超早強(qiáng)半柔性路面在市政路口的應(yīng)用研究

鄧　成， 黃　沖， 洪錦祥， 趙堂金， 張德育

(1.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇省建筑科學(xué)研究院， 江蘇 南京　211103；　2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司， 江蘇 南京　211103；　3.南京天印市政工程材料有限公司， 江蘇 南京　211103)

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超早強(qiáng)半柔性路面在市政路口的應(yīng)用研究

鄧成1，2， 黃沖1，2， 洪錦祥1，2， 趙堂金3， 張德育1，2

(1.高性能土木工程材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇省建筑科學(xué)研究院， 江蘇 南京211103；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司， 江蘇 南京211103；3.南京天印市政工程材料有限公司， 江蘇 南京211103)

[摘要]針對市政道路交叉路口車轍問題突出且難處置的現(xiàn)狀，提出采用超早強(qiáng)半柔性路面技術(shù)進(jìn)行處置的方法。通過對超早強(qiáng)半柔性路面材料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究和實(shí)體工程鋪筑，結(jié)果表明，超早強(qiáng)半柔性路面材料應(yīng)用在市政道路交叉路口，路面整體承載能力大幅提高，動穩(wěn)定度可以達(dá)到29 930次·mm(-1)，可以比較徹底地解決其車轍問題，并能滿足市政路口改造后需要快開放交通、使用壽命長久的需求，其全壽命周期成本低于4.2元/(m2·cm·年)，具有很好的應(yīng)用前景。

[關(guān)鍵詞]半柔性路面； 超早強(qiáng)； 市政路口； 抗車轍； 快開放交通； 施工工藝

1概述

車轍是瀝青路面最常見的病害之一，是重復(fù)行車荷載作用下路面不可恢復(fù)應(yīng)變的累積變形及行車荷載作用下的壓密變形。車轍的存在影響了路面的平整度，降低了道路服務(wù)質(zhì)量，影響了行車安全，并且能夠進(jìn)一步引起裂縫、坑槽等其它路面破壞，縮短路面使用壽命[1-3]。有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，在許多國家瀝青路面維修養(yǎng)護(hù)的原因中，車轍的比率約占到80%[4]。市政道路交叉路口由于行車流量大、車輛交通的渠化、車輛制動和啟動頻繁等原因，車轍等損壞現(xiàn)象非常突出，極大的影響了行車安全性?？梢哉f解決市政道路交叉路口車轍問題已經(jīng)刻不容緩。然而常用的銑刨修整或攤鋪新的瀝青混合料等措施，并不能有效的解決市政路口的車轍頑疾。

半柔性路面是一種大空隙瀝青混合料(空隙率在20%～35%)與特殊性能的水泥基材料復(fù)合組成的新型路面材料，兼具水泥混凝土剛性和瀝青混凝土柔性的特點(diǎn)。半柔性路面已經(jīng)被證明具有高承載能力，能夠解決瀝青路面的車轍、水損害問題[5-11]。目前國內(nèi)外一些科研單位也取得了一定的成果并鋪設(shè)了部分試驗(yàn)路段[12，13]。然而大多數(shù)試驗(yàn)段主要用于普通的重交通量公路，用于市政道路的很少，用在市政道路維修改造的更是少見。分析原因主要是以前采用的半柔性路面水泥砂漿沒有解決強(qiáng)度發(fā)展慢養(yǎng)生時間長、收縮大易開裂等性能缺陷，不能滿足市政道路改造后需要快速開放交通和對其高耐久性的要求。另外有的施工工藝通過先噴灑緩凝劑、后在內(nèi)部水泥漿終凝前將表面水泥漿沖洗掉，這種方法并不適合在市政道路上使用，含有水泥漿的廢水會帶來“污染”，尤其是對于那些帶顏色的水泥漿。有的施工工藝使用振動平板壓路機(jī)來使得水泥漿浸透入基體瀝青混合料的空隙中，這個方法雖然好，但也增加了施工工序。如果提高水泥漿的流動性和自滲透性便可解決該問題。

為了促進(jìn)半柔性路面這一先進(jìn)技術(shù)在市政道路的應(yīng)用與發(fā)展，解決市政道路交叉路口車轍頑疾，并且滿足施工后快速開放交通和高耐久性的要求，就需要解決半柔性路面灌漿料超早強(qiáng)、低收縮、高流態(tài)、高滲透的技術(shù)難題。通過對半柔性路面和超早強(qiáng)修補(bǔ)灌漿材料長期的研究[14-16]，筆者所在科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了性能優(yōu)異的半柔性路面專用灌漿料。本文采用這種超早強(qiáng)的灌漿料制備半柔性路面材料，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究和實(shí)體工程鋪筑，為超早強(qiáng)半柔性路面在市政路口的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2超早強(qiáng)半柔性路面材料的室內(nèi)試驗(yàn)

2.1半柔性路面專用灌漿料的性能分析

采用的灌漿料是由江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的JGM?-301半柔性路面專用灌漿料，黑褐色粉料，推薦的水料比在0.25～0.3，具體情況需要根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)確定。該灌漿料具有超早強(qiáng)、高流態(tài)、低收縮、不離析泌水等特性。這種超早強(qiáng)半柔性路面專用灌漿料和傳統(tǒng)的半柔性路面普通灌漿料的基本性能測試如表1所示，從中可以看出：在相同水料比情況下，半柔性路面專用灌漿料無論在施工性能、強(qiáng)度發(fā)展、抗離析泌水和抗收縮等方面，均全面優(yōu)于傳統(tǒng)的普通灌漿料。JGM?-301半柔性路面專用灌漿料的最佳施工時間為30 min以內(nèi)，2 h左右可開放交通。

表1 灌漿料的基本性能試驗(yàn)結(jié)果Table1 Basicperformancetestresultsofgroutingmaterial項(xiàng)目流動度/s凝結(jié)時間/h初始30min初凝終凝JGM-301專用灌漿料10.312.60.91.4普通灌漿料13.518.73.86.2抗壓強(qiáng)度/MPa2h3h3d28d24h泌水率/%28d干縮率/%15.823.634.542.30.10.14——9.218.71.50.67 注:水料比0.26,試驗(yàn)溫度20℃。

2.2母體混合料配合比設(shè)計(jì)

半柔性路面的大空隙母體瀝青混合料屬于骨架空隙結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)參照已有研究成果[17，18]，采用基于體積法的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法。關(guān)于混合料空隙率的選擇，目前已有一些研究結(jié)果表明[19，20]，從馬歇爾強(qiáng)度、抗車轍性能、水穩(wěn)定性及低溫抗裂性能等方面考察，半柔性路面材料母體瀝青混合料的空隙率在25%左右最佳，因此試驗(yàn)也以空隙率為25%為設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)過多次試配，母體瀝青混合料SFAC-20的級配組成如表2所示。試驗(yàn)采用的瀝青為SBS改性瀝青，經(jīng)過肯塔堡飛散試驗(yàn)和瀝青析漏試驗(yàn)得出了最佳瀝青用量為3.2%，該摻量下母體瀝青混合料SFAC-20的基本性能如表3所示。

表2 母體瀝青混合料級配組成Table2 GradationcompositionofmatrixasphaltmixtureSFAC-20混合料通過下列篩孔尺寸(mm)的質(zhì)量百分率/%26.519.016.013.24.752.360.60.30.150.075級配100.093.178.246.715.412.89.37.75.43.1

表3 最佳瀝青用量下的母體瀝青混合料SFAC-20的基本性能Table3 BasicpropertiesofthematrixasphaltmixtureSFAC-20withoptimumasphaltcontent馬歇爾穩(wěn)定度/kN流值/mm空隙率/%飛散損失/%析漏量/%4.92.425.318.50.28

2.3半柔性路面混合料路用性能

將水料比0.26的水泥砂漿灌注到上述母體瀝青混合料SFAC-20中(見圖1)，試驗(yàn)測試了齡期為28 d的半柔性路面材料的馬歇爾穩(wěn)定度、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及低溫抗裂性等基本性能，如表4所示?？梢钥闯觯号c普通路面常用材料AC-13相比，半柔性路面材料SFP-20具有非常優(yōu)異的抗車轍性能，動穩(wěn)定度可達(dá)33 860次/mm，其抗水損害能力也非常突出。

圖1　半柔性路面室內(nèi)灌漿試驗(yàn)及效果

表4 半柔性路面材料的室內(nèi)路用性能評價結(jié)果Table4 Indoorpavementperformanceevaluationresultsofsemi-flexiblepavementmaterials路用材料馬歇爾穩(wěn)定度/kN動穩(wěn)定度/(次·mm-1)浸水殘留穩(wěn)定度/%凍融劈裂強(qiáng)度比/%SFP-2038.933860107.596.7AC-1313.1227086.882.3

3超早強(qiáng)半柔性路面依托工程實(shí)施概況

依托工程為南京市江寧區(qū)誠信大道交叉路口的路面車轍處置工程。誠信大道是江寧區(qū)的主干道之一，車流量大、重載車多，每到夏季路面車轍問題非常突出，尤其是交叉路口的車轍嚴(yán)重影響了行車安全。路面雖已經(jīng)過幾次銑刨修整，但車轍問題依然無法徹底解決。該條道路有5個十字路口進(jìn)行了半柔性路面改造施工，重點(diǎn)對十字路口的停車等待區(qū)(剎車和啟動頻繁的地方)進(jìn)行了選擇性鋪筑，每個路段長50～100 m，寬3.75～7.5 m，施工總面積超過2 600 m2。

依托工程半柔性路面的鋪筑，主要包括以下步驟：

① 首先對需要鋪筑的路段進(jìn)行適當(dāng)厚度的銑刨，該工程中大部分路段銑刨深度為5 cm，對銑刨后的路面進(jìn)行適當(dāng)清掃去除雜物和浮灰，然后對路面噴灑改性乳化瀝青粘層油，提高層間粘結(jié)力。該依托工程的施工方案結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　路段施工方案結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2　Structure diagram of road construction plan

② 待乳化瀝青破乳及水分蒸發(fā)完后，鋪設(shè)大空隙基體瀝青混合料。

③ 采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的JGM?-301半柔性路面專用灌漿料，通過水泥膠漿攪拌設(shè)備進(jìn)行制漿，水料比在實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場氣候進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以滿足施工和易性。在基體混合料的溫度下降到50 ℃以下，開始灌漿施工。由于專用的灌漿料具有高流態(tài)、不離析泌水等特性，灌漿施工過程不需要使用振動設(shè)備，就可以達(dá)到灌漿均勻飽滿的效果。圖3顯示的是在江寧區(qū)誠信大道某交叉路口進(jìn)行半柔性路面施工的情況。

圖3　半柔性路面施工照片F(xiàn)igure 3　Construction site photos of semi-flexible pavement

④ 灌漿以后，對路面進(jìn)行刮漿處理，將殘余在表面的水泥膠漿清除干凈，以露出基體瀝青混合料表面，達(dá)到理想的構(gòu)造深度。路面刮漿處理工作非常重要，必須防止多余水泥膠漿殘留在路面上，降低路面的抗滑性能，同時造成收縮裂縫。

⑤ 當(dāng)施工氣溫在30 ℃以下時，一般不需要特殊的養(yǎng)生方式；而在30 ℃以上時，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑⑺B(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期間需要嚴(yán)格封閉交通，并注意防止雨水沖刷。采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司的JGM?-301半柔性路面專用灌漿料，由于其超早強(qiáng)的特性，可在灌漿后2 h左右即可開放交通。

因此，以一個施工面積(路口的停車等待區(qū)域)為750 m2左右的道路交叉口為例，采用依托工程的技術(shù)和工藝進(jìn)行施工，整個過程大約需要耗時7～10 h。對于車流量不大的市政道路，可以選擇在白天進(jìn)行分車道圍擋施工，當(dāng)天即可通車。對于車流量很大的市政主干道，可以選擇晚上進(jìn)行銑刨攤鋪、灌漿等施工，不會影響第二天早上開放交通。

4依托工程路段的觀測與評價

半柔性路面依托工程路段經(jīng)過1 a多(兩夏天一冬天)的使用后，外觀質(zhì)量良好，表面紋理清晰，沒有裂縫和車轍產(chǎn)生，如圖4所示。為了驗(yàn)證其實(shí)際路用性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對其進(jìn)行了全面的觀測與評價。測試內(nèi)容主要包括半柔性路面的彎沉、動穩(wěn)定度、漿體灌注厚度、劈裂強(qiáng)度以及構(gòu)造深度等。

圖4　半柔性路面使用1 a后的照片

Figure 4Photos of semi-flexible pavement in use after one year

4.1半柔性路面承載能力和高溫穩(wěn)定性能的測試與評價

為了評定半柔性路面的承載能力和高溫穩(wěn)定性能，對半柔性路面路段進(jìn)行了貝克曼梁法彎沉測試和現(xiàn)場切取試件做動穩(wěn)定度測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。表5對比了鋪筑前后的路面彎沉和動穩(wěn)定度，從中可以看出，鋪筑半柔性路面后，路面的整體承載能力得到了大幅提高，抗車轍能力也顯著提升，動穩(wěn)定度均值可以達(dá)到29 930次·mm-1，通車1 a基本沒有車轍產(chǎn)生。

圖5　半柔性路面彎沉和動穩(wěn)定度測試結(jié)果Figure 5　Deflection and dynamic stability test results of 　semi-flexible pavement

表5 半柔性路面鋪筑前后的路面彎沉和動穩(wěn)定度對比Table5 Thecontrastofdeflectionanddynamicstabilitybe-foreandafterthesemi-flexiblepavementpaved測試項(xiàng)目平均彎沉/0.01mm平均動穩(wěn)定度/(次·mm-1)鋪筑前56.53610半柔性路面鋪筑后13.729930半柔性路面設(shè)計(jì)值<30>10000

4.2半柔性路面漿體灌注厚度、劈裂強(qiáng)度測試與評價

為了評定半柔性路面中水泥膠漿灌入的深度，對半柔性路面進(jìn)行了鉆芯，測試結(jié)果如表6所示?？梢钥闯?，漿體的灌注是非常到位的，也反應(yīng)出超早強(qiáng)半柔性路面專用灌漿料的高流動性和自滲透性。表6還給出了半柔性路面鉆芯試件的15 ℃劈裂強(qiáng)度測試結(jié)果，可以看出半柔性路面具有較高的劈裂強(qiáng)度，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

表6 半柔性路面漿體灌注厚度、劈裂強(qiáng)度測試結(jié)果Table6 Thethicknessofgroutingandsplittingstrengthtestresultsofsemi-flexiblepavement路段號路面厚度/cm漿體灌注厚度/cm15℃劈裂強(qiáng)度/MPa14.964.962.3425.135.132.2834.824.822.6544.894.892.1955.085.082.57設(shè)計(jì)值55>1.8

4.3半柔性路面抗滑性能的測試與評價

路面抗滑性能對于車輛行車安全非常重要。采用手工鋪砂儀-構(gòu)造深度測試法對半柔性路面的抗滑性能進(jìn)行了測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從中可以看出所測的半柔性路面構(gòu)造深度基本在0.7～0.9 mm之間，滿足0.5～1.1 mm的設(shè)計(jì)范圍和規(guī)范要求。

圖6　半柔性路面構(gòu)造深度測試結(jié)果Figure 6　The texture depth test results of semi-flexible pavement

5半柔性路面成本對比分析

半柔性路面繼承了水泥混凝土和瀝青混凝土的優(yōu)點(diǎn)，除了具有優(yōu)異的高溫抗車轍性能，其他路用性能也非常不錯。眾所周知：好的路面材料需要高的經(jīng)濟(jì)成本。半柔性路面技術(shù)要想大規(guī)模推廣，其經(jīng)濟(jì)成本在眾多技術(shù)中需要具有優(yōu)勢。表7給出了半柔性路面與其他路面材料的成本對比分析結(jié)果，從中可以看出，半柔性路面材料的單次造價成本均高于SBS改性AC-13和SMA-13。然而在抗車轍處置方面，從國內(nèi)外已有的試驗(yàn)路經(jīng)驗(yàn)來看，半柔性路面的使用壽命一般能達(dá)到6 a以上，傳統(tǒng)維修方案壽命僅為1～2 a。因此，以科學(xué)的角度從全壽命周期來進(jìn)行成本對比，可以看出來半柔性路面的平均每年造價是小于4.2元/(m2·cm)，遠(yuǎn)低于AC和SMA瀝青混合料的平均每年造價。另外，半柔性路面在服役期間幾乎不需要養(yǎng)護(hù)，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時可減少維修帶來的交通阻塞，提升城市形象，具有顯著的社會效益。

表7 半柔性路面的全壽命周期成本分析Table7 Thewholelifecyclecostanalysisofsemi-flexiblepavement材料名稱單次造價/(元·m-2·cm-1)使用壽命/a平均每年造價/(元·m-2·cm-1)半柔性路面材料25>6<4.2SBS改性AC-1315115SMA-1320210

6結(jié)語

① 室內(nèi)試驗(yàn)研究表明，采用的半柔性路面專用灌漿料具有超早強(qiáng)、高流態(tài)、低收縮、不離析泌水等特性，無論在施工性能、強(qiáng)度發(fā)展還是抗收縮等方面，均全面優(yōu)于傳統(tǒng)的普通灌漿料。該灌漿料的最佳施工時間為30 min以內(nèi)，其高流態(tài)高滲透性可以免除振搗施工，節(jié)約施工成本，且能保證灌漿的飽滿度復(fù)合要求。

② 對于施工面積為750 m2左右的道路交叉口，整個半柔性路面的施工過程(銑刨、攤鋪、灌漿、養(yǎng)生直至通車)僅需要耗時7～10 h，通常灌漿后2 h左右可開放交通?？梢愿鶕?jù)道路車流量情況，選擇白天分車道圍擋施工或者晚上施工，最大程度減少交通阻塞。

③ 超早強(qiáng)半柔性路面在市政道路交叉路口的鋪筑結(jié)果表明，該技術(shù)具有優(yōu)異的車轍處置能力，路面動穩(wěn)定度可達(dá)到29 930次·mm-1，基本沒有車轍產(chǎn)生，并能滿足市政路口改造后需要快開放交通、性能耐久的需求。通過全壽命周期成本分析，半柔性路面的平均每年造價低于4.2元/m2·cm，遠(yuǎn)低于其他處置技術(shù)，經(jīng)濟(jì)效益明顯，此項(xiàng)技術(shù)值得廣泛推廣。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李閩.瀝青混凝土路面車轍病害調(diào)查與原因分析[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012(6)：18-20.

[2]周立波，陶勝利.長大縱坡路面車轍試驗(yàn)研究[J].湖南交通科技，2013(4)：13-15.

[3]王家主，吳少鵬.瀝青路面車轍影響因素的研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2006，30(3)：463-466.

[4]沈金安.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5]王偉明，高丹，吳曠懷.半柔性路面材料性能研究[J].公路工程，2014，39(1)：78-82.

[6]翟小東，李貴森.半柔性路面的研究與應(yīng)用[J].吉林交通科技，2001(3)：8-10.

[7]郝培文，程磊，林立.半柔性路面混合料路用性能[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2003，23(2)：1-6.

[8]Setyawan A.Development of Semi-Flexible Heavy-Duty Pavements[D].University of Leeds，2003.

[9]吳國雄，張洋，王愛民，等.半柔性路面高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報，2007，26(1)：52-55.

[10]胡曙光，張榮鹍，丁慶軍.半柔性路面灌注水泥膠漿的性能研究[J].公路，2009(7)：1-6.

[11]凌天清，董強(qiáng)，董營營，等.橡膠瀝青在灌入式半柔性路面中的應(yīng)用[J].長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，29(6)：24-27.

[12]李常貴.半柔性路面混合料設(shè)計(jì)方法探討[J].廣東公路交通，2003(4)：4-7.

[13]趙之杰，董營營，凌天清.高性能半柔性路面在路面改造工程中的應(yīng)用[J].公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2008(10)：50-52.

[14]Huang Chong，Liu Jiaping，Hong Jinxiang，etal.Improvement on the crack resistance property of semi-flexible pavement by cement-emulsified asphalt mortar[J].Key Engineering Materials，2012(509)：26-32.

[15]繆昌文，劉加平，洪錦祥.水泥混凝土快速修補(bǔ)劑：中國，200610040058.4[P].2009-1-14.

[16]繆昌文，周華新，劉加平，等.膨脹可控型超早強(qiáng)支座砂漿材料：中國，200810243506.X[P].2012-1-11.

[17]程磊.半柔性路面用混合料性能及其設(shè)計(jì)方法研究[D].西安：長安大學(xué)，2002.

[18]重慶交通大學(xué)，交通部公路科學(xué)研究院.半柔性路面應(yīng)用技術(shù)指南[M].北京：人民交通出版社，2009.

[19]吳國雄，張洋，王愛民，等.半柔性路面高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報，2007，26(1)：52-55.

[20]尹航.摻纖維半柔性路面用混合料性能研究[D].衡陽：南華大學(xué)，2013.

The Study of Super-early-strength Semi-flexible Pavement Used in Municipal Road

DENG Cheng1，2， HUANG Chong1，2， HONG Jinxiang1，2， ZHAO Tangjin3， ZHANG Deyu1，2

(1.State Key Laboratory of High Performance Civil Engineering Materials， Jiangsu Research Institute of Building Science， Nanjing， Jiangsu 211103， China；2.Jiangsu Sobute New Materials Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu 211103， China；3.Nanjing Tianyin Municipal Engineering Materials Co.Ltd.， Nanjing， Jiangsu 211103， China)

[Abstract]For the purpose of solving the current rutting problem in municipal road intersections，a method was proposed by using super-early-strength semi-flexible pavement(SFP)technique.Through laboratory experiments and practical engineering applications，the whole road carrying capacity increased，dynamic stability could reach 29 930 cycles per mm，Super-early-strength SFP had been proven to thoroughly solve the rutting problem.Besides，SFP could also meet the need of fast traffic opening for municipal road reconstruction and prolong its service life，and the total life cycle cost was less than 4.2 yuan /(m2·cm·year).Therefore the super-early-strength SFP has a good application prospect in intersection constructions.

[Key words]semi-flexible pavement(SFP)； super early strength； municipal road； anti-rutting； fast traffic opening； construction technology

[中圖分類號]U 461.221

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0116-04

[作者簡介]鄧成(1986-)，男，四川什邡人，碩士，工程師，從事道路工程材料研究。

[基金項(xiàng)目]江蘇省建設(shè)廳科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目(JS2012JH10)；蘇州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(SS201527)

[收稿日期]2014-10-20