基于应用导向的“水泥工艺学”教学改革

王法军 雷胜

[摘 要]在“水泥工艺学”课程教学过程中将教学目标中的知识点进行分解，并将知识点与具体的工程应用实例相结合，即将工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、环境与可持续发展等内容引入教学环节中。该教学改革有利于促进学生在书本知识的学习过程中与实际应用需要相结合，提高学生解决实际工程应用问题的能力。

[关键词]水泥工艺学;本科生教育;理论教学;实际应用

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2022）02-0089-03

“水泥工艺学”是无机非金属材料工程专业的一门专业基础课程，主要授课内容包括水泥原料、原料的预处理、“两磨一烧”工艺、配料计算、水泥混合材、水泥的水化反应、水泥的耐久性、特种水泥等部分。水泥是除水之外人类使用量最大的材料，在建筑、道路工程、桥梁、堤坝等工程领域有着广泛的应用。我们在无机非金属材料工程专业教学过程中发现，本专业的本科生绝大多数对锂离子电池、功能陶瓷、纳米材料等材料领域热门学科具有浓厚的学习兴趣和就业倾向，而对水泥相关材料则普遍存在偏见[1-3] 。他们通常认为水泥是一类“粗鄙”的材料，没有任何技术含量。这些观念必将造成水泥行业工程技术人员的缺失。因此，应在“水泥工艺学”课程教学目标中结合实际工程问题，将工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、环境与可持续发展等内容引入教学环节中[4] ，通过分析水泥混凝土相关的典型工程应用实例，强调水泥基材料的重大应用背景、所存在的关键技术问题以及所涉及的重大经济效益、环保效益和社会效益。这样才能加强本科生对水泥基材料重要性的认识，提高他们对“水泥工艺学”这门课程的学习兴趣，吸引无机非金属材料工程专业本科人才在水泥相关行业就业[2， 5]。

一、在 “渗透性”的教学中引入表面改性剂的工程应用实例

在学习水泥基材料的“渗透性”概念时，学生往往对此概念认识不深。事实上，在混凝土工程受侵蚀的案例中绝大多数都是和混凝土的渗透性密切相关的。例如，混凝土桥面在冬季容易结冰，撒融冰盐是最常用的路面融冰方法。但融冰盐中含有的Cl-离子容易腐蚀混凝土中的钢筋，造成内部应力，使混凝土膨胀开裂。在讲述渗透性的时候，可以从水泥混凝土的表面浸润性特征、内部孔隙特征和外部水中所携带的复杂侵蚀性离子的特征进行讲解，并结合具体的工程案例，强调混凝土表面改性的概念。目前，硅烷/硅氧烷乳液或膏体已经在混凝土工程领域得到了广泛应用，教师可通过讲解硅烷/硅氧烷乳液在硅酸盐水泥混凝土表面的化学结合过程和表面接触角的变化，结合直观的样品表面改性过程演示和表面水滴浸润状态的改变演示，加深学生对混凝土表面憎水剂的理解和“渗透性”的认识。学生在学习混凝土疏水改性剂时，会对疏水混凝土的应用提出疑问。例如，有学生问道：既然疏水混凝土改性剂——硅烷/硅氧烷乳液或膏体已经在混凝土工程领域获得了应用，为何我家的房屋还是漏水？为何我国民用建筑的防水问题还是没有得到彻底的解决呢？这和很多因素相关。第一个因素是民用建筑的施工规范。按照传统规范，硅烷/硅氧烷乳液或膏体不会作为内掺改性剂加入混凝土中。因为疏水性硅烷改性剂添加到混凝土中后，混凝土的强度会急剧下降。如果混凝土强度不够，那么建筑结构的安全性问题就不言而喻了。又有學生提问：有没有疏水性好，强度又高的混凝土？使用这样的混凝土不就可以解决安全性和渗透性的问题了吗？确实，通过合理的配方设计和材料选用，可以实现混凝土疏水高强的功能。但这样无疑造成了混凝土结构制作成本的增加，这类材料只有在重要的混凝土工程中才会使用。在民用建筑材料领域，常用的防水材料以聚合物水泥防水涂料为主要产品，例如国内的著名品牌“东方雨虹”，其聚合物改性水泥基防水灰浆（PMC-421）就是这样一类产品。

二、在“二次水化反应”的教学中引入高性能混凝土的工程应用实例

在学习“水化反应”和“活性混合材”相关概念时，学生往往对二次水化反应的认识不够。“二次水化反应”是指水泥水化产物氢氧化钙与原料中的活性二氧化硅或活性氧化铝之间的反应。粉煤灰作为一种高排放的工业废弃物，在生产粉煤灰硅酸盐水泥中能够减少水泥用量，资源化利用粉煤灰可改善水泥的一些性能指标，这种性能的改善主要依赖于粉煤灰的火山灰反应特性和微集料的填充作用。不同的粉体原料的火山灰反应活性和速率差别很大，教师可通过对纳米二氧化硅、硅灰、粒化高炉矿渣和石英砂改性的硅酸盐水泥进行对比，在工程实例分析中引入海洋混凝土工程的侵蚀现状和维护情况内容。在实验教学环节中制备对应的样品，并通过对抗压强度和抗折强度、孔隙率、吸水率等参数的测试与不同改性剂的二次水化反应机理进行解读，加深学生对高性能硅酸盐水泥混凝土的理解和“二次水化反应”的认识。有学生提问：既然火山灰反应和硅酸盐水泥的水化反应相比，也有类似的水化特点，如都在水的存在下反应，产物会凝固、硬化并最终拥有较高的强度，同时考虑到硅酸盐水泥的生产过程中存在能耗大、污染大的缺点，能否开发利用火山灰反应进行水化凝结硬化的新型环保型水泥呢？教师可以提示学生从环保的概念出发，思考如何选择火山灰反应物质，又该如何选择激发剂。在教师的启迪下，学生会从反应原理、环保性和经济成本方面优选原料。例如，选择粉煤灰和粒化高炉矿渣，是因为它们既有火山灰活性，又是工业固体废弃物，数量十分巨大，特别适合水泥工业大规模应用的需要。碱激发材料可以选择氢氧化钠、氢氧化钾、水玻璃和生石灰。其中生石灰由石灰石煅烧而来，价格最为便宜。学生可以利用实验性教学环节，如本科毕设、创新型实践训练等环节将这些材料进行组合，进行水化、凝结、硬化过程的实验研究。

三、在“泡沫混凝土”的教学中引入新型建筑墙体的工程应用实例

在资源和能源危机的大背景下，通过发展新型绿色功能建筑墙体减少一次资源的消耗和电能的消耗具有重要意义。新型泡沫混凝土作为非承重建筑墙体使用不但自重轻，还具有隔热、隔音、降温、空气净化、透气等多种功能。“泡沫混凝土”教学过程中涉及的知识点包含泡沫的形成机理和稳定性、泡沫混凝土多功能的复合以及泡沫的强度。可将发泡过程的相关实验教学引入课堂，与理论教学结合，讲解泡沫的形成机理。还可结合自保温墙体应用实例，引入泡沫混凝土砌块、泡沫混凝土保温板、泡沫混凝土墙体的应用。由于隔热、隔音、降温、空气净化、透气等功能所对应的知识点相对通俗易懂，在教学过程中可以采用师生角色互换的方式，由学生进行讲解。教师可通过泡沫混凝土的重要工程应用实例引导学生对该领域的就业前景和细分领域进行分析，了解新型高校泡沫水泥致孔剂的开发，尤其要了解高强多孔混凝土的研究是该领域的重要发展方向。如何制备轻质高强泡沫混凝土？在实际工程中如何制备和使用泡沫混凝土？学生需要从工程应用的实际出发，从制备过程、可操作性、稳定性、安全性、毒害物排放等方面进行综合考虑。例如，目前常用的制备泡沫混凝土的方法是采用物理发泡剂，首先制备稳定的泡沫水，然后将泡沫水引入水泥浆体中。此过程要求泡沫有一定的稳定期，保证泡沫混凝土硬化前泡沫不能破裂。此外还要求泡沫混凝土在硬化前有可输送性，例如，使用泵送装置现浇泡沫混凝土时，泡沫混凝土能够稳定，不发生凝固、泡沫破裂等问题。

四、在“固体废弃物固定化/稳定化”的教学中引入废弃物混凝土的工程应用实例

工业固体废弃物中有很多废弃物含有毒害物质，如重金属铅、铬和汞等，以及一些有毒有机物。教师在教学中应强调环境保护与可持续发展，这在水泥相关行业尤其具有重要的意义。工业的高速发展使得一次性原材料的消耗量极为庞大。当原材料在加工、提纯的过程中，材料在制备和成型的过程中，产品完成服役周期后报废为废品时将形成数量巨大的废弃物。一方面，原材料的不断消耗使得优质原材料价格不断攀升，优質资源的储量日益枯竭。另一方面，废弃物的不断形成及排放又给人类社会带来新的麻烦，堆放和填埋不但占用了稀缺的土地，还会对环境造成污染。教师在“固体废弃物固定化/稳定化”的教学中应针对环境保护和废弃物利用的问题，指出水泥是实现固体废弃物固定化/稳定化最为有效的方法。教师可以城市固体垃圾焚烧飞灰的处置作为工程应用实例进行分析，引导学生利用所学的工程知识进行问题分析，针对焚烧飞灰的特性、焚烧飞灰与水泥凝胶材料之间的相互作用以及固化体的力学性能和滤出行为特征，设计/开发解决方案，实现环境保护与可持续发展。固体废弃物根据来源不同其形状与性质差别很大。例如，铸造废砂颗粒较大，主要成分是石英砂和粘结剂，它们可以作为水泥的粗集料使用;粉煤灰和粒化高炉矿渣可以作为水泥的活性混合材;造纸污泥可以通过处理后作为水泥的细集料;含铬废渣含有重金属毒害物六价铬，因此不能用一般的方法进行利用。学生在学习这部分知识点的时候，会形成强烈的环保意识和历史使命感。资源循环利用将是未来社会持续发展的永恒主题。目前我国很多固体废弃物资源没有得到合理的利用，学生利用所学知识，如能正确对其中某种废弃物进行合理的处置，不但能够成就个人事业，还具有重要的社会效益。

五、在其他知识点的教学中引入工程应用实例

将“水泥工艺学”的教学任务与实际工程应用相结合，引导学生在具体的案例分析和解决方案的设计与开发过程中将所学的工程知识进行合理的利用，以达到学以致用、学有所用的教学目的。由于水泥的制备、成型、养护的过程非常简单，很多实验可以很方便地搬到课堂，通过现场实验演示加深学生对水泥特性的认识。例如，教学“水泥减水剂”在水泥中的作用原理和效果时，我们通过简单的拌和实验，通过“水泥+水”和“水泥+水+减水剂”和易性和流动度的对比，就能让学生理解减水剂的有益效果。在工程应用中使用减水剂可使标准稠度需水量减少，水泥制品的密实度增加而渗透性降低。再如，在教学“缓凝剂”和“早强剂”时，结合实际工程应用的需要，如混凝土在拌和过程中需要较多的保持塑性的时间，则可使用缓凝剂;在混凝土对早期强度有需求的场合，则可使用早强剂。又如，在“高性能混凝土”的教学中可与实际工程应用实例相结合。在教学方面，高性能混凝土所涉及的知识点包括密实度、火山灰反应、高强水泥、高强纤维、压力成型等概念;在实际工程应用中，当高性能混凝土应用于海工混凝土工程时，其在服役条件下自身的强度、抗侵蚀性和耐久性相关。而高性能混凝土的耐久性又由混凝土的密实度、火山灰反应程度、水泥基体的强度、纤维的类型和强度、成型压力等若干因素（教学知识点）决定。通过分析上述知识点与耐久性的关系即可建立教学知识点与实际工程应用实例的联系，从而将二者结合起来。

六、结束语

在“水泥工艺学”教学中大量引入工程应用实例，不但可以强化传统水泥材料所具有的重大工程应用背景，还可以利用具体案例分析引导学生发现问题，找到相关专业知识点，利用工程知识进行案例分析，最终提出解决方案。水泥材料设计的学科涉及的材料和化学物质非常多，涉及的行业领域也较为宽广。水泥相关材料具有很强的应用背景，涉及原料、原料加工、热工设备、混合材、添加剂等各方面，每个方面和环节都有相关产业的支撑。将“水泥工艺学”课程相关章节中的知识点与工程应用结合起来，使学生学有所用、学以致用，促使他们摒弃学习无用论的错误观点，激发他们的学习兴趣，从而达到较好的教学效果。因此，基于应用导向的“水泥工艺学”教学，可以帮助学生实现理论知识的学习与实际应用的结合，增强学生的专业自信，促进无机非金属材料工程专业或其他相关专业的学生在本领域就业。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 丁茜，刘亦武，谭井华.功能高分子材料课程教学改革的探索[J].教育现代化，2018（37）：13−14.

[2] 赵青云，崔艳，刘帅.新工科理念下普通高校工科专业教与学的探索[J].大学教育，2020（5）：40−42.

[3] 张军华，李振春.传承与创新结合 教学与科研并举 立德与育人并重：浅谈高校基层教学单位建设的体会与认识[J].教育教学论坛，2014（3）：43−44.

[4] 崔文琴.当代大学生学习投入现状及对策研究[J].高教探索，2012（6）：67−71，143.

[5] 李娜，贾方，杨瀚宇，等.我国高校实践教学改革的困境及对策[J].大学教育，2015（1）：16−19.

[6] 李培根，许晓东，陈国松.我国本科工程教育实践教学问题与原因探析[J].高等工程教育研究，2012（3）：1−6.

[收稿时间]2020-07-21

[基金项目]江苏理工学院品牌专业建设资助项目：功能材料专业建设（20201178501）。

[作者简介]王法军（1976—），男，湖北人，博士，副教授，研究方向：功能水泥基复合材料的制备及耐久性。

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