學、評價體系以學生為主體的實驗課程。王圣程[6]等針對實驗課與工程實際脫節的問題，建立“科研-實驗-拓展-辯證-工程”五位一體的實驗教學方案，提高教學效果的同時培養學生分析工程問題的能力。

1.4難以融入國家政策與行業熱點

《土木工程材料》課程與工程應用有強烈的聯系，因此往往需要在教學過程中選擇合適的案例對國家政策與行業發展方向進行講解，以助于學生結合自身情況規劃未來發展方向。但這類工作普遍局限于理論課程，實驗課中較少融入相關內容，這是因為傳統的土木工程材料實驗課項目難以直觀地將政策相關的內容融入。為此，需要對實驗課方案進行改革，通過引入與政策熱點相關的創新性實驗項目，使學生在實驗課過程中切身體會到相關的實驗內容。顧亞敏[7]等結合綠色建筑的政策，建立了以提高耐久性為目標的混凝土設計實驗課程，使學生深入了解綠色建筑發展要求的同時激發學生的主觀能動性。

2土木工程材料節能減排技術

建筑行業作為“雙碳”政策下節能減排的重要發力點，目前建筑材料節能的研究和工程應用的主要方向包括：（一）提高材料的保溫隔熱效果，減少建筑使用階段的能耗和碳排放，例如在建筑物的外墻使用一體化保溫板，使用加氣混凝土砌塊砌筑建筑的隔墻，在屋頂澆筑泡沫混凝土屋面等。（二）優化建筑材料生產過程、開發新型材料從而減少建筑材料生產階段的能耗和碳排放，例如通過助熔劑降低水泥燒制溫度，使用地質聚合物代替水泥生產混凝土等。（三）通過提高材料使用效果從而減小材料的使用量，變相減少建筑材料生產階段的能耗和碳排放，例如摻加外加劑改善混凝土的性能，在確保性能符合設計要求的前提下降低單位體積混凝土中水泥用量。（四）將固體廢棄物作為原材料，減少建筑材料使用量的同時將固體廢棄物資源化利用，是一種更全面的節能環保技術，例如將廢棄的混凝土破碎處理后用于生產再生骨料混凝土。

3綠色土木工程材料實驗課建設

為了解決上述土木工程材料實驗教學的問題，將“節能減排”貫穿《土木工程材料》課程教育教學全過程，研究團隊在新工科、大數據、互聯網背景下推動課程建設，建立“線上+線下”的教學模式，通過線上教學平臺為學生提供預習、復習資料，并加強課程間的互動和課后反饋。將理論課程分為：（1）教師講授部分，包括基本性能以及適用范圍最廣的部分材料；（2）知識擴展部分，有助于節能減排的新型材料、新生產方式、施工方式；（3）自學部分，適用范圍較窄的材料。實驗課以土木工程材料中應用最廣的水泥混凝土的性能測試、性能控制、方案設計及改進作為主要內容，基于規范標準的實驗操作方法重新設計基礎實驗流程，由學生小組自行查找資料設計方案，并培養學生的節能減排意識、規范意識、安全意識。

結合實驗條件和學生能力進行分析后確定以再生混凝土作為綠色土木工程材料的主題，因為再生骨料不僅可以使學生直觀地了解廢棄混凝土的再利用過程，而且便于融入到常規的砂漿、混凝土實驗中，實驗過程相對簡單，且與天然骨料的實驗現象對比明顯，更能激發學生自主設計的興趣。

3.1外加劑、溫度等因素對水泥凝結的影響實驗

4學時，修改自水泥凝結時間實驗，增加了溫度和外加劑作為可供學生選擇的變量，增強了學生的自主性，并確保能夠在實驗課時間內觀察到明顯的實驗現象變化。由學生自主選擇早強劑與緩凝劑摻量，并根據標準稠度用水量配制6組標準稠度水泥漿樣品，影響因素分別為（1）無外加劑-20℃，（2）無外加劑-40℃，（3）早強劑-20℃，（4）早強劑-40℃，（5）緩凝劑-20℃，（6）緩凝劑-40℃。每間隔10分鐘使用維卡儀測試一次針入度，達到初凝狀態后改用終凝測頭。作為第一個實驗項目，要求學生掌握攪拌機的使用方法，能夠完成“稱料、攪拌、調整、裝模”的一系列過程；使學生掌握標準稠度、初凝、終凝狀態的測試方法；使學生直觀地了解外加劑、溫度等因素對水泥凝結硬化的影響，并要求學生能夠對各樣品的結果進行正確的分析。

3.2再生骨料、天然骨料性能測試實驗

水泥凝結實驗樣品成型后等待凝結期間進行骨料實驗，實驗方法按照標準方法進行，要求學生測試不同骨料的堆積密度、顆粒密度、粒徑分布、吸水性等性能，并掌握細骨料細度模數的測試和計算。通過這部分實驗使學生掌握骨料性能測試的基本方法，了解再生骨料和天然骨料在性能上的差異，并能夠結合理論課知識分析使用再生骨料代替天然骨料對混凝土性能的影響。

3.3綠色混凝土的配合比設計及優化實驗

4學時，修改自混凝土配合比設計實驗，為了增加學生操作機會，以砂漿進行這部分實驗，并增加學生自主設計實驗的自由度，提高學生積極性。先在演示實驗中給學生提供一個參考配合比，并演示水膠比、減水劑、增稠劑的變化對砂漿流動性的影響。要求學生在參考配合比的基礎上進行設計和試配調整，分別以再生骨料和天然骨料制備滿足和易性要求的砂漿，并在此基礎上盡量提高抗壓強度，完成和易性測試的砂漿在模具中成型用于硬化后性能實驗。通過這個實驗使學生掌握流動性的測試，了解流動性及其經時損失的影響因素；并能夠通過水膠比、減水劑、緩凝劑等因素調整流動度及其經時變化，使和易性滿足要求；了解再生骨料對混凝土和易性的影響，能夠通過優化設計減少再生骨料的不利影響，并培養實事求是的規范意識。

3.4綠色混凝土硬化后性能測試實驗

4學時，實驗方法按照標準方法進行，對養護完成的砂漿試塊進行硬化后性能測試，包括體積密度、吸水率、抗折強度、抗壓強度等，并要求學生根據混凝土強度等級的計算方法對砂漿的強度等級進行計算和判定。通過這項實驗學生不僅能夠掌握混凝土硬化后性能的常用測試方法，也可以了解再生骨料對混凝土硬化后性能的影響，更全面地掌握再生骨料的利弊，對所設計的配合比方案進行進一步的優化。并使學生切身體會土木工程設計與施工對建筑安全的影響，加強學生的規范意識和安全意識。

3.5泡沫混凝土、加氣混凝土、透水混凝土

在實驗課空閑時間進行，以演示實驗的形式向學生展示泡沫混凝土、加氣混凝土、透水混凝土這些綠色混凝土的制備過程以及性能特點，以這些極具特點的土木工程材料激發學生對課程的興趣，并在演示過程中引出建筑節能和海綿城市建設的重要性，加強學生對綠色建筑事業的理解。

結語

土木工程行業深受國家經濟、環境政策的影響，土木工程材料課程的內容應該緊跟國家政策與行業發展方向，將相關內容融入到理論與實驗教學中。本研究結合“雙碳”政策背景對土木工程材料實驗課進行改革，設計了一系列綠色土木工程材料實驗項目，在傳統驗證性實驗項目的基礎上增加變量與自主性，適當增大實驗操作量與難度、加強實驗結果區分度，激發學生自主設計實驗方案的積極性。通過再生混凝土實驗引起學生對固廢資源化的思考，同時使學生了解再生骨料對混凝土的不利影響，建立學生節能減排意識的同時兼顧安全意識和規范意識的培養。

參考文獻：

• 中國建筑節能協會，重慶大學.2022年度中國城鄉建設領域碳排放系列研究報告.https：//www.cabee.org/site/content/24420.html.
• 張武滿，張迎晨.基于設計性試驗提升本科生自主創新能力——以土木工程材料實驗課程教學改革為視角[J].高等建筑教育，2019，28（1）：4.
• 嚴敏嘉，張佳敏，蔣明輝，等.新工科背景下“土木工程材料”課程實驗教改[J].教育教學論壇.
• 段海娟，陳兵.土木工程材料研究性實驗教學的探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2020，39（6）：4.
• 薛翠真，馮瓊，喬宏霞，等.工程教育認證背景下土木工程材料實驗課程教學方法探索與改革[J].大學教育，2020（11）：3.
• 王圣程，祿利剛，張朕，等.基于科研資源的土木工程材料實驗教學拓展探索[J].實驗技術與管理，2018，35（4）：4.
• 顧亞敏，宋旭艷，郜志海.“混凝土設計—耐久性為目標”的土木工程材料創新性實驗教學實踐[J].科教導刊，2022（13）：113-115.

基金項目：安徽科技學院質量工程項目（Xj2022188）；安徽省質量工程項目（2023jyxm0613）；安徽省重點教研項目（2022jyxm364）；安徽科技學院質量工程項目（Xj2022120）；安徽科技學院質量工程項目（Xj2023054）

作者簡介：葉煥（1989—），男，漢族，浙江人，博士，講師，研究方向：水泥混凝土流變性能，新型混凝土材料。