混凝土凍融循環(huán)下動態(tài)破損機理的試驗研究

田 威， 韓 女， 張鵬坤

(長安大學 建筑工程學院, 西安 710061)

混凝土凍融循環(huán)下動態(tài)破損機理的試驗研究

田 威， 韓 女， 張鵬坤

(長安大學 建筑工程學院, 西安 710061)

對凍融環(huán)境下混凝土試樣進行了不同加載速率下的單軸壓縮試驗，得到了混凝土材料經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)下的質(zhì)量損失及破損形態(tài)，分析了凍融循環(huán)下混凝土試樣的全應力—應變曲線，并給出了其單軸極限抗壓強度、峰值應變隨加載速率的變化特征。通過運用CT細觀試驗的方法初步對經(jīng)歷不同加載速率下的試樣進行了細觀結(jié)構(gòu)分析。試驗結(jié)果表明：在相同加載率下，混凝土單軸動態(tài)極限抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低；在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，混凝土單軸動態(tài)極限抗壓強度隨加載速率的增大而提高;凍融循環(huán)作用下，在低加載速率下，混凝土試樣破壞時，裂紋數(shù)目較少，主要沿砂漿和交界面處擴展，破壞時呈現(xiàn)出集中式的分布；而在高加載速率下，裂紋逐漸變得分散，破壞時呈現(xiàn)彌散狀分布式的裂紋，隨著加載率的提高，裂紋穿過骨料的現(xiàn)象增多，骨料破壞數(shù)目呈指數(shù)形式增長。以此，通過試驗系統(tǒng)地研究了凍融循環(huán)下混凝土動態(tài)破損機理。

混凝土； 凍融循環(huán)； 加載速率； 細觀結(jié)構(gòu)

在土木工程中，各類混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常受到動荷載作用。由于混凝土是由水泥砂漿、粗細骨料和孔隙等構(gòu)成的具有復雜結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)復合材料體系，使得混凝土材料在動荷載作用下，其物理力學性能和變形能發(fā)生顯著改變,呈現(xiàn)出明顯的加載率效應[1-2]。而在我國西部寒區(qū), 混凝土材料還受到溫度,荷載等多種因素的影響, 其中凍融循環(huán)作用是導致混凝土各項力學性能退化及承載力降低的主要原因。因此研究低溫凍融循環(huán)下混凝土的動態(tài)力學性能具有重要的理論意義和工程實踐價值。

目前國內(nèi)外許多學者對凍融循環(huán)后混凝土的物理力學性質(zhì)以及破壞機理等方面開展了大量研究。商懷帥等[3]基于疲勞累積損傷理論，對混凝土的凍融損傷特性進行了可靠性分析。李金玉等[4]對凍融環(huán)境下混凝土破損機理進行了深入的研究。牛荻濤等[5]通過對混凝土凍融損傷特性的分析建立了凍融環(huán)境下混凝土損傷量與凍融循環(huán)次數(shù)的概率關系曲線, 并得到不同保證率下凍融循環(huán)累積損傷模型。為凍融環(huán)境下混凝土壽命預測提供了參考依據(jù)。施士升[6]對凍融循環(huán)下混凝土力學性能的影響進行了研究, 并用細觀方法研究了混凝土承受不同凍融循環(huán)后的結(jié)構(gòu)，以此研究了高強混凝土和普通混凝土力學性能的損傷和細觀性下的一種狀態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象。宋玉普等[7]對全級配及濕篩混凝土進行快速凍融循環(huán)試驗，結(jié)果表明全級配混凝土的抗凍性明顯低于濕篩混凝土。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，全級配混凝土與濕篩混凝土的抗壓強度與抗拉強度均明顯降低，但全級配混凝土的降低值較濕篩混凝土的降低值大，特別是抗拉強度，降低幅度更大。王立成[8]以混凝土凍融損傷后的單軸抗壓強度衰減規(guī)律為參數(shù)，對不同種類混凝上建立了考慮凍融循環(huán)次數(shù)影響的雙軸壓統(tǒng)一強度準則，并與前人試驗研究結(jié)果做了對比分析。閆東明等[9]研究了低溫條件下的混凝土在不同應變速率(10-5～10-2s-1) 下的動態(tài)壓縮試驗,系統(tǒng)研究了低溫度條件對混凝土材料動態(tài)抗壓強度特性的影響,探索了混凝土材料產(chǎn)生應變速率敏感性的內(nèi)在機理，發(fā)現(xiàn)動態(tài)抗壓強度隨應變速率增加而增加。施冠銀等[10]對陶粒混凝土的動態(tài)力學性能進行了研究，得出隨著凍融循環(huán)周次增加陶?；炷恋膭討B(tài)力學性能進而弱化, 動態(tài)壓縮強度隨著應變率的增加而增大, 并給出了凍融循環(huán)周次對陶?；炷羷討B(tài)壓縮強度的變化規(guī)律。陳有亮等[11]采用液壓伺服試驗系統(tǒng)對不同裂紋條數(shù)、經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后混凝土的力學性能進行試驗研究，分析不同裂紋條數(shù)、不同凍融循環(huán)次數(shù)對混凝土的抗壓強度、彈性模量和應力—應變關系等力學性能的影響。王海濤等[12]對全級配混凝土進行不同凍融循環(huán)次數(shù)的凍融循環(huán)試驗及不同應變速率的單軸動態(tài)抗壓試驗得到了全級配混凝土質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)呈二次曲線關系；在相同應變速率下，全級配混凝土單軸動態(tài)極限抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低；在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，全級配混凝土單軸動態(tài)極限抗壓強度隨應變速率的增大而提高。

目前對凍融循環(huán)下混凝土的研究大多集中在凍融循環(huán)后的力學特性和損傷可靠度等方面，其中對混凝土力學特性的研究主要集中在靜力學層面上，而對凍融循環(huán)下混凝土的動態(tài)力學特性研究仍較少。基于此,本文對凍融循環(huán)作用下混凝土試樣進行了4種不同加載速率下的單軸壓縮試驗，通過對試驗中測得的不同加載率下應力—應變?nèi)^程曲線的分析，研究了凍融循環(huán)下混凝土主要力學性能隨加載速率的變化規(guī)律。

1 試驗方法與步驟

1.1 試樣制備

試驗所用水泥為大同冀東42.5級普通硅酸鹽水泥，砂子采用山西陽高白登砂,骨料采用山西陽高大王石料場石子，粒徑為5～40 mm；試驗所用水為山西省飲用自來水；本次試驗的對象是規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm的二級配混凝土立方體試樣。表1為混凝土的配合比。

1.2 試驗設備和試驗方法

凍融設備采用山西省水利工程局實驗中心的北京大冷機電設備有限公司生產(chǎn)的KDR-111型混凝土快速凍融試驗機，如圖1所示。凍融試驗方法按照普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法[13]中抗凍性能試驗的“快凍法”進行，提前4天將試樣浸泡在溫度為(20±2)℃的水中，試樣中心溫度應分別控制在(-18±2) ℃和(5±2) ℃。每次凍融循環(huán)應在2～4 h內(nèi)完成，凍融循環(huán)次數(shù)分別為0, 25, 50, 75, 100次。對達到特定凍融循環(huán)次數(shù)后的混凝土試樣進行不同加載速率下的單軸壓縮試驗。

混凝土力學性能試驗采用SHT4605型微機控制電液液壓伺服試驗機試驗系統(tǒng)，如圖2所示。單軸抗壓試驗采用軸向位移控制，選定0.005 mm/s、0.1 mm/s、0.5 mm/s、1 mm/s四個加載速率。試樣加載面與加載板之間采取減摩措施，將兩層聚四氟聚乙烯塑料板減磨墊片粘貼到試樣表面，塑料板中間涂抹一層碳粉，以減小端面摩擦效應。試驗前預壓到2 kN，之后按照預定的加載速率對試樣進行逐組加載，直至破壞。試驗中確保每組至少有3個試樣，以保證試驗數(shù)據(jù)的準確性。

圖1 KDR?1快速凍融試驗機Fig．1 Rapidfreeze?thawtester圖2 電液液壓伺服試驗機Fig．2 Theelectric?fluidservocompressionmachine

2 試驗表觀特征

2.1 凍融循環(huán)試樣表觀破壞特征

經(jīng)歷25次凍融循環(huán)時混凝土試樣表面出現(xiàn)微小孔洞并伴有少量的水泥漿顆粒脫落，導致試樣表面發(fā)毛(粗糙)；經(jīng)歷50次凍融循環(huán)時試樣表面變得粗糙，表面的水泥漿剝落嚴重，掉渣較多，部分細骨料外露，同時試樣表面砂漿出現(xiàn)肉眼可見的細微裂紋；經(jīng)歷75次凍融循環(huán)時混凝土試樣表面骨料與水泥砂漿逐漸剝離、骨料外露并伴有棱角塊落現(xiàn)象，并且試樣棱角處表面砂漿伴有酥化的跡象，試樣變得疏松；經(jīng)歷100次凍融循環(huán)時試樣表面粗骨料與砂漿的剝離、露出大量粗骨料并大范圍的出現(xiàn)塊落和角落現(xiàn)象，裂紋呈現(xiàn)多方向的快速擴展如圖3所示。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土表觀特征

Fig.3 Failure appearance characteristics of sample subjected to different F-T cycles

2.2 單軸動態(tài)壓縮試驗下試樣的破壞特征

試樣加載時因采用了減磨措施，削減了加載板對混凝土試樣加載端面的箍束作用，單軸受壓破壞形態(tài)均為明顯的柱狀破壞。當加載速率為0.005 mm/s時，試樣端部開始出現(xiàn)大致平行于加載方向的微裂紋，但只有少數(shù)裂紋貫通上下截面，如圖4(a)所示；隨著加載速率的增大，豎向裂紋逐漸增多并向中部擴展，貫通的裂紋數(shù)目明顯增多，并伴有大量試樣碎屑的剝落，如圖4(b)和4(c)所示；當加載速率達到1 mm/s時，試樣破壞呈劈裂狀，表面布滿了貫通的縱向裂紋，試樣被全部壓碎，破壞嚴重，如圖4(d)所示。通過觀察試樣表面還可以發(fā)現(xiàn)文獻[14]中提出的加載速率提高時裂紋面出現(xiàn)的橋接現(xiàn)象，即材料表面裂紋是相互搭接、交錯分布的，并存在裂紋分支，如圖5所示。裂紋面的橋接使得混凝土試樣完全破裂后仍具有一定的承載能力。

混凝土在高加載率下的破壞形態(tài)同低加載率相比截然不同，同一凍融循環(huán)次數(shù)下隨著加載速率的增大混凝土試樣的破碎程度逐漸加劇，同時混凝土破裂面上的骨料被拉斷的比例隨著加載速率的增大而逐漸增大。加載速率為0.005 mm/s時，試樣骨料幾乎沒有出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象；加載速率為0.1 mm/s時，試樣骨料出現(xiàn)部分拉斷現(xiàn)象；加載速率為1 mm/s時，試樣骨料大范圍的被拉斷，如圖6所示。原因正如作者在文獻[15-16]中分析的：試樣在低加載速率下裂紋可以有較充分的時間選擇破裂路徑—骨料和砂漿之間的薄弱面起裂，然后沿著薄弱面在砂漿中擴展、貫通；而隨著加載速率的提高，裂紋來不及選擇最薄弱的破壞界面而直接穿透骨料，骨料被拉斷比例與加載速率關系曲線如圖7所示。此外隨著加載速率的增大混凝土試樣破壞時爆裂聲更清脆、響亮。說明隨著加載速率的增大骨料被迅速拉斷，材料的脆性也在不斷地增加。

圖4 50次凍融循環(huán)下不同加載速率單軸受壓表面破壞形態(tài)

圖5 不同加載速率下混凝土試樣裂紋面搭接現(xiàn)象

通過試驗數(shù)據(jù)得出50次凍融循環(huán)時3個試樣中骨料破壞數(shù)目和加載速率的回歸曲線和相關系數(shù)，由相關系數(shù)R2=0.952 2知回歸曲線與本文的試驗數(shù)據(jù)吻合較好。

(a)0．005mm/s(b)0．1mm/s

圖6 50次凍融循環(huán)下不同加載速率混凝土破壞斷面形態(tài)

圖7 骨料破壞數(shù)目與加載速率關系曲線

(1)

式中:Fn為骨料斷裂數(shù)目，s為不同加載速率。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 質(zhì)量損失

質(zhì)量損失率是評價混凝土抗凍性能的主要凍融性能指標之一，可以用來描述混凝土材料抗凍性能的大小，質(zhì)量損失率越小，表明材料的抗凍性能越好。圖8給出了質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。

圖8 質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關系

由圖8可知，凍融后混凝土試樣的質(zhì)量損失率總體上呈現(xiàn)出先減小后逐漸增加的趨勢。在經(jīng)歷25次凍融循環(huán)時，質(zhì)量損失率出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，原因主要是凍融循環(huán)初期由于孔隙水的作用，使得內(nèi)部微孔隙充滿水，導致試樣在飽和狀態(tài)下的含水率有所提高，質(zhì)量有所增加；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加，經(jīng)歷50次凍融循環(huán)時試樣質(zhì)量損失率出現(xiàn)上升的趨勢，表明試樣表面的微小損傷逐漸由外向內(nèi)擴展，試樣的表面變酥引起了片落甚至成塊的剝落出現(xiàn)，從而導致試樣的質(zhì)量損失值大于內(nèi)部孔隙含水量增加值，試樣的質(zhì)量降低；尤其是凍融循環(huán)次數(shù)超過100次后，眾多的微小裂紋已經(jīng)擴展為較寬的裂紋，塊落掉渣現(xiàn)象顯著，留下裸露的骨料以及大的砂礫，結(jié)構(gòu)變得疏松，質(zhì)量損失率上升明顯。

通過試驗數(shù)據(jù)得出質(zhì)量損失率和凍融循環(huán)次數(shù)的回歸關系如下式所示：

Dm=[-0.013 5-0.004 34n+0.000 1n2]

(2)

式中:Dm為質(zhì)量損失率，n為循環(huán)凍融次數(shù)，利用式(2)可估算具體循環(huán)凍融下混凝土的質(zhì)量變化情況。

3.2 凍融循環(huán)下單軸動態(tài)抗壓強度特征

3.2.1 凍融循環(huán)作用下不同加載速率的試樣應力-應變曲線

由圖9可以發(fā)現(xiàn)，加載速率在0.005～1 mm/s時，混凝土的應力-應變曲線變化規(guī)律經(jīng)歷3個階段：① 壓密階段；其曲線呈上凹形狀，隨應力增加變形發(fā)展較快，這是由于試樣內(nèi)的微裂紋和微孔洞被壓密而產(chǎn)生閉合；② 彈性變形階段；試樣中裂隙閉合的程度存在差異，所以各曲線的線性部分長度也不盡相同；③ 塑性變形到破壞階段；當軸向應力繼續(xù)增加，試樣中的應力超過了其強度值時，應力—應變曲線呈下降趨勢，破壞表現(xiàn)為峰值應力點的突然脆性破壞。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，峰值點荷載不斷降低，相應的峰值應變也顯著地增大。

3.2.2 凍融循環(huán)下加載速率對極限抗壓強度的影響

單軸抗壓強度是衡量混凝土材料力學特性的重要指標之一，能夠比較直觀地反映加載速率、凍融循環(huán)等因素對其力學特性的影響。

圖9 加載率1 mm/s時不同凍融循環(huán)次數(shù)應力應變曲線

表2 單軸動態(tài)極限抗壓強度平均值

從表2可以看出，以75次凍融循環(huán)為例，4種不同加載速率下混凝土試樣的極限抗壓強度均值分別為36.03 MPa、41.46 MPa、42.38 MPa、43.34 MPa，說明相同凍融循環(huán)次數(shù)下混凝土單軸動態(tài)極限抗壓強度隨著加載速率的增大而逐漸增大；而在加載速率相同的情況下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，單軸動態(tài)極限抗壓強度降低?？梢娂虞d速率與混凝土材料的單軸動態(tài)極限抗壓強度有著密不可分的關系。

圖10給出了不同加載速率下單軸動態(tài)極限抗壓強度損失率與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關系，圖中以0次凍融循環(huán)下加載速率的數(shù)據(jù)為基準。由圖可以看出，混凝土在25、50、75、100次凍融循環(huán)后單軸動態(tài)極限抗壓強度在加載速率為0.1 mm/s時損失最多，凍融循環(huán)100次后單軸動態(tài)極限抗壓強度損失率為30.82%。在同一加載速率下，混凝土單軸動態(tài)極限抗壓強度損失率隨著循環(huán)凍融次數(shù)的增加而逐漸提高。

圖11給出了不同凍融循環(huán)下混凝土單軸動態(tài)極限抗壓強度增長率與加載速率之間的關系，圖中以不同凍融循環(huán)次數(shù)下加載速率為0.005 mm/s的數(shù)據(jù)為基準。由圖可知，混凝土單軸動態(tài)極限抗壓強度在加載速率為0.1 mm/s時強度提高較快，特別是75次凍融循環(huán)時，極限抗壓強度增長率出現(xiàn)驟增，增長率為15%。在同一加載速率下，0次～75次凍融循環(huán)時混凝土單軸動態(tài)極限抗壓強度增長率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而大體呈現(xiàn)增大的趨勢。在同一凍融循環(huán)次數(shù)下，動態(tài)極限抗壓強度隨著加載速率的增大而逐漸增大。

圖10 單軸動態(tài)極限抗壓強度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的關系

圖11 單軸動態(tài)極限抗壓強度增長率隨加載速率的關系

3.2.3 凍融循環(huán)下加載速率對峰值應變的影響

通過試驗獲得0次、25次、50次、75次、100次凍融循環(huán)下的混凝土試樣在不同加載速率下的峰值應變，文中以75次凍融循環(huán)的峰值應變隨不同加載速率的變化規(guī)律為例進行分析。從圖12可以看出：隨著加載速率的增大，峰值應變呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。當加載速率從0.005 mm/s 增大至1 mm/s 時，混凝土的峰值應變從2.12×10-3降低到1.071×10-3，降低幅度約為49%，降幅非常顯著。

3.3 凍融循環(huán)下的細觀破損結(jié)果分析

CT試驗利用太原市醫(yī)院的SIEMENS16排螺旋CT機， 試驗參數(shù)：電壓140 kV,電流313 mA。掃描方案：每次在不同速率加載下立即進行CT 掃描,試驗立方體試樣沿橫斷面以層厚0.6 mm進行連續(xù)掃描，獲取了170幅二維斷層掃描CT圖像。圖像尺寸為512像素×512像素，由于斷面較多，限于篇幅本文僅選取試樣中典型掃描斷面圖像進行分析，如圖13所示。

圖12 75次凍融循環(huán)峰值應變與加載速率變化的關系

圖13 掃描斷面隨凍融次數(shù)變化的CT圖像

對獲得的CT 圖像進行等密度分割(見圖14)，其中定義CT 均值在0-1000區(qū)域為黑色,代表孔洞及裂紋區(qū)域。1001-1900區(qū)域為灰白色, 實質(zhì)上是代表砂漿區(qū)域。1901-3295 區(qū)域為灰黑色, 實質(zhì)上是代表高強骨料區(qū)域。從等密度分割圖中可以發(fā)現(xiàn)：在低加載速率下，裂紋數(shù)目較少，主要沿砂漿和交界面處擴展，破壞時呈現(xiàn)出集中式的裂紋分布；而在高加載速率下，裂紋逐漸變得分散，破壞時呈現(xiàn)彌散狀裂紋分布式，隨著加載速率的提高，裂紋穿越骨料的現(xiàn)象明顯增多。結(jié)果印證了文獻[17]中提出的：“一個系統(tǒng)發(fā)生破壞總是選擇單位時間內(nèi)消耗能量最小的方式進行。由于骨料的不規(guī)則性，相同時間內(nèi)裂紋擴展繞過骨料比直接穿過骨料需要更快的速度，裂紋擴展的速度越快，需要消耗的能量就越大。”的觀點。說明當?shù)图虞d速率時，裂紋擴展需要消耗的能量較小，裂紋追隨結(jié)構(gòu)最薄弱面向前發(fā)展；當加載速率增加導致裂紋繞過骨料需要消耗更多的能量，裂紋會追隨能量釋放最快路徑擴展,即直接穿過骨料發(fā)生破壞。隨著加載速率的提高，這種速度效應越加明顯，因此有更多的裂紋穿過骨料，使得混凝土動強度提高。

圖14 掃描斷面隨凍融次數(shù)變化的等密度分割圖像

4 結(jié) 論

本文以凍融循環(huán)下混凝土在不同加載速率的單軸壓縮試驗為基礎，將凍融與動態(tài)力學研究進行結(jié)合，對凍融循環(huán)下不同加載速率下的混凝土強度特性進行了研究，分析了混凝土單軸動態(tài)極限抗壓強度與加載速率及凍融循環(huán)次數(shù)的關系，得出以下結(jié)論：

(1) 凍融循環(huán)作用時不同加載速率下試樣應力-應變曲線變化規(guī)律經(jīng)歷壓密階段；彈性變形階段；塑性變形到破壞階段；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，峰值點荷載不斷降低，相應的峰值位移也顯著的增大。

(2) 在加載速率相同的情況下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土單軸極限抗壓強度降低；凍融循環(huán)次數(shù)相同時，混凝土單軸極限抗壓強度隨加載速率的增大而提高。

(3) 凍融循環(huán)作用下，混凝土試樣在低加載速率破壞時，裂紋數(shù)目較少，主要沿砂漿和交界面處擴展，破壞時呈現(xiàn)出集中式的分布；而在高加載速率下，裂紋逐漸變得分散，破壞時呈現(xiàn)彌散狀分布，隨著加載速率的提高，裂紋穿過骨料的現(xiàn)象明顯增多，骨料破壞數(shù)目呈指數(shù)形式增長。

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Experimental study on the dynamic damage mechanism of concrete under freeze-thaw cycles

TIAN Wei, HAN Nü, ZHANG Pengkun

(School of Civil Engineering, Chang’an University, Xi’an 710061, China)

The concrete specimen under freeze-thaw environment was experimentally studied through uniaxial compression test with different loading rates. The mass loss of specimen was measured after different freeze-thaw cycles. The complete stress-strain curve of specimen was analyzed. And the variation characteristic of uniaxial compressive strength, peak strain varying with loading rate was given. A preliminary study on the meso-structure of specimen with different loading rates was analyzed by the application of CT technology. The results indicate that the dynamic ultimate compressive strength decreases with the increasing of freeze-thaw cycles under the same loading rates, and that the dynamic ultimate compressive strength raises with the increasing of loading rates under the same freeze-thaw cycles. Cracks appearing in these specimens under low loading rates are less and propagate mainly along the weak interface, which present centralized formation. On the contrary, cracks gradually become scattered at high loading rates, which become reticular formation as well. The cracks penetrate the aggregates evidentially increase with loading rates and the number of aggregating fracture increase at exponential speed. Based on the above data, the dynamic damage mechanism of concrete was systematic studied under freeze-thaw cycles.

concrete; F-T cycle; loading rate; meso-structure

國家自然科學基金項目(51009010;51379015;51579013)；陜西省博士后科學基金資助項目(110413); 陜西省自然科學基金資助項目(2015JM5160)

2016-01-07 修改稿收到日期：2016-03-28

田威 男，博士，副教授，1981年生

TU48

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.08.013