許巍,劉軍忠,張俊, 2
玻璃纖維加筋水泥土耐久性試驗(yàn)研究
許巍1,劉軍忠1,張俊1, 2
(1. 空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院,陜西 西安 710038;2. 南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院,江蘇 南京 210016)
水泥土是簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)建設(shè)中道面基層的主要使用材料之一,但在使用中易遭受水的侵蝕,為解決水泥土水穩(wěn)性和耐久性不良的問(wèn)題,采用玻璃纖維對(duì)水泥土進(jìn)行加筋,對(duì)不同土質(zhì)、不同纖維摻量和長(zhǎng)度的玻璃纖維加筋水泥土開(kāi)展飛散性和磨耗試驗(yàn),對(duì)其抗飛散性和耐磨耗性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:浸水養(yǎng)護(hù)后試件的抗飛散性能明顯低于常規(guī)養(yǎng)護(hù)試件,而纖維的加入可以縮小兩者差距,有效提高水泥土水穩(wěn)定性,同時(shí)玻璃纖維加筋水泥西安土水穩(wěn)定性能優(yōu)于玻璃纖維加筋水泥三亞土;纖維的長(zhǎng)度和摻量對(duì)水泥土抗飛散性和耐磨耗性有較大影響,在所研究的范圍內(nèi),當(dāng)纖維摻量為0.3%,長(zhǎng)度為6 mm時(shí)纖維對(duì)水泥土抗飛散性能增強(qiáng)效果最好,當(dāng)纖維摻量為0.3%,纖維長(zhǎng)度為12 mm時(shí)對(duì)水泥土耐磨耗性能增強(qiáng)效果最好。綜合來(lái)看,當(dāng)玻璃纖維長(zhǎng)度為6 mm或12 mm,摻量為0.3%時(shí)對(duì)水泥土的加筋效果最好。
水泥土;玻璃纖維;耐久性;飛散性試驗(yàn);磨耗試驗(yàn)
施工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)快捷及原料充足等特點(diǎn),使水泥土廣泛應(yīng)用于土基和水利等工程當(dāng)中,同樣其在簡(jiǎn)易機(jī)場(chǎng)建設(shè)中也有很大的潛力。但實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)水泥土易受水的侵蝕,從而造成整體穩(wěn)定性不足和強(qiáng)度降低等問(wèn)題,一種可行的方法是將纖維引入,對(duì)水泥土進(jìn)行加筋。余曉彥[1]研究發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以有效降低膨脹土的膨脹率而增強(qiáng)其強(qiáng)度;王德銀等[2]研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維加筋可以有效提高土體抗剪強(qiáng)度,且當(dāng)含水率低壓實(shí)度高時(shí)纖維加筋效果更加明顯;宋金巖等[3]開(kāi)展了玻璃纖維加筋土的單向壓縮實(shí)驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn),對(duì)玻璃纖維長(zhǎng)度、摻量對(duì)加筋土強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析,并提出了玻璃纖維加筋土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式;彭梁等[4]研究發(fā)現(xiàn),玻璃纖維可以有效減緩?fù)馏w中裂紋的快速擴(kuò)展,但纖維含量越高,加筋土越容易沿著纖維發(fā)生局部破壞,導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低;TANG等[5?8]采用光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)膨脹土和纖維加筋膨脹土抗干縮性能進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明玄武巖纖維可以顯著降低膨脹土的收縮系數(shù)。Lekha等[9]研究發(fā)現(xiàn)檳榔殼纖維可以較好地提高水泥土工程性能,增強(qiáng)其耐久性;Chaduvula等[10]研究發(fā)現(xiàn)聚酯纖維可以有效增強(qiáng)膨脹黏土的抗裂性,纖維的加筋作用降低了裂縫的強(qiáng)度因子、裂縫平均寬度、裂縫間距和空隙面積,增加了試樣的相對(duì)完整性;Benessalah等[11]開(kāi)展了玻璃纖維加筋砂土的直剪試驗(yàn),結(jié)果表明玻璃纖維顯著改善了砂土的力學(xué)特性;Lenoir等[12]研究發(fā)現(xiàn)纖維的團(tuán)聚現(xiàn)象會(huì)降低纖維在土體中的分布均勻性,纖維對(duì)土體的改良效果還與土體的礦物性質(zhì)有關(guān);Soltani等[13]研究了纖維抑制膨脹土膨脹的特性,結(jié)果表明不同長(zhǎng)度和縱橫比的纖維混摻對(duì)膨脹的抑制作用最好,最佳纖維摻量為0.5%。Patel等[14]研究發(fā)現(xiàn)含水率和壓實(shí)度對(duì)玻璃纖維加筋作用影響巨大。從上述文獻(xiàn)中我們可以看出,通過(guò)摻加纖維可以較好地提高土的各項(xiàng)力學(xué)性能,但應(yīng)用背景主要是地基、水利、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。而對(duì)于應(yīng)急機(jī)場(chǎng),在緊急情況或簡(jiǎn)單面層受損情況下,纖維加筋水泥土基層需直接承受飛機(jī)荷載作用,若纖維加筋水泥土的整體性不強(qiáng),抗飛散能力弱,抗磨耗能力差,則在機(jī)輪荷載重復(fù)作用下道面會(huì)產(chǎn)生剝落、掉粒、飛散等破壞形態(tài),并在道面表面形成坑槽,嚴(yán)重影響飛機(jī)的正常安全運(yùn)行,而目前對(duì)于纖維加筋水泥土整體穩(wěn)定性和抗磨耗能力的研究很少,因此本文參照瀝青混合料肯塔堡飛散試驗(yàn)方法和水泥膠砂耐磨性試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)了相應(yīng)纖維加筋水泥土抗飛散性試驗(yàn)和耐磨耗試驗(yàn),對(duì)纖維加筋水泥土整體性能和抗磨耗性能進(jìn)行研究,試驗(yàn)結(jié)果可為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。
考慮到本文應(yīng)用背景是應(yīng)急機(jī)場(chǎng)建設(shè),因此研究的土樣選擇是基于潛在的可能應(yīng)用地點(diǎn),土取自三亞和西安地區(qū),分別為高液限黏土和低液限黏土,性質(zhì)見(jiàn)表1,級(jí)配曲線見(jiàn)圖1,為方便敘述,下文分別將這2種高液限黏土和低液限黏土簡(jiǎn)稱為三亞土和西安土;水泥為冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥(3.10 g/cm3),摻量(素土質(zhì)量百分比計(jì))為8%;試驗(yàn)所用纖維為無(wú)堿玻璃纖維,纖維形態(tài)如圖2所示,性能參數(shù)見(jiàn)表2,試驗(yàn)所用纖維長(zhǎng)度為6,12和20 mm,摻量以素土質(zhì)量百分比計(jì),分別為0.1%,0.3%和0.8%。按照最佳含水率和最大干密度制備試件,試件均采用靜壓成型,飛散性試驗(yàn)和磨耗試驗(yàn)試件均為圓柱體,尺寸分別為100 mm×67 mm和150 mm×50 mm,每個(gè)試驗(yàn)組包含3個(gè)試件,采用3倍均方差方法剔除異常值,同一組試驗(yàn)的變異系數(shù)v(%)應(yīng)符合v≤6%要求。
表1 試驗(yàn)所用土樣物理性質(zhì)
表2 玻璃纖維性能參數(shù)
圖1 土樣顆粒大小級(jí)配曲線
(a) 纖維長(zhǎng)度6 mm;(b) 纖維長(zhǎng)度12 mm;(c) 纖維長(zhǎng)度20 mm
目前規(guī)范中尚無(wú)對(duì)水泥加固土整體性評(píng)價(jià)的要求,而在《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中規(guī)定采用瀝青混合料肯塔堡飛散試驗(yàn)對(duì)瀝青試件的抗飛散性進(jìn)行評(píng)價(jià),與本文擬評(píng)價(jià)的水泥加固土整體性能相似,因此本試驗(yàn)參照此試驗(yàn)方法進(jìn)行。試驗(yàn)儀器為MH-Ⅱ型自動(dòng)數(shù)顯擱板式磨耗試驗(yàn)機(jī)(圖3(a)),飛散性試驗(yàn)試件分為常規(guī)養(yǎng)護(hù)和浸水養(yǎng)護(hù)2種,齡期均為7 d,其中浸水養(yǎng)護(hù)試件用于評(píng)價(jià)試件的水穩(wěn)定性能,旨在模擬多雨地區(qū)水對(duì)土體的影響,具體養(yǎng)護(hù)方式為在養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)6 d,第7 d放入水中養(yǎng)護(hù),試件先放入水槽,使得水面完全淹沒(méi)試件頂部,之后水槽放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(溫度20 ℃,濕度95%)養(yǎng)護(hù)24 h。以分級(jí)飛散損失ΔS和總飛散損失Δ作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。
(a) 洛杉磯試驗(yàn)機(jī);(b) 耐磨試驗(yàn)機(jī)
本文參照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)中水泥膠砂耐磨性試驗(yàn)方法,采用水泥膠砂耐磨試驗(yàn)機(jī)(圖3(b))對(duì)玻璃纖維加筋水泥土耐磨耗性能進(jìn)行了研究。試驗(yàn)所用試件采用常規(guī)養(yǎng)護(hù),齡期為7 d;磨耗共進(jìn)行60轉(zhuǎn),每10轉(zhuǎn)進(jìn)行一次稱重,以單位面積磨耗量(kg/m2),分級(jí)單位面積磨耗量G(kg/m2),以及磨耗深度Δ(mm)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。
所得飛散性試驗(yàn)結(jié)果如圖4~6所示,從圖4和圖5中看出,不管是西安土還是三亞土,同等條件下浸水養(yǎng)護(hù)后試件的飛散損失均高于未浸水養(yǎng)護(hù)的試件,以素土為例,浸水養(yǎng)護(hù)試件飛散損失可達(dá)常規(guī)養(yǎng)護(hù)試件飛散損失的1.6倍,而纖維的加入可縮小兩者之間的差距,對(duì)于纖維加筋水泥西安土來(lái)說(shuō),當(dāng)纖維長(zhǎng)度為6 mm,摻量為0.3%時(shí),浸水養(yǎng)護(hù)試件飛散損失已減小至常規(guī)養(yǎng)護(hù)試件飛散損失的1.14倍,表明纖維的加入可以有效提高水泥土的水穩(wěn)定性能。同時(shí)還可看出,不論對(duì)于西安土還是三亞土,玻璃纖維對(duì)水泥土抗飛散性的增強(qiáng)作用具有相似規(guī)律,適量的纖維加入土體可以較大地提高水泥土試件的抗飛散性,原因是水泥土主要依靠土體間的黏聚力來(lái)保持整體穩(wěn)定性,而纖維加筋土體中還存在纖維與土體的黏聚作用,纖維與土體的摩擦作用以及纖維之間的拉結(jié)作用,而上述3種作用受纖維摻量和纖維長(zhǎng)度的影響。當(dāng)纖維能夠得到有效分散時(shí),纖維加筋效果隨著摻量的增加而增強(qiáng),本文試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著纖維摻量的提高,加筋土試件的飛散損失先減小后又增大,表明試件抗飛散性能先增大后又減小,同時(shí)表明纖維存在最佳摻量0.3%。原因是纖維摻量過(guò)多會(huì)增大纖維攪拌均勻的難度,分布不均勻的纖維造成土體中纖維與纖維直接接觸的幾率增大,而過(guò)多的纖維聚集會(huì)在土體內(nèi)產(chǎn)生薄弱面,在洛杉磯試驗(yàn)機(jī)中撞擊的試件會(huì)首先從薄弱面處破裂,造成試件飛散損失增大,甚至大于水泥土試件,因此需控制加入的纖維量。纖維長(zhǎng)度可影響纖維與土體間的黏聚作用和摩擦作用,但當(dāng)纖維長(zhǎng)度過(guò)短時(shí),受到外來(lái)作用時(shí),纖維易與土體發(fā)生滑動(dòng)而失效,當(dāng)纖維長(zhǎng)度較大時(shí),在外力作用下,纖維易發(fā)生斷裂失效,而本文試驗(yàn)結(jié)果顯示,在所研究的范圍內(nèi),大體是玻璃纖維長(zhǎng)度越短,纖維對(duì)水泥土試件抗飛散性能的增強(qiáng)作用越明顯,但在最優(yōu)摻量時(shí)(0.3%)6 mm玻璃纖維和12 mm纖維加筋水泥土試樣的飛散損失較為接近。原因是纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)則其在土體內(nèi)聚集形成薄弱面的概率越大,從而造成抗飛散性能較差。
圖4 玻璃纖維加筋西安水泥土飛散損失
圖5 玻璃纖維加筋三亞水泥土飛散損失
玻璃纖維對(duì)不同水泥土的抗飛散性能增強(qiáng)不同,常規(guī)養(yǎng)護(hù)條件下,纖維加筋三亞土的抗飛散性能優(yōu)于纖維加筋西安土,而浸水養(yǎng)護(hù)下則結(jié)果相反,表明三亞土的水穩(wěn)定性弱于西安土,原因是三亞土為高液限黏土,其毛細(xì)現(xiàn)象明顯,吸水后能長(zhǎng)時(shí)間保持水分,故其吸水后相比低液限黏土穩(wěn)定性更差,從而導(dǎo)致飛散損失更大。
圖6所示為常規(guī)養(yǎng)護(hù)條件下相應(yīng)試件的分級(jí)飛散損失,可看出水泥土試件和高摻量纖維加筋水泥土試件的累計(jì)飛散損失曲線大致可分為3個(gè)階段:第1階段為初始階段,此階段試件的分級(jí)飛散損失處于較低的水平,對(duì)應(yīng)于試件的飛散破壞形態(tài)則為剝落物集中于試件斷面的周邊區(qū)域,對(duì)于水泥土試件和高摻量纖維加筋水泥土試件此階段在第3次飛散之前(第60轉(zhuǎn)前);第2階段為破碎階段,隨著飛散次數(shù)增加,試件受到洛杉磯試驗(yàn)機(jī)的撞擊次數(shù)增加,整體性受損加劇,試件會(huì)破碎斷裂成較大的數(shù)個(gè)碎塊,飛散損失急劇增加,對(duì)于水泥土試件此階段在第3~4次飛散之間(60~80轉(zhuǎn)),對(duì)于高摻量纖維加筋水泥土試件此階段在第3~5次飛散之間(第60~100轉(zhuǎn));第3階段為穩(wěn)定階段,在此階段破碎成數(shù)個(gè)大塊碎塊進(jìn)入新的較為穩(wěn)定的整體,試件的分級(jí)飛散損失又重新回到較低水平。對(duì)于適量纖維加筋水泥土試件,由于加入的纖維顯著增強(qiáng)了水泥土試件的抗飛散性能,在整個(gè)飛散試驗(yàn)期間試件一直處于穩(wěn)定階段,分級(jí)飛散損失處于較低水平,對(duì)應(yīng)于試件飛散破壞形態(tài)則是試件的飛散損失主要處于端部周邊區(qū)域,試件未發(fā)生破碎斷裂,未出現(xiàn)飛散成數(shù)個(gè)碎塊的情況,而當(dāng)纖維摻量較大時(shí),纖維不易分散,會(huì)在試樣中形成薄弱面,當(dāng)達(dá)到一定飛散次數(shù)時(shí)(不同土體次數(shù)不同),造成飛散損失急劇增大,如纖維摻量為0.8%時(shí)。圖7~8為未加筋水泥西安土和纖維摻量為0.3%,長(zhǎng)度為12 mm的纖維加筋水泥西安土試件飛散破壞形態(tài),從圖中可以明顯看出,在相同飛散次數(shù)下,適量纖維加筋水泥土的完整性好于未加筋水泥土的完整性。
(a) 西安土試件;(b) 三亞土試件
(a) 0轉(zhuǎn);(b) 40轉(zhuǎn);(c) 80轉(zhuǎn);(d) 120轉(zhuǎn)
所得試驗(yàn)結(jié)果如圖9~12所示,從圖9和圖10中可看出:對(duì)各個(gè)長(zhǎng)度規(guī)格的纖維和2種土樣,隨著纖維摻量的提高,玻璃纖維加筋水泥土試件的單位面積磨耗量和磨耗深度都是先減小后又增大,說(shuō)明適量纖維可以大幅提高水泥土試件的耐磨性能,而過(guò)多纖維對(duì)耐磨性不利。這是因?yàn)檫m量纖維可以在土體內(nèi)部交織成網(wǎng),將土體有效連接在一起增強(qiáng)土體整體性;過(guò)多的纖維增加了分散的難度,而聚集在一起的纖維不僅起不到拉筋作用,更會(huì)形成薄弱面,在耐磨機(jī)磨頭作用下會(huì)造成薄弱面處崩散,而纖維的拉筋作用還會(huì)帶動(dòng)周邊的土顆粒崩落,這也是造成高摻量玻璃纖維加筋水泥土試件磨耗損失大于水泥土試件的原因。從纖維長(zhǎng)度規(guī)格上來(lái)看,對(duì)于西安土和三亞土試件,12 mm的玻璃纖維加筋水泥土耐磨性整體較好,其原因主要還是纖維分散性問(wèn)題,過(guò)短的纖維加筋作用不如中等長(zhǎng)度纖維,可能因?yàn)槠漯ぞ哿Σ蛔?,而過(guò)長(zhǎng)的纖維則會(huì)造成分散困難,纖維聚集則對(duì)加筋作用起反作用。
(a) 0轉(zhuǎn);(b) 40轉(zhuǎn);(c) 80轉(zhuǎn);(d) 120轉(zhuǎn)
(a) 單位面積磨耗量指標(biāo);(b) 磨耗深度指標(biāo)
(a) 單位面積磨耗量指標(biāo);(b) 磨耗深度指標(biāo)
(a) 西安土試件;(b) 三亞土試件
(a)抗飛散性能;(b)耐磨耗性能
圖11為玻璃纖維加筋水泥土試件分級(jí)磨耗損失圖,可看出試件分級(jí)磨耗損失曲線大致分為2個(gè)階段,分別是平穩(wěn)磨耗階段和急劇破壞階段。對(duì)于西安土試件,前10轉(zhuǎn)為平穩(wěn)磨耗階段,10~20轉(zhuǎn)為急劇破壞階段,之后20~50轉(zhuǎn)基本又處于平穩(wěn)磨耗階段,50~60轉(zhuǎn)有些試件又出現(xiàn)急劇破壞階段;對(duì)于三亞土試件,分級(jí)磨耗損失具有相似的規(guī)律,只是急劇破壞階段出現(xiàn)在的轉(zhuǎn)數(shù)不嚴(yán)格相同,急劇破壞階段的破壞幅度也不盡相同。平穩(wěn)磨耗階段所對(duì)應(yīng)的破壞形態(tài)為試驗(yàn)機(jī)磨頭作用的范圍未達(dá)到試件邊部,磨耗僅發(fā)生在試件邊部以內(nèi),花輪磨頭的作用面為內(nèi)徑約30 mm,外徑約130 mm的環(huán)形磨損面。而在急劇破壞階段,磨頭會(huì)帶動(dòng)邊部(130~150 mm)產(chǎn)生剝落,造成磨耗量急劇增大。
在纖維摻量為0.3%,長(zhǎng)度為12 mm時(shí),纖維加筋水泥西安土的磨耗深度和磨耗損失為相應(yīng)水泥土的84.6%和74.8%,而纖維加筋水泥三亞土的磨耗深度和磨耗損失為相應(yīng)水泥土的50.6%和56.3%,表明適量纖維加筋可以較好地增大水泥土的耐磨耗性能,同時(shí)纖維加筋對(duì)三亞土的效果更好,同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出,當(dāng)玻璃纖維摻量為0.3%,長(zhǎng)度為12 mm時(shí),纖維加筋水泥土耐磨耗性能最好。圖12中的(b)是當(dāng)纖維長(zhǎng)度為12 mm時(shí),不同摻量纖維加筋不同水泥土耐磨耗性能的比較,可以看出,玻璃纖維對(duì)三亞土抗磨耗性能的增強(qiáng)優(yōu)于西安土,原因是三亞土為高液限黏土,其干硬時(shí)強(qiáng)度比西安土高,從而導(dǎo)致纖維加筋三亞土耐磨耗性能更優(yōu)。
1) 玻璃纖維的加入可以有效地提高水泥土的抗飛散性和水穩(wěn)定性,且纖維的加筋作用隨著纖維長(zhǎng)度和摻量的變化而變化,在所研究的范圍內(nèi)纖維摻量存在最優(yōu)值,且長(zhǎng)度較短時(shí)的加筋效果更好,當(dāng)纖維摻量為0.3%,長(zhǎng)度為6 mm時(shí)纖維對(duì)水泥土抗飛散性能和水穩(wěn)定性能的增強(qiáng)效果最好。
2) 玻璃纖維的加入可以有效地提高水泥耐磨耗性能,纖維的效果同樣隨著纖維摻量和纖維長(zhǎng)度的變化而變化,在所研究的范圍內(nèi),當(dāng)纖維摻量為0.3%,纖維長(zhǎng)度為12 mm時(shí)對(duì)水泥土耐磨耗性能的增強(qiáng)效果最好。
3) 玻璃纖維加筋技術(shù),在土體浸水的情況下,更適宜用于西安地區(qū)低液限黏土的改良,而在土體干燥的情況下,更適宜用于三亞地區(qū)高液限黏土的改良。
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Experimental study on durability of glass fiber reinforced cemented soil
XU Wei1, LIU Junzhong1, ZHANG Jun1, 2
(1. College of Aeronautical Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China;2. College of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China)
Cemented soil is one of the main materials used in the pavement base of the construction of the airstrip, but it is vulnerable to water erosion in use. In order to solve the problem of poor water stability and durability of cemented soil, glass fiber was used to reinforce the cemented soil. In this paper, the dispersion tests of cemented soil reinforced by glass fiber with different soils, different fiber contents and lengths were carried out, and the dispersion resistances were studied. The results show that the Anti-dispersion performance of the specimens after immersion curing is obviously lower than that of the conventional curing specimens. The addition of fibers can narrow the gap between them and effectively improve the water stability of cemented soil. At the same time, the water stability of glass fiber reinforced cemented Xi’an soil is better than that of Sanya soil. In the range of study, when the fiber content is 0.3% and the length is 6 mm, the Anti-dispersion performance of cement soil is enhanced best. And when the fiber content is 0.3% and the length is 6 mm, the wear resistance of cemented soil is enhanced best. Generally speaking, when the length of glass fiber is 6 mm or 12 mm and the content is 0.3%, the reinforcement effect of cemented soil is the best.
cemented soil; glass fiber; durability; dispersion test; wear test
TU448
A
1672 ? 7029(2021)01 ? 0104 ? 08
10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200032
2020?02?26
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51708550);國(guó)家博士后基金資助項(xiàng)目(2020M671485);陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2020JQ-474);江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK20200429);江蘇省博士后基金資助項(xiàng)目(2020Z321)
劉軍忠(1983?),男,廣東梅州人,副教授,博士,從事機(jī)場(chǎng)工程研究;E?mail:tgzydyxy@163.com
(編輯 陽(yáng)麗霞)