養(yǎng)生期乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度及疲勞損傷特性

張　迪， 方　琳， 王建偉

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 開封　475004；　2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心， 河南 開封　475004)

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養(yǎng)生期乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度及疲勞損傷特性

張迪1,2， 方琳1,2， 王建偉1,2

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 開封475004；2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心， 河南 開封475004)

[摘要]現(xiàn)行瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計過程中沒有對早期強(qiáng)度提出具體要求，缺乏對早期強(qiáng)度的重視，導(dǎo)致養(yǎng)生7 d后混合料取芯困難或鉆不出完整芯樣。以含水率做為評價指標(biāo)揭示了養(yǎng)生期乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度、模量及疲勞損傷特性。進(jìn)行了不同含水率下乳化瀝青冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、間接拉伸疲勞特性及鉆芯完整率研究，揭示了劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量和抗剪切強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律，建議乳化瀝青冷再生混合料層開放交通條件以含水率為控制指標(biāo)，推薦乳化瀝青冷再生混合料加鋪上層結(jié)構(gòu)時含水率不宜大于1.5%。

[關(guān)鍵詞]道路工程； 乳化瀝青冷再生混合料； 早期強(qiáng)度； 含水率； 路用性能

0前言

我國《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41-2008)對乳化瀝青冷再生混合料開放交通條件進(jìn)行了規(guī)定，要求冷再生層在加鋪上層結(jié)構(gòu)前必須進(jìn)行養(yǎng)生，養(yǎng)生時間不宜少于7 d，當(dāng)滿足以下兩個條件之一時，可提前結(jié)束養(yǎng)生[1]： ①再生層可以取出完整的芯樣； ②再生層的含水率小于2%。在乳化瀝青冷再生基層(下面層)施工過程中，由于施工季節(jié)、降雨等原因，乳化瀝青冷再生混合料現(xiàn)場養(yǎng)生7 d后含水率高于2%，取不出來完整芯樣也時常發(fā)生，再者國內(nèi)趕工期的現(xiàn)象也比較常見，鋪筑7 d后或在較短的養(yǎng)生期下即進(jìn)行上層結(jié)構(gòu)的鋪筑，養(yǎng)生車輛、運(yùn)料車輛、攤鋪機(jī)、壓路機(jī)等施工設(shè)備必然會對還未形成足夠強(qiáng)度、剛度的下承層產(chǎn)生破壞作用，在施工期即產(chǎn)生了路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)部損傷[2]。由于對乳化瀝青冷再生混合料早期開放交通條件把握不準(zhǔn)確導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)車轍等病害，究其原因主要是現(xiàn)行規(guī)范配合比設(shè)計中只注重了乳化瀝青冷再生混合料的中長期強(qiáng)度，較少涉及混合料早期強(qiáng)度，實踐證明，工程應(yīng)用過程中出現(xiàn)問題最多的往往是混合料早期強(qiáng)度形成階段[3-6]。目前許多學(xué)者對乳化瀝青冷再生混合料的高低溫性能、疲勞特性等進(jìn)行了研究，也得到了許多有指導(dǎo)價值的結(jié)論[7-11]，但鮮見乳化瀝青冷再生混合料早期強(qiáng)度特性方面研究報道。為了探究養(yǎng)生期施工車輛和開放交通初期行車荷載對乳化瀝青冷再生的強(qiáng)度特性和路用性能的影響，有必要對乳化瀝青冷再生混合料早期強(qiáng)度進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的控制指標(biāo)。研究成果可對今后乳化瀝青冷再生混合料施工質(zhì)量提供技術(shù)參考。

1乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計

1.1原材料

乳化瀝青由SK90基質(zhì)瀝青、龍孚MQK-1M陽離子慢裂慢凝乳化劑、鹽酸調(diào)節(jié)劑經(jīng)室內(nèi)小型膠體磨制備而成，乳化瀝青技術(shù)性能檢測結(jié)果見表1。RAP取自陜西西寶高速公路大中修施工現(xiàn)場，根據(jù)RAP篩分試驗結(jié)果，確定需要添加新集料來調(diào)整混合料級配，粗集料采用10～20 mm石灰?guī)r碎石，RAP摻量為85%，確定混合料合成級配見表2。試驗選用的水泥為耀縣普通硅酸鹽水泥PO 32.5，水泥以外摻的形式添加，摻量為1.5%。

表1 乳化瀝青試驗結(jié)果與技術(shù)要求Table1 Emulsifiedasphalttestresultsandthetechnicalre-quirements試驗項目規(guī)范要求試驗結(jié)果1.18mm篩上剩余量/%≤0.1 0.02電荷++ 瀝青標(biāo)準(zhǔn)粘度/s12～6032 蒸發(fā)殘留物含量/%≥62.563.7 針入度(25℃,5s)/(0.1mm)80～10092 蒸發(fā)殘留物 軟化點/℃≥53 61 延度(5℃)/cm≥20 >100

表2 乳化瀝青冷再生混合料合成級配Table2 Emulsifiedasphaltcoldrecycledmixturesyntheticgrading篩孔尺寸/mm通過百分率/%規(guī)范級配/%26.51001001996.290～1009.574.960～80 4.7547.435～65 2.3625.420～50 0.313.5 3～21 0.0754.5 2～8

1.2配合比設(shè)計結(jié)果

采用修正馬歇爾法確定冷再生混合料的最佳瀝青用量，乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計結(jié)果為：最佳乳化瀝青用量為4.0%，拌合用水量為3.8%，干劈裂強(qiáng)度0.72 MPa，干濕劈裂強(qiáng)度比為95.1%，空隙率為11.7%，重型擊實最大干密度2.135 g/cm3，馬歇爾試件毛體積密度2.127 g/cm3。

2養(yǎng)生期不同含水率乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度特性

2.1不同含水率乳化瀝青冷再生混合料劈裂強(qiáng)度變化規(guī)律

劈裂試驗試件制備： 正反各75次成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，將試件不托模半封閉置于20 ℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生。養(yǎng)生期間間隔6 h測馬歇爾試件的含水率，并進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗，劈裂試驗加載速率為50 mm/min，不同含水率馬歇爾試件20 ℃劈裂試驗結(jié)果見圖1。

圖1　乳化瀝青冷再生混合料劈裂強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律Figure 1　Emulsified asphalt cold recycled mixture splitting strength variation with moisture content

由圖1可知: 養(yǎng)生前期乳化瀝青冷再生混合料含水率變化較大，乳化瀝青冷再生混合料劈裂強(qiáng)度與馬歇爾試件含水率之間的擬合關(guān)系為:

y=2.00702×exp(x/6.52713)-0.96925

(R2=0.972)，

擬合關(guān)系良好。2%含水率條件下乳化瀝青冷再生混合料0.53 MPa，滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41-2008)乳化瀝青冷再生混合料最終劈裂強(qiáng)度≥0.5 MPa設(shè)計技術(shù)要求，這與規(guī)范確定再生層的含水率小于2%時可以加鋪上層結(jié)構(gòu)的初衷相一致。養(yǎng)生期間劈裂強(qiáng)度隨含水率減小而增大，含水率小于1.5%時，強(qiáng)度隨含水率的減小增長較快，含水率小于1.5%后劈裂強(qiáng)度基本趨于平穩(wěn)，含水率由2.0%減小至1.5%，馬歇爾試件需要在25 ℃鼓風(fēng)烘箱中半封閉養(yǎng)生1.5 d，同時劈裂強(qiáng)度由0.53 MPa增大至0.65 MPa，提高了22.6%，含水率由1.5%減小至0.8%，馬歇爾試件劈裂強(qiáng)度由0.65 MPa提高至0.72 MPa，同時馬歇爾試件需在鼓風(fēng)烘箱中半封閉養(yǎng)生3 d，可見將乳化瀝青冷再生混合料加鋪上層結(jié)構(gòu)的含水率減小至1.5%，可顯著提高乳化瀝青冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度，若進(jìn)一步減小乳化瀝青冷再生混合料含水率，現(xiàn)場需要等待較長時間。

2.2不同含水率乳化瀝青冷再生混合料模量變化規(guī)律

抗壓回彈模量是進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時選取材料設(shè)計參數(shù)的重要依據(jù)，是計算路面結(jié)構(gòu)彎沉與層底彎拉應(yīng)力的關(guān)鍵參數(shù)，研究不同養(yǎng)生期乳化瀝青冷再生混合料抗壓回彈模量隨試件含水率的變化規(guī)律，對確定乳化瀝青冷再生混合料養(yǎng)生及開放交通條件有重要意義?？箟夯貜椖Ａ吭嚰苽洌红o壓法成型150 mm(直徑)×150(高)圓柱體試件，半封閉置于20 ℃鼓風(fēng)烘箱養(yǎng)生，養(yǎng)生期間間隔一定時間測試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量，取破壞試件中部芯樣測含水率，進(jìn)而建立養(yǎng)生期間含水率與乳化瀝青冷再生混合料抗壓回彈模量之間的關(guān)系，試驗結(jié)果見圖2。

圖2試驗結(jié)果表明: 乳化瀝青冷再生混合料最終養(yǎng)生結(jié)束后抗壓回彈模量為1194 MPa，這與《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41-2008)在進(jìn)行層底拉應(yīng)力計算時給出的模量范圍800～1200 MPa是一致的。養(yǎng)生期間抗壓回彈模量隨著含水率的減小而增大，含水率為2.0%，乳化瀝青冷再生混合料抗壓回彈模量為573 MPa，1.5%含水率時抗壓回彈模量為1002 MPa，可見含水率減小了0.5%而抗壓回彈模量增大了近1倍。含水率小于1.5%后抗壓回彈模量增加幅度減緩，已接近最終抗壓回彈模量值，可見將加鋪上層結(jié)構(gòu)時乳化瀝青冷再生混合料的含水率由2.0%減小至1.5%可顯著提高乳化瀝青冷再生混合料的力學(xué)強(qiáng)度，減小施工階段可能帶來的損害。

圖2　不同含水率乳化瀝青冷再生混合料抗壓回彈模量試驗結(jié)果Figure 2　Different moisture emulsified asphalt cold recycled mixtures compressive resilient modulus test results

2.3不同含水率乳化瀝青冷再生混合料抗永久變形能力

圖3　貫入剪切試驗原理Figure 3　penetration shear test schematic diagram

通常采用車轍試驗評價瀝青混合料的抗永久變形能力，筆者在室內(nèi)試驗時發(fā)現(xiàn)，由于乳化瀝青冷再生混合料早期強(qiáng)度不足，車轍儀試驗輪在行走過程中會帶走一些集料，導(dǎo)致感應(yīng)器實測車轍變形量試驗數(shù)據(jù)失真，本文采用40 ℃貫入剪切強(qiáng)度評價乳化瀝青冷再生混合料的抗永久變形能力。貫入剪切試驗原理如圖3所示，試驗加載速率為50 mm/min，計算公式見式(1)。試驗時首先成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，將馬歇爾試件不脫模室溫放置12 h后脫模，然后半封閉置于40 ℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生，養(yǎng)生結(jié)束后立即進(jìn)行貫入剪切試驗，取剪切破壞后的馬歇爾試件實測其含水率，進(jìn)而建立貫入剪切強(qiáng)度與試件含水率之間的關(guān)系，試驗結(jié)果見表4及圖4。

(1)

式中：SD為應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載，N，y為破壞荷載對應(yīng)的位移，mm；壓頭直徑D=40 mm，倒角半徑r=10 mm。

表4及圖4試驗結(jié)果表明: ①乳化瀝青冷再生混合料貫入剪切強(qiáng)度隨其含水率的減小而增大，指數(shù)擬合關(guān)系良好，室內(nèi)養(yǎng)生過程中乳化瀝青冷再生混合料強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律可分為三階段：緩慢增長階段、加速增長階段和趨于穩(wěn)定階段，這與水泥乳化瀝青強(qiáng)度形成三階段(水泥與乳化瀝青的接觸階段、動態(tài)平衡階段及加速破乳階段)相吻合。②比較2.0%和1.5%含水率情況下的貫入剪切強(qiáng)度，40 ℃

表4 不同含水率乳化瀝青冷再生混合料貫入剪切試驗結(jié)果Table4 Emulsifiedasphaltcoldrecycledmixespenetrativesheartestresultswithdifferentwatercontent含水率/%P/Ny/mmSD/MPaSD平均值/MPa11545.031.094.612075.211.061.039945.320.9442293.534.333.839313.454.064.2540803.124.3659293.596.043.257263.256.036.0658373.326.1193613.079.062.890122.918.878.9791742.959.00124093.6111.832.2110733.7710.4211.03111023.4110.84142363.3116.751.7149383.1716.8516.08151643.2916.65167643.1418.541.4172103.0618.0318.05170913.1218.56177583.0718.091.2176292.9618.1918.23176922.8918.41185262.9618.160.8178492.9518.4518.80182502.9918.79

圖4　乳化瀝青冷再生混合料貫入剪切強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律Figure 4　Emulsified asphalt cold recycled mixes penetrometer shear strength variation with moisture content

半封閉養(yǎng)生條件下，乳化瀝青冷再生混合料含水率由2.0%減小至1.5%，混合料貫入剪切強(qiáng)度由12.7 MPa，增大至16.8 MPa，增大了32.2%，而含水率由1.5%減小至0.8%，需40 ℃半封閉養(yǎng)生1.5 d，而貫入剪切強(qiáng)度由16.8 MPa增大至18.8 MPa，僅增大了11.9%，以40 ℃室內(nèi)加速養(yǎng)生與現(xiàn)場養(yǎng)生的對應(yīng)關(guān)系，試件室內(nèi)鼓風(fēng)烘箱40 ℃半封閉養(yǎng)生1.5 d，常溫條件下現(xiàn)場至少需要養(yǎng)生3 d，可見延長養(yǎng)生時間雖然可以提高乳化瀝青冷再生混合料的早期強(qiáng)度，但也會增加鋪筑上層瀝青混凝土結(jié)構(gòu)的等待時間，1.5%含水率做為加鋪上層結(jié)構(gòu)的最小含水率可達(dá)到工期與強(qiáng)度要求的二者平衡。

3不同養(yǎng)生期乳化瀝青冷再生混合料的疲勞損傷特性

現(xiàn)行瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范要求乳化瀝青冷再生混合料鋪筑上層結(jié)構(gòu)的最小含水率為2%或能夠鉆出完整芯樣，加鋪上層結(jié)構(gòu)后乳化瀝青冷再生基層(下面層)處于全封閉狀態(tài)，水分揮發(fā)緩慢，在其強(qiáng)度完全形成之前車輛荷載必將對低強(qiáng)度、低模量乳化瀝青層產(chǎn)生較大的疲勞破壞作用[12]。目前許多學(xué)者對乳化瀝青冷再生混合料的疲勞特性進(jìn)行了了研究，也得到了許多有指導(dǎo)價值的結(jié)論[13-15]，但研究大多針對強(qiáng)度完全形成的乳化瀝青冷再生混合料，不同養(yǎng)生期乳化瀝青冷再生混合料疲勞損傷特性研究較少，為了探究養(yǎng)生期施工車輛和開放交通初期行車荷載對乳化瀝青冷再生的疲勞破壞作用，需開展不同養(yǎng)生期下水乳化瀝青冷再生混合料的疲勞損傷特性研究。筆者采用間接拉伸疲勞試驗研究不同養(yǎng)生期乳化瀝青冷再生混合料的疲勞特性，疲勞試驗采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，馬歇爾試件采用半封閉養(yǎng)生方式，考慮到瀝青的感溫性和試驗溫度對疲勞試驗結(jié)果的影響，為方便試驗操作，室內(nèi)加速養(yǎng)生溫度為20 ℃，疲勞試驗加載頻率為10 Hz，試驗選擇0.1、0.2、0.3、0.4共4個應(yīng)力水平，試驗溫度為20 ℃，間隔一定養(yǎng)生時間進(jìn)行疲勞試驗，將疲勞破壞的試件用于測試試件含水率，進(jìn)而建立不同養(yǎng)生期馬歇爾試件含水率與間接拉伸疲勞壽命之間的關(guān)系，試驗結(jié)果如表5和圖5所示。

表5 不同含水率乳化瀝青冷再生混合料疲勞試驗擬合方程Table5 Emulsifiedasphaltcoldrecycledmixturefatiguetestfittingequationwithdifferentwatercontent含水率/%Nf=K(1σ0)n相關(guān)系數(shù)R23.8K=1043,n=2.2740.9343.2K=3209,n=2.0150.9562.8K=4590,n=1.9970.9841.7K=7217,n=1.9060.9581.4K=9214,n=1.8090.9841.2K=9560,n=1.7900.9690.8K=9890,n=1.7650.9830.1K=9904,n=1.7490.979

圖5　不同含水率乳化瀝青冷再生混合料疲勞試驗擬合　參數(shù)Figure 5　Emulsified asphalt cold recycled mixture fatigue test fitting parameters with different water contents

表5及圖5試驗結(jié)果表明: 相同應(yīng)力比水平下，馬歇爾試件疲勞壽命隨含水率的減小而增大，指數(shù)擬合關(guān)系良好，養(yǎng)生時間延長混合料抗疲勞性能增強(qiáng)。含水率由3.8%降低至1.5%疲勞試驗增加較為明顯，馬歇爾試件含水率降低到1.5%后隨著養(yǎng)生時間增加，疲勞壽命雖有增大趨勢，但增加幅度不大。為保證運(yùn)營期初期的路面使用壽命，應(yīng)嚴(yán)格控制乳化瀝青冷再生混合料基層強(qiáng)度與模量還沒形成時車輛的通行，將冷再生層加鋪上層結(jié)構(gòu)時的最小含水率降低至1.5%可提高路面的抗疲勞性能。

4鉆芯取樣驗證

為了進(jìn)一步驗證乳化瀝青混合料早期強(qiáng)度形成效果，在實驗室模擬現(xiàn)場不同含水率乳化瀝青冷再生混合料鉆芯完整性，成型10 cm厚的車轍板。根據(jù)重型擊實試驗得到的最大濕密度計算車轍板裝料的質(zhì)量，采用常規(guī)車轍板成型機(jī)碾壓，直到試件表面和車轍板齊平即停止碾壓，車轍板成型設(shè)備碾壓時要關(guān)閉溫控，在室溫下碾壓，碾壓前碾壓輪上應(yīng)涂抹少量水分，防止混合料粘輪，導(dǎo)致表面不平整。將成型后的車轍板放在40 ℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生，間隔一定時間用鉆芯機(jī)進(jìn)行取樣，為了客觀的評價取芯的效果，引入完整率指標(biāo)(完整率定義為芯樣風(fēng)干后的質(zhì)量與實驗室標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的比值，該比值較大則說明試件比較完整，該比值較小時則說明試件不完整，實驗室標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量是通過重型擊實實驗所得干密度和芯樣標(biāo)準(zhǔn)體積計算得到)。本試驗通過模擬現(xiàn)場碾壓及鉆芯，對混合料早期強(qiáng)度進(jìn)行研究，進(jìn)而確定乳化瀝青冷再生混合料加鋪上層結(jié)構(gòu)時的最大含水率?？紤]到乳化瀝青與RAP料的配伍性，本文選擇了三種工程中曾用過的乳化瀝青用于試驗研究，不同含水率乳化瀝青冷再生混合料鉆芯完整性試驗結(jié)果見圖6。

圖6　不同含水率乳化瀝青冷再生混合料鉆芯完整性Figure 6　Emulsified asphalt cold recycled mixes drill core integrity with different water content

從圖6中可以明顯看出: 不同養(yǎng)生期乳化瀝青冷再生混合料含水率與其鉆芯完整性之間具有較好的指數(shù)擬合關(guān)系，芯樣完整性隨含水率的減小而增大，3種乳化瀝青，冷再生混合料在2%含水率時芯樣完整率為75%～91%，1.5%含水率情況下試件鉆芯完整率均大于94%，將加鋪上層結(jié)構(gòu)時乳化瀝青冷再生層的最小含水率控制在1.5%可確保再生層鉆芯完整性，這與前文的研究結(jié)果相吻合。

5結(jié)論

① 乳化瀝青冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗剪切變形能力受含水率影響顯著，均隨齡期的減小而增大，在含水率小于1.5%時基本趨于穩(wěn)定，將1.5%含水率做為加鋪上層結(jié)構(gòu)的最小含水率可達(dá)到工期與強(qiáng)度要求的二者平衡。

② 隨著含水率的減小，乳化瀝青冷再生混合料的抗疲勞性能逐漸提高，通過延長乳化瀝青冷再生的養(yǎng)生時間可以有效地提高其抗疲勞耐久性。

③ 隨著含水率的減小，乳化瀝青冷再生混合料的芯樣完整率增加，1.5%含水率情況下試件鉆芯完整率均大于94%，綜合考慮不同養(yǎng)生階段乳化瀝青冷再生混合料的強(qiáng)度和力學(xué)特性以及滿足工期的要求，建議乳化瀝青冷再生混合料層開放交通條件以含水率為控制指標(biāo)，乳化瀝青冷再生混合料加鋪上層結(jié)構(gòu)時含水率不宜大于1.5%。

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[15]李鋒，嚴(yán)金海.乳化瀝青冷再生混合料低溫性能研究[J].公路，2015(3):164-167.

Characteristics of Strength and Fatigue Damage for Emulsified Asphalt Cold Recycled Mixture

ZHANG Di1,2， FANG Lin1,2， WANG Jianwei1,2

(1.Yellow River Conservancy Technical Institute; Kaifeng, Henan 475004, China;2.Engineering Technology Research Center for Small Watershed Conservancy of Universities of Henan Province; Kaifeng, Henan 475004, China)

[Abstract]The current asphalt pavement recycled technical specifications emulsified asphalt cold recycled mixes with no specific requirements on the early strength during the design process, the lack of emphasis on early strength, leading to drill core samples could not complete after 7 d curing. In this paper, the moisture content as evaluation and reveals the curing of emulsified asphalt cold recycled mixture strength, modulus and fatigue damage characteristics，and carried out under different moisture content of emulsified asphalt cold recycled mixture splitting strength, compressive resilient modulus, indirect tensile fatigue properties and core drilling complete rate study reveals the splitting strength, compressive modulus of resilience and resistance shear strength variation with moisture content, it is recommended emulsified asphalt cold recycled mixture layer traffic conditions to a water content of open control targets, emulsified asphalt cold recycled mixture overlay superstructure when the moisture content less than 1.5%.

[Key words]road engineering； emulsified asphalt cold recycled mixture； early strength; moisture content； road performance

[中圖分類號]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0236-06

[作者簡介]張迪(1983-)，男，河南濮陽人，碩士，助教，主要從事工程結(jié)構(gòu)和材料的研究工作。

[收稿日期]2015-10-09