再生陶瓷混凝土抗壓強(qiáng)度及彈性模量試驗(yàn)研究

王伊 黃宏 帥子坤 胡文斌

摘要：【目的】為研究不同再生陶瓷骨料類型和取代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，利用再生陶瓷細(xì)骨料以0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%取代率等質(zhì)量替換天然河砂制作再生陶瓷細(xì)骨料混凝土（CRFC）。【方法】在再生陶瓷細(xì)骨料全取代（100%）天然細(xì)骨料的基礎(chǔ)上，采用再生陶瓷粗骨料等質(zhì)量替換天然碎石制作再生陶瓷粗細(xì)骨料混凝土（CRC），研究CRFC和CRC的物理性能和力學(xué)性能，分析廢棄墻地磚陶瓷作為混凝土再生骨料的可行性?！窘Y(jié)果】研究表明：采用再生陶瓷細(xì)骨料取代天然細(xì)骨料配制的CRFC在和易性、抗壓強(qiáng)度和彈性模量等性能方面與普通混凝土相差不大；CRC的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨再生陶瓷粗骨料取代率的增加而顯著降低。【結(jié)論】廢棄陶瓷磚可以作為粗、細(xì)骨料用于制備混凝土。采用再生陶瓷粗骨料時(shí)需要根據(jù)其吸水率加入附加用水以確?；炷涟韬衔锏暮鸵仔?；界面過渡區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度和粗骨料類型是分別影響CRFC和CRC破壞形態(tài)的主要因素；再生陶瓷細(xì)骨料全部取代天然細(xì)骨料時(shí)，建議再生陶瓷粗骨料取代率小于50%。

關(guān)鍵詞：再生陶瓷混凝土；粗骨料；細(xì)骨料；抗壓強(qiáng)度；彈性模量

中圖分類號(hào)：T528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

本文引用格式：王伊，黃宏，帥子坤，等. 再生陶瓷混凝土抗壓強(qiáng)度及彈性模量試驗(yàn)研究[J]. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2024，41（1）：38-45.

Experimental Study on Compressive Strength and Elastic Modulus

of Recycled Ceramic Concrete

Wang Yi1，2， Huang Hong1，2， Shuai Zikun1，2， Hu Wenbin1，2

（1. State Key Laboratory of Performance Monitoring and Protecting of Rail Transit Infrastructure， East China Jiaotong

University， Nanchang 330013， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， East China

Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： 【Objective】Recycled ceramic fine aggregate was used to replace natural river sand with a quality of 0， 10%， 20%， 30%， 40%， 50%， 60%， 70%， 80%， 90%， and 100% replacement rate to create recycled ceramic fine aggregate concrete （CRFC） to investigate the effects of various types and replacement rates of recycled ceramic aggregate on the compressive strength and modulus of elasticity of concrete. 【Method】To create recycled ceramic coarse and fine aggregate concrete （CRC）， natural gravel was substituted based on the replacement rate of recycled ceramic fine aggregate （100%） with natural fine aggregate. The physical and mechanical properties of CRFC and CRC were investigated， as well as the viability of using wasted tile ceramics as recycled concrete aggregate. 【Result】The results show that： The workability， compressive strength， and elastic modulus of CRFC made with recycled ceramic fine aggregate are similar to those of normal concrete. As the replacement rate of recycled ceramic coarse aggregate increased， the compressive strength and elastic modulus of CRC dropped dramatically. 【Conclusion】 Waste ceramic bricks can be utilized as coarse and fine aggregate in concrete preparation. To ensure concrete workability while utilizing recycled ceramic coarse aggregate， additional water should be supplied by its water absorption rate. The bond strength in the interfacial transition zone and coarse aggregate type are the main factors influencing the failure patterns of CRFC and CRC， respectively. It is suggested that the replacement rate of recycled ceramic coarse aggregate is less than 50% when natural fine aggregate is totally replaced by recycled ceramic fine aggregate.

Key words： recycled ceramic aggregate concrete; coarse aggregate; fine aggregate; compressive strength; elastic modulus

Citation format：WANG Y， HUANG H， SHUAI Z K， et al. Experimental study on compressive strength and elastic modulus of recycled ceramic concrete[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（1）： 38-45.

【研究意義】對(duì)廢棄陶瓷進(jìn)行回收加工成再生陶瓷粗、細(xì)骨料替代混凝土中天然碎石、砂制備再生陶瓷混凝土，既可以解決大量廢棄陶瓷造成的環(huán)境問題和材料浪費(fèi)，又可以緩解天然資源的短缺。

【研究進(jìn)展】廢棄陶瓷可根據(jù)不同骨料粒徑配制為再生陶瓷粗骨料混凝土[1-3]、再生陶瓷細(xì)骨料混凝土[4]及陶瓷摻合料混凝土[5-6]?？箟簭?qiáng)度和彈性模量是混凝土關(guān)鍵的力學(xué)性能。近年來(lái)學(xué)者們針對(duì)抗壓強(qiáng)度和彈性模量對(duì)再生混凝土進(jìn)行研究，得出了多種不同的結(jié)論。Medina等[7-9]指出陶瓷粗骨料因比表面積大，使其與水泥砂漿黏結(jié)較強(qiáng)，從而提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。Rashid等[10]的研究表明陶瓷粗骨料取代率為20%～30%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度均高于對(duì)照組。Anderson等[11]研究發(fā)現(xiàn)，取代率為100%時(shí)，地磚、墻磚和廢瓦粗骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度分別比普通混凝土降低了4.3%、5.6%和28.3%，而彈性模量值則提高了26.9%。Alves等[12]發(fā)現(xiàn)取代率為100%的再生磚細(xì)骨料和再生衛(wèi)生陶瓷細(xì)骨料混凝土與對(duì)照組的彈性模量相比最大降幅分別為26%和29%。

【創(chuàng)新特色】綜上所述，不同再生陶瓷骨料類型和不同取代率對(duì)再生陶瓷混凝土力學(xué)性能的影響也不同，對(duì)于同時(shí)取代再生陶瓷粗、細(xì)骨料混凝土的研究也鮮少報(bào)道。本文的研究目的是探討再生陶瓷細(xì)骨料與天然砂的替代方案，以及不同取代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響，并評(píng)估再生陶瓷作為混凝土骨料的可行性?！娟P(guān)鍵問題】探究再生陶瓷混凝土的力學(xué)性能有利于擴(kuò)大再生陶瓷骨料在實(shí)際工程中的應(yīng)用范圍，并提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 再生陶瓷混凝土材料

再生陶瓷骨料來(lái)源于江西省高安市某加工廠加工的廢棄瓷板。將廢棄瓷板經(jīng)除土處理后，通過機(jī)器破碎、篩分成粒徑小于2 mm的陶瓷細(xì)骨料及5～20 mm的陶瓷粗骨料。圖1為陶瓷骨料樣本，其中陶瓷粗骨料（ceramic coarse aggregate， CCA， 圖1（a））為淡褐色，粒形多呈方矩體，大部分粗骨料帶釉面，顆粒尖銳有棱角；陶瓷細(xì)骨料（ceramic fine aggregate， CFA， 圖1（b））為白色或灰白色，表面細(xì)膩。天然砂（簡(jiǎn)稱NFA）為贛江河砂，天然碎石（簡(jiǎn)稱NCA）為石灰?guī)r礫石，水泥為普通硅酸鹽P·O 42.5級(jí)水泥，拌合水為自來(lái)水。與天然粗骨料相比，再生陶瓷粗骨料表觀密度較?。ū?），表觀密度越小孔隙率越大，孔隙率越大吸水率也越大。為了確定其飽和面干吸水率，根據(jù)《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52—2006）對(duì)陶瓷骨料和普通骨料進(jìn)行了烘干測(cè)試，并將其浸泡時(shí)長(zhǎng)分別設(shè)定為2，5，10 min，表1為再生陶瓷骨料和天然骨料的主要指標(biāo)性能。

1.2 骨料的顆粒級(jí)配

表2為陶瓷骨料和天然骨料的篩余率。級(jí)配分別采用粗骨料連續(xù)粒級(jí)5～16 mm和細(xì)骨料Ⅰ級(jí)配區(qū)。表2和圖2表明本文采用的再生陶瓷粗、細(xì)骨料達(dá)到了普通混凝土標(biāo)準(zhǔn)要求，可以用于制備再生陶瓷混凝土。

1.3 混凝土配合比

研究中，將再生陶瓷骨料類型和取代率作為主要參數(shù)，并分兩批制備再生陶瓷混凝土，兩批混凝土的取代率均為0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%。不同的是第一批混凝土的粗骨料仍然采用天然粗骨，細(xì)骨料采用再生陶瓷細(xì)骨料等質(zhì)量取代天然砂，制備再生陶瓷細(xì)骨料混凝土（ceramic recycled fine concrete， CRFC）。第二批混凝土的細(xì)骨料全部采用再生陶瓷細(xì)骨料，在此基礎(chǔ)上天然粗骨料被再生陶瓷粗骨料等質(zhì)量取代，制備再生陶瓷粗細(xì)骨料混凝土（ceramic recycled concrete， CRC）。每組試塊由6個(gè)立方體（150 mm×150 mm×150 mm）和6個(gè)棱柱體（150 mm×150 mm×300 mm）組成，總計(jì)264個(gè)，用于測(cè)量7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度和彈性模量。同時(shí)，陶瓷細(xì)骨料取代率為0%的混凝土是普通混凝土（normal concrete， NC）。

試驗(yàn)中以再生陶瓷細(xì)骨料取代率為0%的普通混凝土作為基準(zhǔn)配合比，保持凈水灰比為0.45不變，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40。采用坍落度試驗(yàn)確定混凝土拌合物的和易性。經(jīng)試配后發(fā)現(xiàn)，普通混凝土和CRFC可以達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)程中和易性要求，而按照普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)的CRC出現(xiàn)水泥砂漿不足，無(wú)法包裹住陶瓷顆粒，無(wú)法振搗的情況。原因是再生陶瓷粗骨料比天然碎石孔隙率大吸水率高，在拌合過程中陶瓷骨料吸附了用于水化反應(yīng)的自由水，導(dǎo)致混凝土和易性變差。為了確保再生陶瓷粗骨料混凝土的凈水灰比保持在0.45，本文提出了一種基于自由水灰比的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，即混凝土中的水由自由水和附加水組成，以確?；炷恋馁|(zhì)量和性能。根據(jù)表1再生陶瓷骨料吸水率試驗(yàn)結(jié)果，陶瓷粗骨料在水中完全浸泡5 min后，其內(nèi)部水基本達(dá)到飽和。取5 min時(shí)再生陶瓷粗骨料的吸水率為CRC的附加用水量，各組混凝土的附加水量列于表3。加入附加水后，CRC坍落度達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)。

取代率r的計(jì)算方法為：浸水5 min后的再生陶瓷骨料的質(zhì)量（干燥的陶瓷骨料和附加水）與所有粗骨料總質(zhì)量（浸水后的陶瓷骨料和天然骨料）的比值。按照《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55—2011）計(jì)算出不同取代率下CRFC和CRC的配合比，各組混凝土配合比如表3所示，表中NC代表普通混凝土。CRFC-10中CRFC代表再生陶瓷細(xì)骨料混凝土，10代表陶瓷細(xì)骨料取代率為10%；CRC-100-10中CRC代表再生陶瓷粗、細(xì)骨料混凝土，100代表細(xì)骨料取代率為100%，10代表粗骨料取代率為10%，以此類推。

1.4 試驗(yàn)方法

混凝土攪拌設(shè)備為45 L混凝土單臥軸臥式混凝土攪拌機(jī)。在拌和之前，對(duì)粗、細(xì)骨料進(jìn)行含水率計(jì)算，并根據(jù)表3中的混凝土配合比配制出各組混凝土。在攪拌過程中，先將粗骨料與總用水（自由水和附加水）倒入攪拌機(jī)使其進(jìn)行預(yù)浸泡，5 min后加入水泥，攪拌90 s后添加細(xì)骨料，最后混凝土攪拌機(jī)再運(yùn)轉(zhuǎn)180 s，直到混凝土攪拌均勻后倒入立方體和棱柱體模具中。將模具放在振搗臺(tái)上振搗1 min，然后用塑料保鮮膜將其封口，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，經(jīng)過24 h的養(yǎng)護(hù)。取出后，將脫模后的試塊放置在常溫環(huán)境下（溫度高于20 ℃），并覆蓋上混凝土養(yǎng)護(hù)布，以確保溫度和濕度保持穩(wěn)定，然后在養(yǎng)護(hù)布上灑水養(yǎng)護(hù)7 d，最后自然養(yǎng)護(hù)21 d。圖3為養(yǎng)護(hù)24 h脫模后普通混凝土與取代率為100%的CRFC和CRC的表面狀態(tài)，可以看出普通混凝土、CRFC和CRC分別處于基本干燥、半濕潤(rùn)和完全濕潤(rùn)狀態(tài)。這是因?yàn)樘沾晒橇暇哂休^高的吸水率，且陶瓷粗骨料的表觀密度孔隙率小于陶瓷細(xì)骨料，拌合過程中附加水保存在陶瓷骨料的孔隙中，隨著時(shí)間推移附加水逐漸從骨料中擴(kuò)散至骨料表面參與水化反應(yīng)或蒸發(fā)，這使再生陶瓷混凝土在脫模前后即養(yǎng)護(hù)初期具有更好的養(yǎng)護(hù)效果。分別在第7天和第28天對(duì)混凝土試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度及彈性模量測(cè)試，測(cè)試過程選用WHY-2000型微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)。以0.5 MPa/s的速度持續(xù)均勻地對(duì)試塊施加壓力，直至試塊破壞，試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表觀密度及塌落度

各組混凝土拌合物的坍落度和表觀密度列于表4，表中fcu，7和fcu，28分別為混凝土7，28 d立方體抗壓強(qiáng)度；Ecm為混凝土彈性模量實(shí)測(cè)值；Δ為與對(duì)照組混凝土的相對(duì)差值。圖4為不同類型的陶瓷骨料和不同取代率下混凝土拌合物的表觀密度，CRFC和CRC在相同體積下，其質(zhì)量都比普通混凝土小。這是因?yàn)樘沾晒橇系谋碛^密度比天然骨料小，隨陶瓷骨料取代率的提高，拌合物的密度也會(huì)下降。當(dāng)陶瓷細(xì)骨料取代率為100%，陶瓷粗骨料取代率大于30%時(shí)，再生陶瓷混凝土的表觀密度小于1 950 kg/m3，根據(jù)《輕鋼輕混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 383—2016）可被劃分為輕質(zhì)混凝土。圖5為不同陶瓷骨料類型和取代率下混凝土拌合物的坍落度，各組混凝土拌合物的坍落度在165～190 mm，根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）屬于S4級(jí)混凝土拌合物（坍落度＞160 mm），這表明采用本文提出的配合比配制的再生陶瓷混凝土與一般普通混凝土在和易性方面沒有顯著差異，各組混凝土均能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 破壞形態(tài)

對(duì)CRFC和CRC進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，得到其最終破壞形態(tài)，CRFC試塊的破壞形態(tài)主要分為兩種：界面過渡區(qū)破壞和整體剪切破壞，兩種破壞形態(tài)分別如圖6（a），圖6（b）所示。CRFC試塊的取代率為50 %時(shí)發(fā)生界面過渡區(qū)破壞（圖6（a）），從斷裂面可以看到天然粗骨料較完整，并未發(fā)現(xiàn)貫穿粗骨料裂縫，斷面均發(fā)生在粗骨料與水泥砂漿界面過渡區(qū)，形成與受壓方向平行的多個(gè)裂縫面，當(dāng)裂縫貫通整個(gè)試件后，即為界面過渡區(qū)劈裂破壞。CRFC試塊的取代率為80%時(shí)發(fā)生整體剪切破壞（圖6（b）），混凝土破壞面上未觀測(cè)到天然粗骨料，與取代率為50%的試塊相比，斷面發(fā)生在細(xì)骨料與水泥砂漿界面過渡區(qū)，將試塊分成一大一小兩個(gè)相對(duì)完整的塊體，且斷裂表面較平整。剝開小塊體發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)部裂縫與混凝土表面呈45°～60°夾角，試塊發(fā)生剪切破壞。圖6（c）為取代率100%的CRFC試塊，與取代率50%的試件一樣發(fā)生了界面過渡區(qū)破壞，這說明對(duì)于CRFC，天然粗骨料與陶瓷細(xì)骨料之間的界面過渡區(qū)的黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)該類混凝土的破壞形態(tài)有顯著影響。

圖6（d）～圖6（f）分別是陶瓷粗骨料取代率為20%，50%和100%的CRC試件的破壞形態(tài)。從圖中可以看出，CRC的破壞形態(tài)均為裂縫貫穿陶瓷粗骨料導(dǎo)致混凝土斷裂面大多發(fā)生在陶瓷粗骨料內(nèi)部。對(duì)比相同陶瓷細(xì)骨料取代率（100%）下不同粗骨料類型（圖6（c）、圖6（f））可以發(fā)現(xiàn)，CRC因陶瓷粗骨料被壓碎形成較明顯的錐形破壞，而天然粗骨料試塊（圖6（c））并沒有發(fā)生明顯的錐形破壞。這是由于陶瓷粗骨料吸水率高孔隙率大，在生產(chǎn)過程中導(dǎo)致陶瓷粗骨料內(nèi)部存在微裂縫，陶瓷粗骨料比天然粗骨料更容易被壓碎開裂。對(duì)于CRC，粗骨料類型是影響該類混凝土破壞形態(tài)的主要因素。

2.3 抗壓強(qiáng)度

CRFC和CRC的7 d和28 d立方體抗壓強(qiáng)度顯著不同，具體數(shù)據(jù)可見表4和圖7。從表4和圖7（a）可以看出，隨陶瓷細(xì)骨料取代率的增加，CRFC的抗壓強(qiáng)度會(huì)略微降低，其中最低值出現(xiàn)在取代率為70%時(shí)，7 d 和28 d抗壓強(qiáng)度分別為37.64 MPa和42.91 MPa，達(dá)到NC抗壓強(qiáng)度的95.9%和86.7%，滿足規(guī)范中對(duì)C40混凝土強(qiáng)度要求?？箟簭?qiáng)度降低的主要原因是一方面與細(xì)骨料相比粗骨料對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響更明顯；另一方面從破壞形態(tài)上看，陶瓷細(xì)骨料與天然粗骨料之間界面過渡區(qū)黏結(jié)強(qiáng)度低于天然粗細(xì)骨料的黏結(jié)強(qiáng)度。CRFC的抗壓強(qiáng)度略低于NC的抗壓強(qiáng)度，但CFA取代率對(duì)其影響不大。

圖7（b）為不同陶瓷粗骨料取代率的CRC的立方體抗壓強(qiáng)度，在陶瓷細(xì)骨料全部取代天然細(xì)骨料的情況下，CRC的抗壓強(qiáng)度隨陶瓷粗骨料取代率的增加呈線性下降。取代率為100%的CRC的7 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為23.71 MPa和31.63 MPa，僅為NC抗壓強(qiáng)度的60.5%和63.9%。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)C40等級(jí)混凝土的抗壓強(qiáng)度范圍的取值，陶瓷粗骨料取代率＞50%的CRC抗壓強(qiáng)度均小于40 MPa，不符合設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)C40等級(jí)混凝土的要求。

2.4 混凝土彈性模量

不同陶瓷取代率的CRFC和CRC的彈性模量實(shí)測(cè)值見表4和圖8。CRFC和CRC彈性模量趨勢(shì)與其抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)一致。對(duì)于CRFC，陶瓷細(xì)骨料取代率為0～100%時(shí)，其彈性模量為29 377～31 707 MPa，略低于普通混凝土；對(duì)于CRC隨著陶瓷粗骨料取代率增大彈性模量降低，尤其取代率＞80%后，彈性模量線性降低，取代率為100%的CRC降低到22 426 MPa，為普通混凝土的69.4%。對(duì)比CRFC和CRC彈性模量實(shí)測(cè)值曲線可以發(fā)現(xiàn)，取代率＜50%時(shí)，陶瓷骨料對(duì)兩種陶瓷混凝土的影響趨勢(shì)一致，取代率≥50%后，陶瓷粗骨料對(duì)CRC彈性模量的降低影響更明顯。總體上看，再生陶瓷細(xì)骨料取代率對(duì)混凝土彈性模量的影響不大，而再生陶瓷粗骨料取代率≥50%時(shí)，混凝土的彈性模量會(huì)顯著降低。

3 結(jié)論

1） 廢棄陶瓷磚可以作為粗、細(xì)骨料用于制備混凝土。采用再生陶瓷粗骨料時(shí)需要根據(jù)其吸水率加入附加用水以確?；炷涟韬衔锏暮鸵仔浴?/p>

2） 再生陶瓷細(xì)骨料混凝土的破壞形態(tài)主要分為兩種：界面過渡區(qū)破壞和整體剪切破壞，天然粗骨料與陶瓷細(xì)骨料之間的界面過渡區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)破壞形態(tài)有顯著影響。再生陶瓷粗細(xì)骨料混凝土的破壞形態(tài)均為陶瓷粗骨料斷裂破壞，粗骨料類型是影響再生陶瓷粗細(xì)骨料混凝土破壞形態(tài)的主要因素。

3） 保持天然粗骨料不變，采用再生陶瓷細(xì)骨料取代天然細(xì)骨料配制CRFC。隨再生陶瓷細(xì)骨料取代率的增加，混凝土7 d抗壓強(qiáng)度先下降后略微上升，變化幅度為-4.03%～8.24%；28 d抗壓強(qiáng)度略微下降，下降幅度為-1.78%～-13.35%；彈性模量為29 377～31 707 MPa，略低于普通混凝土。

4） 再生陶瓷細(xì)骨料全部取代天然細(xì)骨料時(shí)，采用再生陶瓷粗骨料取代天然粗骨料配制CRC?；炷恋目箟簭?qiáng)度和彈性模量隨再生陶瓷粗骨料取代率的增加而明顯降低。再生陶瓷細(xì)骨料全部取代天然細(xì)骨料時(shí)，建議再生陶瓷粗骨料取代率小于50%。

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第一作者：王伊（1994—），女，博士研究生，研究方向?yàn)殇?新型混凝土組合結(jié)構(gòu)。E-mail：wangyi2528@yeah.net。

通信作者：黃宏（1977—），女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，江西省青年科學(xué)家（井岡之星）培養(yǎng)對(duì)象，研究方向?yàn)殇?新型混凝土組合結(jié)構(gòu)。E-mail： huanghong1977@foxmail.com。