基于再生骨料技术的混凝土结构实验教学设计

沈炫

湖北工业大学 武汉 430068

0 引言

温室气体的过度排放，导致全球气候变暖、极端天气频发，严重影响了人类社会经济活动的正常开展。为应对这一日趋严重的全球性问题，我国提出了“碳达峰、碳中和”的双碳目标[1]。目前，我国建筑行业规模位居世界第一，每年建筑碳排放量约占全球的20%，并占全国碳排放量的一半以上[2]，而这些碳排放主要集中在建筑运行和建材生产过程中，尤其是天然骨料的开采和运输需要消耗大量能源，且对生态环境的破坏十分严重[3]。伴随着建筑行业规模的飞速提升，以废弃混凝土为主的建筑垃圾也在快速增加，造成了大量的资源浪费和严重的环境问题[4]。因此，建筑行业的节能减排，应重点放在建材生产的能源结构调整，以及废弃混凝土的再生利用。土木工程专业是建筑行业人才培养的重要学科专业，从某种程度上来说决定着未来建筑业的发展。因此，如何在人才培养阶段增强学生的节能减排知识、技能和意识，对建筑行业进行节能减排的产业升级，实现“双碳”目标有着重要的意义。

1 混凝土结构实验教学现状

混凝土结构设计原理是高校土木工程专业学生学习的核心内容，其理论基础均来自大量的实验研究[5]。通过实验教学，可以将课题上的理论与实践相结合，培养学生的专业素养和工程意识。因此，为使学生能深入了解混凝土结构的受力机理和力学特性，实验教学环节必不可少。

目前，开设了土木工程专业的高校，每学年都会开展混凝土结构实验教学，许多高校出于安全考虑或为确保实验效率，实验教学多以实验演示的方式进行，即教师在实验课开始前准备好试件，课程中由教师负责具体操作，学生在实验过程中仅观察和记录实验现象，实验结束后完成实验报告。这种实验教学模式下，学生仅仅是对试件破坏过程的观察，而对试件内部构造以及试件破坏形态的认识不够全面和深入，难以达到预期的实验教学效果。虽然有部分高校为了增强学生动手能力的培养，提高学生的参与感和兴趣，要求学生完成从试件设计、钢筋绑扎、混凝土浇筑、养护到加载的全过程。但此种实验教学模式局限于基本理论知识的传授，与现阶段建筑行业对节能减排需求联系不够紧密，缺乏对学生节能减排知识的传授和环保意识的培养。

由于混凝土结构实验所需试件尺寸较大且数量较多，因此需要消耗如天然骨料、水泥等大量建材。此外，混凝土结构实验为破坏性实验，实验完成后会产生大量废弃试件，而废弃试件的堆放及处理也会带来一系列管理问题和环境问题。鉴于现有混凝土结构实验教学所存在的问题，对现有混凝土结构实验教学进行改革具有迫切的现实意义。

2 再生骨料技术

再生骨料技术是指将废弃混凝土块经过破碎、清理与分级后，按一定的比例与级配混合后形成再生混凝土骨料的技术。将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，可以实现对废弃混凝土的再利用，从而解决了部分环保问题[6]。目前，欧美等国家对再生骨料技术进行了大量基础性研究，并进行了一些刚性路面以及建筑物的应用，起到较好的示范作用。国内学者近年来也开展了相关的研究，取得了较丰富的成果。现有研究表明，再生骨料与天然骨料相比孔隙率较高、吸水性大、强度也较低[7]，但其基本性能能够满足混凝土对粗骨料的要求[8]。而再生混凝土的强度与基体混凝土嵌固端、再生骨料破碎工艺、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关，其强度随再生骨料替代率的增加而降低；再生混凝土的抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀性能、抗磨性能等要低于普通混凝土[6]。虽然再生骨料混凝土的性能要低于同等级的普通混凝土，但采用再生骨料取代天然骨料对低强度混凝土影响较小。总体来说，再生骨料仍然具有较好的工程应用价值和环保价值，有利于我国实现“碳达峰、碳中和”的目标。

3 实验教学设计

鉴于再生骨料技术对实现我国“碳达峰、碳中和”目标有着积极的推动作用，将这一技术引入现有的混凝土结构实验教学体系中，不仅能够满足实验教学的要求，同时对增强学生的节能环保意识有着积极的意义。此外，将废弃的混凝土试件进行处理后作为再生骨料替代天然骨料，不但可以减少混凝土结构教学试件制作对天然骨料的消耗，同时也能从一定程度上解决大量废弃试件处理的问题，符合国家“双碳”战略目标的要求。在对基于再生骨料技术的混凝土结构实验进行设计时，实验教学内容应充分体现课程教学目标，并能够紧密结合节能减排的行业需求。因此，实验教学内容应该与当前再生骨料技术在实际工程中的应用相结合，体现该技术的先进性，并且要保证实验具有可操作性。

3.1 实验教学任务编制

与传统实验教学中学生只需按照实验目的和实验步骤进行实验操作不同，基于再生骨料技术的混凝土结构实验教学任务编制，除包含实验目的、实验内容和要求外，还要求学生根据所选实验项目查阅关于再生骨料技术的文献，对再生骨料技术的研究现状进行梳理，总结再生骨料混凝土的性能特点，并比较与传统混凝土之间的性能差异。在此基础上设计实验方案，方案应包括试件设计、实验监测方案设计、加载方案设计等部分。在对再生骨料文献进行查阅梳理以及实验方案的设计过程中，不仅巩固了混凝土结构课程的理论知识，也拓展了学生关于再生骨料技术的相关知识，提升了学生独立思考问题、分析问题、解决问题的能力，促进学生创新能力和节能减排意识的培养。

3.2 再生骨料混凝土试件的设计及制作

再生骨料混凝土试件的制作主要目的是帮助学生更直观和深入地了解混凝土构件的内部构造，并对学生动手能力以及团队协作能力进行培养。试件制作前，要求学生根据文献资料设计再生混凝土的配合比，并根据实验项目（如混凝土结构抗弯试验、抗剪试验等），设计试件的配筋。

在实验试件制作前，学生需自主分组，完成对往期混凝土试件的破碎、筛分、清洗，将符合要求的混凝土块作为再生骨料，并按照《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》（JGJ 53-92）测试再生骨料的基本性能，主要进行堆积密度、表观密度、吸水率等指标测试，这些性能测试可以使学生进一步掌握混凝土骨料的测试方法，并了解再生骨料的基本性能。

完成再生骨料材料性能试验后，需进行再生混凝土试配。试配时可选取不同再生骨料取代率制作混凝土立方体试件，并根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）测试如坍落度、表观密度以及抗压强度等性能。通过这些测试可以使学生进一步了解再生骨料对混凝土性能的影响，并可以验证设计配合比的正确性。随后由学生根据设计配合比（或调整后的设计配合比），制作试件。

3.3 实验开展过程设计

结构实验的开展，要求在教师的指导下由学生自己动手完成。实验时，学生首先需要自己将试件放置于加载系统上，然后完成应变片及位移传感器等试验设备的安装。设备调试完成后，根据所计算的开裂荷载及极限荷载进行预加载和正式加载。加载过程中，学生需对实验现象及实验数据进行观察和记录，如对混凝土受压区及受拉区应变数据、跨中挠度数据进行记录，对裂缝的出现及发展过程进行观测，描绘并记录每级荷载下裂缝的变化及分布情况等，同时为确保实验安全，还需有部分学生作为安全员确保实验安全进行。实验加载结束后，学生按要求拆除数据采集设备，并完成对破坏试件的转移，将破坏的混凝土梁存放于指定的废弃试件存放区，最后完成实验场地的清理等工作。

实验加载全过程均由学生亲手完成，不仅增加了学生在实验过程中的参与感，同时实验过程中分工合作也培养了学生的团队合作意识，实验结束后的场地清理，也可以培养学生的责任意识。

3.4 实验结果讨论及报告撰写

由于各组实验的考察目标不同，且试件均由学生设计及制作，因此每组实验的现象及结果可能存在差异。为使学生更加深入地掌握混凝土结构的性能和工作机理，实验结束后，要求学生以小组为单位结合实验过程照片、实验结果总结等内容进行实验汇报，并进行交流讨论。此种交流讨论，有助于学生对实验现象及结果进行总结，从而培养学生的科研能力和独立思考的意识。

实验报告的撰写。实验报告应包含对实验现象的描述、原始数据的处理和分析，并绘制荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线以及裂缝开展图等。学生可以通过对跨中截面的应变分布数据进行分析，更为直观地了解受弯构件在受力过程中的应力变化情况，对再生混凝土梁截面应变是否满足平截面假定进行判断。同时，通过分析跨中截面顶面受压区混凝土应变以及受拉纵筋应变的测试结果，可对再生混凝土试件的破坏特征进行总结。此外，在进行数据处理和分析时，还可以根据实验现象和实测数据对比分析再生混凝土结构与传统混凝土结构之间的性能差异，讨论再生混凝土结构是否能够采用现有混凝土规范《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[3]的相关公式进行计算。另外，实验报告的最后，学生需要对采用再生骨料制作混凝土节能减排的可行性进行总结。

实验报告的撰写不仅可进一步培养学生数据分析和独立思考的能力，还可以引导学生对再生骨料在实现我国“双碳”目标中的作用进行思考，从而达到培养学生专业技能以及节能环保工程意识的目的。

4 结束语

“碳达峰、碳中和”的提出是我国为改善全球生态环境，促进人类社会和谐发展的重要举措，要实现这一目标，必须从人才培养抓起，从根本上树立节能减排意识。将再生骨料技术引入混凝土结构实验教学中，不仅可以使学生掌握混凝土结构基本理论，拓展学生对再生骨料技术的认知，培养学生节能减排的环保理念和科学精神，还能够减少天然骨料的使用、解决实验废弃混凝土的处理问题，具有深远的现实意义。