玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿的拉破壞試驗(yàn)研究

楊建林，王來(lái)貴，潘紀(jì)偉，習(xí)彥會(huì)，李喜林，龍律位

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，阜新　123000；2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，阜新　123000；3. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑與工程學(xué)院，阜新　123000)

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玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿的拉破壞試驗(yàn)研究

楊建林1，2，王來(lái)貴2，潘紀(jì)偉2，習(xí)彥會(huì)2，李喜林3，龍律位1

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，阜新123000；2. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，阜新123000；3. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑與工程學(xué)院，阜新123000)

為了研究玄武巖纖維(BF)增強(qiáng)水泥砂漿在拉應(yīng)力作用下的變形破壞過(guò)程，利用巴西劈裂試驗(yàn)和數(shù)字散斑相關(guān)方法，研究了BF增強(qiáng)水泥砂漿在拉破壞過(guò)程中變形場(chǎng)的演化。結(jié)果表明：(1) BF含量相同時(shí)，試件的抗拉強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加先增加后減小;(2) 養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨玄武巖含量的增加先增加后減小;(3) 當(dāng)拉應(yīng)力較小時(shí)，試件內(nèi)部存在局部小變形區(qū)；拉應(yīng)力增加，局部小變形區(qū)面積增加，相鄰的局部變形區(qū)相互合并，形成更大的局部變形區(qū)；局部大變形區(qū)相互合并形成應(yīng)變局部化帶；最終應(yīng)變局部化帶發(fā)展成宏觀裂紋;(4) 相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間，BF含量小于0.1%時(shí)，BF含量增加，應(yīng)變局部化帶的形成位置逐漸向峰值載荷移動(dòng);(5) BF提高了水泥砂漿顆粒間的連接強(qiáng)度，使抗拉強(qiáng)度提高；試件破壞時(shí)，硅酸鹽化合物先破壞，BF后破壞。

玄武巖纖維水泥砂漿；拉破壞；數(shù)字散斑相關(guān)方法；局部變形區(qū)

1　引　言

混凝土在防護(hù)工程中得到大量應(yīng)用，各類配比的混凝土材料一個(gè)共同的缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度低[1]。防護(hù)工程在使用過(guò)程中，受到凍融循環(huán)、地震、地基沉陷等因素的影響，結(jié)構(gòu)本身經(jīng)受較大的外力，尤其是拉應(yīng)力，對(duì)防護(hù)工程的安全使用造成了極大影響[2-4]。玄武巖纖維(Basalt Fiber，簡(jiǎn)稱BF)是將熔融的玄武巖拉制而成的連續(xù)纖維，直徑一般在5～30 μm。BF具有高抗拉強(qiáng)度、高剪切強(qiáng)度、耐高溫、抗氧化、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，BF的抗拉強(qiáng)度超過(guò)鋼纖維、對(duì)位芳綸、碳纖維等材料[5]。另外，BF的成分與混凝土基本相同，因此，在分散性和相容性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[6]。為了克服混凝土低抗拉強(qiáng)度的缺點(diǎn)，在混凝土里面加入少量短切BF(8～15 mm)制成玄武巖纖維混凝土(BFC)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)BFC的物理力學(xué)性能陸續(xù)展開了研究，BF加入后可明顯提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、動(dòng)力性能、韌性、抗沖擊性等性能[7-10]。水泥砂漿屬于廣義上的混凝土，與常見(jiàn)混凝土的主要區(qū)別在于缺少粗骨料，水泥砂漿與混凝土的強(qiáng)度存在相關(guān)性,因此研究BF對(duì)水泥砂漿性能的增強(qiáng)作用為BFC的研究奠定基礎(chǔ)。

目前，關(guān)于BF增強(qiáng)水泥砂漿在拉應(yīng)力作用下變形破壞過(guò)程及機(jī)理的研究較少?；炷疗茐倪^(guò)程的研究不僅是巖石力學(xué)中的基礎(chǔ)性課題，還有助于防護(hù)工程和土木工程中災(zāi)害的防治?；炷恋钠茐氖且粋€(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，伴隨著裂紋的萌生、增長(zhǎng)、連接和貫通，最終發(fā)生破壞[11]。拉應(yīng)力作用下混凝土變形破壞過(guò)程的研究，對(duì)于理解混凝土完整的拉破壞過(guò)程以及防護(hù)工程的監(jiān)測(cè)具有重要意義。數(shù)字散斑相關(guān)方法(Digital Speckle Correlation Method，簡(jiǎn)稱DSCM)由Yamaguchi和Ranson同時(shí)獨(dú)立提出[12,13]，是一種基于數(shù)字圖像處理的變形場(chǎng)測(cè)試方法，具有非接觸、全場(chǎng)、抗干擾能力強(qiáng)和試件處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[14,15]，目前成功應(yīng)用到變形場(chǎng)的測(cè)量中[16]。本文制備了不同BF體積含量的水泥砂漿試件，通過(guò)巴西劈裂試驗(yàn)研究抗拉強(qiáng)度隨BF含量及養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律，利用DSCM分析試件在拉應(yīng)力作用下變形場(chǎng)的演化過(guò)程；從微觀上分析了BF含量不同時(shí)水泥砂漿抗拉強(qiáng)度差異的機(jī)理。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)原料

BF(浙江金石玄武巖纖維有限公司，φ15 μm×12 mm)，BF的物理力學(xué)性能如表1；顆粒度小于70目(212 μm)的河砂；P·O 42.5普通硅酸鹽水泥(阜礦集團(tuán)天廈水泥公司)，水泥成分如表2。

表1　BF的物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2　P·O 42.5普通硅酸鹽水泥的成分

2.2試驗(yàn)過(guò)程

2.2.1試件的制備

試件分A、B、C和D四組，BF的體積含量分別為0%、0.05%、0.1%和0.15%。試件中水泥：砂子：水的重量比為1∶2∶0.3，用精度為0.01 g的電子天平稱重，每組試件原料的總質(zhì)量為1 kg。利用攪拌機(jī)先將水泥、砂子和BF攪拌10 min，為了提高BF分布的均勻度，攪拌過(guò)程中BF分成5次加入；然后將水分成5次加入攪拌機(jī)，攪拌10 min。將攪拌均勻的水泥砂漿放入尺寸為φ75 mm×15 mm的模具中。每組試件的養(yǎng)護(hù)時(shí)間為 7 d、14 d、21 d和28 d，相同條件的試件4個(gè)，總共64個(gè)試件。試件的養(yǎng)護(hù)過(guò)程按照國(guó)標(biāo)GB/T50081《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。

圖1　測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.1　Schematic diagram of the test system

2.2.2分析測(cè)試

將BF放入瑪瑙研缽，研磨成細(xì)粉。利用X射線熒光分析儀(XRF，型號(hào)Shimadzu XRF-1800)測(cè)試BF的成分。利用X射線衍射儀(XRD，型號(hào)Shimadzu XRD-6100)測(cè)試BF的物相，儀器參數(shù)為：Cu靶、電流40 mA、加速電壓30 kV、石墨單色器、步長(zhǎng)0.02°、掃描速度5°/min。巴西劈裂試驗(yàn)和變形場(chǎng)的觀測(cè)在自行搭載的試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，如圖1。巴西劈裂試驗(yàn)在壓力試驗(yàn)機(jī)上(型號(hào)YAW-2000)進(jìn)行，利用位移控制加載速率，加載速率為0.06 mm/min，利用壓力機(jī)自帶軟件采集加載-位移曲線。巴西劈裂試驗(yàn)過(guò)程中，利用CCD攝像機(jī)記錄試件表面的散斑圖，拍攝速率為1幀/秒。試驗(yàn)前仔細(xì)調(diào)整CCD，使鏡頭表面平行于試件待觀測(cè)表面，調(diào)整焦距使散斑圖清晰。由于兩個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)相互獨(dú)立，試驗(yàn)前需調(diào)整好兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的時(shí)間，使時(shí)間保持一致。通過(guò)DSCM軟件計(jì)算試件的應(yīng)變場(chǎng)。利用掃描電子顯微鏡(SEM，型號(hào)Shimadzu SUPERSCAN SS-550)觀測(cè)試件斷口的形貌，儀器參數(shù)為：加速電壓15 kV、二次電子探測(cè)器。

3　結(jié)果與討論

3.1BF的成分和結(jié)構(gòu)

表3給出了BF的成分，纖維的主要成分為SiO2和Al2O3，其中SiO2的含量最高，為55.62%。圖2為BF的XRD圖，圖中存在典型的非晶饅頭峰，說(shuō)明物相以非晶形態(tài)存在，這是由于BF在制備過(guò)程中，將溫度為1450～1500℃的熔融玄武巖高速拉制，快速冷卻形成BF，冷卻時(shí)原子保存了液態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)為非晶態(tài)。

表3　BF的成分

圖2　BF的XRD圖Fig.2　XRD pattern of basalt fiber

3.2水泥砂漿試件受拉時(shí)的變形場(chǎng)演化過(guò)程

在巴西劈裂試驗(yàn)中，圓盤狀試件中心處受到的水平方向拉應(yīng)力σt與豎直方向載荷P之間的關(guān)系為：

(1)

式中：d為巴西圓盤的直徑，t為圓盤的厚度。利用峰值載荷和公式(1)，可得到試件的抗拉強(qiáng)度。圖3為不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間時(shí)試件的抗拉強(qiáng)度隨BF含量x的變化規(guī)律。試件中BF含量相同時(shí)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間少于21 d時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大，并且養(yǎng)護(hù)時(shí)間在7～21 d間時(shí)，抗拉強(qiáng)度增加速率較快，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d時(shí)，抗拉強(qiáng)度略有下降，低于養(yǎng)護(hù)時(shí)間為21 d時(shí)試件的抗拉強(qiáng)度，與文獻(xiàn)[17]報(bào)道的結(jié)果一致。養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨x的增加先增加后減小，當(dāng)BF的體積含量為0.1%時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值。可見(jiàn)，通過(guò)添加BF能夠顯著提高水泥砂漿的抗拉強(qiáng)度，但是BF的含量超過(guò)0.1%后抗拉強(qiáng)度下降，該結(jié)果與文獻(xiàn)[18]的結(jié)果一致。養(yǎng)護(hù)21 d后，不含BF試件的平均抗拉強(qiáng)度為1.84 MPa，BF含量為0.1%試件的平均抗拉強(qiáng)度為3.04 MPa，抗拉強(qiáng)度提高了65.2%。當(dāng)混凝土中含有一定數(shù)量的堿，骨料中存在相當(dāng)數(shù)量的活性成分時(shí)，在潮濕的環(huán)境下易發(fā)生堿硅酸反應(yīng)[19]。由于玄武巖纖維為活性成分，水泥中存在堿Na2O，試件在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中發(fā)生堿硅酸反應(yīng)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間超過(guò)28 d后，水泥的水化產(chǎn)物與玄武巖纖維的界面結(jié)合變差[20]，水泥砂漿的強(qiáng)度可能會(huì)隨著時(shí)間增加逐漸降低，但降低的幅度會(huì)越來(lái)越小。

圖3　試件抗拉強(qiáng)度隨BF含量的變化規(guī)律Fig.3　Basalt fiber content dependence of the tensile strength of specimens

圖4　養(yǎng)護(hù)21 d不含BF試件的加載曲線Fig.4　Load curve of specimen without BFafter curing 21 d

圖5　養(yǎng)護(hù)21 d不含BF試件的水平應(yīng)變場(chǎng)演化(a)示意圖;(b)加載步6的散斑圖;(c)加載步1;(d) 加載步2;(e)加載步3;(f)加載步4;(g)加載步5(h)加載步6 Fig.5　Evolution of horizontal strain field of specimen without BF after curing 21 d

為節(jié)省篇幅，以養(yǎng)護(hù)21 d纖維含量為0%和0.1%的兩組試件為例，分析不同BF含量試件在拉破壞過(guò)程中變形場(chǎng)的演化過(guò)程，計(jì)算過(guò)程中以加載步0的散斑圖為參考圖像。對(duì)于養(yǎng)護(hù)21 d不含BF的試件組，選取抗拉強(qiáng)度最接近平均抗拉強(qiáng)度的試件為例。圖4為選取的不含BF試件的加載-位移曲線，縱坐標(biāo)代表巴西劈裂試驗(yàn)中豎直方向受到的載荷，橫坐標(biāo)代表豎直方向的加載位移。根據(jù)公式(1)，試件的抗拉強(qiáng)度為1.70 MPa。在加載過(guò)程中，試件在豎直方向首先經(jīng)過(guò)壓密階段，然后經(jīng)過(guò)彈性變形和屈服過(guò)程，達(dá)到峰值載荷后，試件突然發(fā)生脆性破壞。

圖6　養(yǎng)護(hù)21 d BF含量為0.1%試件的加載曲線Fig.6　Load curve of specimen modified by 0.1% BF after curing 21 d

圖7　養(yǎng)護(hù)21 dBF含量為0.1%試件的水平應(yīng)變場(chǎng)演化(a)示意圖;(b)加載步6的散斑圖;(c)加載步1;(d)加載步2;(e)加載步3;(f)加載步4;(g)加載步5;(h)加載步6Fig.7　Evolution of horizontal strain field of specimen modified by 0.1% BF after curing 21 d

圖5為圖4中1～6加載步時(shí)試件的水平應(yīng)變場(chǎng)。圖5a為巴西劈裂試驗(yàn)的示意圖，虛方框代表計(jì)算區(qū)域。圖5b為加載步6對(duì)應(yīng)的散斑圖。在加載步1，試件處于彈性變形初期，水平應(yīng)變場(chǎng)較小，但是局部小區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變較大，最大值為2.5×10-3，因此在彈性變形的初期試件發(fā)生應(yīng)變集中，如圖5c。這與馬少鵬等研究結(jié)果一致，在低拉應(yīng)力下，大理巖圓孔試件在拉應(yīng)力集中部位發(fā)生變形局部化現(xiàn)象[15]。載荷增加，在加載步2局部小變形區(qū)的面積明顯增加，并且緊鄰的局部小變形區(qū)合并成局部大變形區(qū)，如圖5d。在加載步3，局部大變形區(qū)的面積隨載荷的增加顯著增加，如圖5e。在加載步4，載荷為峰值載荷的75.62%，局部大變形區(qū)之間相互合并形成應(yīng)變局部化帶，在底部和上部存在多條應(yīng)變局部化帶，此時(shí)應(yīng)變局部化帶并不穩(wěn)定，如圖5f。在加載步5，載荷達(dá)到峰值，應(yīng)變?cè)茍D上部中間區(qū)域形成穩(wěn)定的應(yīng)變局部化帶，最大水平應(yīng)變值為5×10-3，如圖5g。對(duì)于脆性材料，在拉應(yīng)力作用下，最初形成的多條應(yīng)變局部化帶并不穩(wěn)定，隨著應(yīng)力的增加，其中一條或多條應(yīng)變局部化帶形成穩(wěn)定的應(yīng)變局部化帶，該結(jié)果與文獻(xiàn)[15]報(bào)道的結(jié)果一致。加載步6，當(dāng)載荷超過(guò)峰值載荷后，試件所受載荷隨加載位移的增加迅速減小，應(yīng)變局部化帶演化成宏觀裂紋，裂紋迅速擴(kuò)展導(dǎo)致試件發(fā)生破壞，呈現(xiàn)典型的脆性破壞，CCD相機(jī)受拍攝速度所限無(wú)法拍攝到裂紋擴(kuò)展過(guò)程中試件的散斑圖，如圖5h。

BF含量為0.1%試件的平均抗拉強(qiáng)度為3.04 MPa，選取抗拉強(qiáng)度最接近平均抗拉強(qiáng)度的試件，分析在受拉應(yīng)力作用過(guò)程中不同階段的變形過(guò)程。圖6為養(yǎng)護(hù)21 d后BF含量為0.1%試件的加載-位移曲線，試件的峰值載荷為5.16 kN，抗拉強(qiáng)度為2.92 MPa。與圖4相比，圖6中試件達(dá)到峰值載荷后，載荷隨加載位移的增加逐漸降低，斷裂時(shí)對(duì)應(yīng)的加載位移為1.29 mm，與未加BF的試件相比，斷裂時(shí)的加載位移增加了7.6%。

圖7為BF含量為0.1%試件受拉過(guò)程中水平應(yīng)變場(chǎng)的演化過(guò)程，以加載步0的散斑圖作為參考散斑圖。圖7a為巴西劈裂試驗(yàn)示意圖，圖7b為加載步6對(duì)應(yīng)的散斑圖。加載步1處于彈性變形的初期，試件所受載荷較小，局部小區(qū)域內(nèi)發(fā)生應(yīng)變集中，應(yīng)變值為4×10-3，如圖7c。載荷增加，局部小變形區(qū)的面積增加，臨近的局部變形區(qū)合并成局部大變形區(qū)，隨后近鄰的局部大變形區(qū)合并形成應(yīng)變局部化帶，如圖7d～f。試件在峰值載荷的86.51%處形成應(yīng)變局部化帶，而未加BF的試件在峰值載荷的75.62%處形成應(yīng)變局部化帶?？梢?jiàn)，添加BF后，應(yīng)變局部化帶的形成位置更加靠近抗拉強(qiáng)度，該結(jié)果與文獻(xiàn)[21]的結(jié)論一致。在加載步5，載荷達(dá)到峰值，形成穩(wěn)定的應(yīng)變局部化帶，如圖7g。載荷再增加，載荷隨加載位移的增加迅速減小，但是載荷降低的趨勢(shì)明顯小于未加BF的試件。加載步6為破壞前的臨近點(diǎn)，裂紋貫穿試件，如圖7h。

3.3試件斷口的顯微形貌程

圖8　不同BF含量試件斷口SEM形貌(a)不含BF試件的斷口形貌(×200);(b)BF含量為0.1%試件的斷口形貌(×400)Fig.8　SEM images of fracture surface of samples with different basalt fiber content

圖8為試件斷口的SEM形貌圖。圖8a為不含BF試件斷口的SEM圖。未加BF的試件內(nèi)部存在較多微孔隙，孔隙大小一般小于80 μm，在加載過(guò)程中小孔隙周圍區(qū)域由于應(yīng)力集中，形成應(yīng)變局部化區(qū)域，導(dǎo)致變形的不均勻性。圖8b為BF含量為0.1%、養(yǎng)護(hù)28 d試件斷口的SEM圖。BF與水泥砂漿基體界面結(jié)合好，孔隙數(shù)目降低，與文獻(xiàn)[22]的結(jié)論一致。水泥砂漿試件中加入BF后，試件的抗拉強(qiáng)度提高，因此BF的抗拉強(qiáng)度大于水泥砂漿基體的抗拉強(qiáng)度。另外，根據(jù)試件拉破壞后的斷口形貌圖8b，BF裸露在斷口表面，BF表面比較光滑，說(shuō)明BF與水泥砂漿基體的粘結(jié)強(qiáng)度較低。養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d的試件，由于BF纖維與水泥砂漿基體的界面粘結(jié)強(qiáng)度低于水泥砂漿基體抗拉強(qiáng)度，試件拉破壞過(guò)程中水泥砂漿基體先破壞，而后BF從基體中撥出，BF是承受應(yīng)力的主要載體，拔出的過(guò)程中BF受到的拉應(yīng)力很大，發(fā)生斷裂。因此，加入BF后提高了水泥砂漿的抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率。當(dāng)BF的含量超過(guò)0.1%后，BF在水泥砂漿中分布不均勻，BF之間可能發(fā)生團(tuán)聚，造成試件內(nèi)部存在較多大孔隙，在加載過(guò)程中試件容易從孔隙處發(fā)生破壞，試件的抗拉強(qiáng)度降低。

4　結(jié)　論

(1) BF含量相同時(shí)，水泥砂漿的抗拉強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加先增加后減小，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為21 d左右，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值;

(2) 相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨BF含量的增加先增加后減小，BF含量為0.1%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值;

(3) 拉應(yīng)力較小時(shí)，試件的變形較均勻，局部小區(qū)域應(yīng)變值較??；拉應(yīng)力增加，局部小變形區(qū)的面積增大，近鄰局部大變形區(qū)合并成應(yīng)變局部化帶；應(yīng)變局部化帶演化成宏觀裂紋，裂紋擴(kuò)展使試件發(fā)生拉破壞;

(4) BF含量為0.1%時(shí)，試件的抗拉強(qiáng)度明顯提高，局部化帶形成時(shí)間晚于強(qiáng)度較低的試件。在拉破壞過(guò)程中，水泥砂漿先發(fā)生破裂，而后BF斷裂；BF的加入使水泥砂漿的脆性降低。

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Experimental Research on Tensile Failure of Cement Mortar Reinforced by Basalt Fiber

YANG Jian-lin1,2，WANG Lai-gui2，PAN Ji-wei2，XI Yan-hui2，LI Xi-lin3，LONG Lv-wei1

(1.College of Materials Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.College of Mechanics and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;3.College of Architecture and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

The evolution of deformation field for cement mortarr samples reinforced by basalt fiber (BF) under tensile stress are experimental studied by Brazilian split experiment and digital speckle correlation method in order to research the tensile failure procedures of cement mortarr samples. The results show:(1) the tensile strength of samples with same BF content first increases and then decreases with curing time.(2) the tensile strength for cement mortar samples with same curing time increases and then decreases with BF content.(3) the small local deformation regions localizes on the surface of cement mortar samples at early stage of loading,its area increase with tensile stress,localization band occurs by the means of merging adjacent local deformation regions,and it forms the macro crack that fails the sample.(4) with increasing BF content(<0.1%),the position in which localization band occurs by means of merging local deformation regions moves towards the load peak.(5) the tensile strength of cement mortar samples is improved because the connection strength between concrete grains is enhanced by BF,the fracture of silicates is early than BF when sample is failure.

basalt fiber reinforced cement mortarr;tensile failure;digital speckle correlation method;strain localization

國(guó)家自然科學(xué)基金(51404136，51274110，51304106)

楊建林(1980-)，男，博士，講師.主要從事事復(fù)合材料及巖土力學(xué)方面的研究.

TU452

A

1001-1625(2016)02-0536-07