乳化瀝青混合料配合比設(shè)計方法研究

張營營， 劉至飛

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 開封 475004)

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乳化瀝青混合料配合比設(shè)計方法研究

張營營， 劉至飛

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 開封 475004)

要想實現(xiàn)乳化瀝青混合料在結(jié)構(gòu)、路用性能、環(huán)保等方面的技術(shù)優(yōu)勢，核心是配合比設(shè)計，根據(jù)乳化瀝青混合料的使用環(huán)境，在借鑒和總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)應(yīng)用經(jīng)驗和研究成果提出基于劈裂強度和無側(cè)限抗壓強度峰值確定乳化瀝青混合最佳油乳化瀝青用量，試驗結(jié)果表明，經(jīng)室內(nèi)加速加載、SCB、三分點加載疲勞試驗驗證，該法具有較好的技術(shù)優(yōu)越性，研究成果可對今后同類型工程設(shè)計提供技術(shù)參考。

道路工程； 乳化瀝青混合料； 配合比設(shè)計； 最佳乳化瀝青用量

0 引言

乳化瀝青混合料是一種節(jié)能環(huán)保型瀝青路面材料，具有可長距離運輸，施工便捷性好、道路建設(shè)成本低、環(huán)境污染小等技術(shù)優(yōu)勢[1,2]，日本、美國等國家都嘗試將其作為道路鋪筑材料，并且取得了較好的使用效果。乳化瀝青混合料路面鋪筑技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)得到了初步應(yīng)用，大部分取得了較好的效果,同樣也存在一些問題。目前國內(nèi)對乳化瀝青混合料配合比設(shè)計以馬歇爾設(shè)計方法為主[3-6],生產(chǎn)過程主要參考熱拌瀝青混合料或國外的工程經(jīng)驗,在設(shè)計上偏于保守，乳化瀝青用量偏大，不僅造成了原材料的浪費，也使得該技術(shù)在應(yīng)用過程中,常出現(xiàn)一些病害,諸如乳化瀝青混合料作為二、三等級公路承重層時易出現(xiàn)推移和擁包等[7]。就目前的研究現(xiàn)狀來看，國內(nèi)外對乳化瀝青的強度機理、水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性以及混合料級配優(yōu)化等開展了大量研究[3,8,9]，但鮮見專門針對乳化瀝青混合料的配合比設(shè)計方法進行系統(tǒng)研究，要想實現(xiàn)乳化瀝青混合料在結(jié)構(gòu)、路用性能、環(huán)保等方面的技術(shù)優(yōu)勢，核心是配合比設(shè)計[1-2]。由于乳化瀝青混合料在材料組成設(shè)計、混合料結(jié)構(gòu)等方面均不同于熱拌瀝青混合料，常用的馬歇爾試驗指標已不能完全適用于確定其瀝青用量，其次現(xiàn)有馬歇爾設(shè)計方法并沒有控制指標，確定的最佳乳化瀝青用量不能與乳化瀝青瀝青混合料的路用性能建立起聯(lián)系，沒有充分考慮路面實際所處的環(huán)境條件，從而導(dǎo)致評價結(jié)果與路用性能相脫節(jié)，評價意義不明顯。本文提出基于劈裂強度和無側(cè)限抗壓強度峰值確定乳化瀝青混合料最佳油乳化瀝青用量，使配合比設(shè)計與施工后的路用性能建立聯(lián)系，研究成果為乳化瀝青混合料在我國的推廣應(yīng)用提供理論借鑒。

1 原材料及配比

本文乳化瀝青由SK90重交瀝青、維實偉克CCR慢裂快凝型陽離子乳化劑、復(fù)合改性劑SBR膠乳、鹽酸調(diào)節(jié)劑、水和穩(wěn)定劑(PVA)經(jīng)室內(nèi)膠體磨加工制備而成，其性能指標試驗結(jié)果見表1。水泥作為活性填料對改善乳化瀝青混合料級配、調(diào)節(jié)乳化瀝青破乳時間、提高乳化瀝青混合料早期強度以及改善乳化瀝青混合料抗疲勞性能等都有非常顯著的作用，試驗時水泥選用32.5普通硅酸鹽水泥，參考已有研究成果，為了提高乳化瀝青混合料的早期強度和高溫抗永久變形能力，同時兼顧乳化瀝青層的剛性與柔性，本文水泥摻量為2%(占集料干重的百分比)。

表1 SBR改性乳化瀝青試驗結(jié)果與技術(shù)要求Table1 SBRmodifiedemulsifiedasphalttestresultsandthetechnicalrequirements試驗項目規(guī)范要求測定值試驗方法1.18mm篩上剩余量/%≤0.10.01T0652電荷+ + T0653瀝青標準粘度/s12～60 27 T0621蒸發(fā)殘留物含量/%≥6062.4 T0651針入度(25℃,5s)/0.1mm80～10092 T0604蒸發(fā)殘留物軟化點/℃≥53 64 T0606延度(5℃)/c≥20 >100 T0605

2 設(shè)計指標選取

室內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)[2-6]，水的存在導(dǎo)致既有馬歇爾空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等體積指標隨乳化瀝青用量的變化規(guī)律并不明確，無法采用馬歇爾方法確定乳化瀝青混合料的最佳乳化瀝青用量。此外，配合比設(shè)計指標的選取應(yīng)該與乳化瀝青混合料使用過程中的破壞類型有一定對應(yīng)性，或者說選取的指標能夠控制其破壞的發(fā)生。由于乳化瀝青混合料通常作為高速公路的基層或下面層，處于拉壓應(yīng)力綜合作用的復(fù)雜環(huán)境，而劈裂試驗試件受力狀態(tài)處于拉壓結(jié)合狀態(tài)，與路面基層受力環(huán)境最為接近，同時劈裂試驗也是瀝青路面冷再生混合料最佳乳化瀝青用量的唯一試驗方法，基于此考慮，可采用劈裂強度實驗確定乳化瀝青混合料的最佳乳化瀝青用量。乳化瀝青混合料作為路面結(jié)構(gòu)的承重層，若抗壓強度不足，在行車荷載的作用下則會發(fā)生推移，出現(xiàn)車轍，為確保乳化瀝青混合料具有足夠的承載能力，以乳化瀝青混合料的無側(cè)限抗壓強度為主要設(shè)計控制指標。

3 乳化瀝青混合料配合比設(shè)計

3.1 確定礦料級配

乳化瀝青混合料級配組成對其早期強度起著決定作用，對后期強度也有重要的貢獻，本文在保證粗集料比例和組成相同的條件下，采用傳統(tǒng)的n法設(shè)計細集料通過礦料級配，n取值為0.45，計算得到的混合料合成級配見表2。

表2 乳化瀝青混合料礦料級配組成Table2 Emulsifiedasphaltmixturegradation通過下列篩孔尺寸(mm)的百分率/%1613.29.54.752.3610092.467.238.224.5通過下列篩孔尺寸(mm)的百分率/%1.180.60.30.150.07515.310.67.36.75.2

3.2 確定最佳含水率

水在乳化瀝青混合料拌和、攤鋪、碾壓階段起到了重要的作用[4,7]，在拌和階段，適宜的拌合用水量助于乳化瀝青更均勻的分散到混合料中，防止部分集料表面乳化瀝青粘附不均勻。同時水的加入避免了乳化瀝青和集料直接接觸，防止了因混合料運輸過程中乳化瀝青破乳過快而導(dǎo)致的結(jié)塊、卸車不順利等問題；再者，在攤鋪、碾壓階段水的潤滑作用可以提高乳化瀝青混合料的施工和易性，有助于混合料壓實，降低了混合料空隙率，增大密實度從而提高了混合料強度；此外，在養(yǎng)生階段，一部分水參與水泥水化，為水泥水化反應(yīng)提供了條件，隨著養(yǎng)生時間延長，水逐漸揮發(fā)，混合料強度不斷發(fā)展。若拌和用水量過低，乳化瀝青混合料太稠，將不便于拌和、攤鋪、碾壓，更不利于乳化瀝青分散均勻[5-7]。若含水量過高，乳化瀝青混合料將發(fā)生離析、流淌，而且極有可能產(chǎn)生集料下沉、瀝青上浮等離析現(xiàn)象，導(dǎo)致成型后路面基層表面為一層油膜而下面均是花白松散的集料，對乳化瀝青混合料基層后期強度和耐久性不利。因此對于乳化瀝青混合料而言，存在一個最佳含水率。

本文參考路面基層材料最佳含水率的確定方法，采用重型擊實試驗來確定乳化瀝青混合料的最佳拌和用水量，乳化瀝青的質(zhì)量根據(jù)陽離子乳化瀝青混合料修正馬歇爾試驗方法：

P=0.06A+0.12B+0.20C

(1)

式中：P=乳化瀝青占集料干重的百分比，%;A=大于2.36 mm礦料占總礦料質(zhì)量的百分比， %;B=小于2.36 mm大于0.075礦料占總礦料質(zhì)量的百分比， %;C=小于0.075礦料占總礦料質(zhì)量的百分比，%

根據(jù)本文合成級配的篩孔通過百分率，經(jīng)計算初始乳化瀝青用量為7.6%。重型擊實試驗時以預(yù)估的最佳含水率為7%中值，間隔±1%變化5組拌和用水量，混合料拌和時首先將集料和水泥干拌90 s，加水干拌90 s，最后加入乳化瀝青。混合料拌和均勻后分三層擊實，每層按標準重型擊實功擊實98次，待最后一層擊實后用刮刀刮平試樣表面，稱取試樣濕重M。在試樣中部取2000 g置于105～110 ℃烘箱中烘干，測試樣含水率ω，最后按照公式(2)計算干密度。

ρ干密度=M/V/(1+ω)

(2)

式中：M為試件質(zhì)量，g；ω為擊實含水率；V為試件體積，cm3；ρ干密度為試件干密度，g/cm3。

根據(jù)重型擊實試驗結(jié)果，以含水率為橫坐標，干密度為縱坐標，繪制重型擊實曲線，見圖1。

圖1 重型擊實曲線Figure 1 Heavy compaction curve

由圖1可知: 各含水率下重型擊實干密度雖然差別不大但有明顯的變化趨勢，隨著含水率增加，干密度呈先增大后減小的拋物線變化規(guī)律，擬合相關(guān)良好，干密度峰值對用的最佳拌合用水量為6.9%。

3.3 確定最佳乳化瀝青用量

3.3.1 馬歇爾試件成型及養(yǎng)生

按照表2合成級配要求稱取5×10 kg混合料，混合料拌合時首先將集料和水泥干拌60 s，加水干拌60 s，最后加入預(yù)定質(zhì)量的乳化瀝青拌60 s，采用馬歇爾擊實成型試件，第一遍雙面擊實后(50次)，60 ℃模內(nèi)養(yǎng)生40 h后第二次擊實(25次)，總擊實次數(shù)為75次，二次擊實完成后室溫放置12 h。

3.3.2 基于劈裂試驗確定乳化瀝青用量OEAC1(Optimal Emulsified Asphalt Content，簡稱OEAC )

現(xiàn)行《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41 — 2008)采用劈裂試驗強度峰值確定最佳乳化瀝青用量，研究表明，劈裂試驗與乳化瀝青混合料抗彎拉強度、抗折強度以及馬歇爾穩(wěn)定度之間線性相關(guān)性良好，且劈裂試驗簡單易行，考慮到乳化瀝青的層位功能和受荷環(huán)境與瀝青路面冷再生混合料較為相近，本文采用劈裂試驗確定乳化瀝青混合料最佳乳化瀝青用量。試驗時按照3.2.1成型并養(yǎng)生乳化瀝青混合料馬歇爾試件，每個乳化瀝青用量下不少于4個試件，將各組油石比試件進行15 ℃劈裂強度試驗(15 ℃劈裂試驗的試驗方法為：將試件完全浸泡在15 ℃±1 ℃的水浴中2 h)、浸水24 h的劈裂試驗(浸水24 h劈裂試驗的試驗方法為：將試件完全浸泡在25 ℃恒溫水浴中23 h，再在15 ℃水浴中浸泡1 h)，水浴保溫結(jié)束后取出試件立即進行劈裂試驗，試驗加載速率為50 mm/min，結(jié)果見圖2。

圖2 不同乳化瀝青用量劈裂強度試驗結(jié)果Figure 2 Splitting strength test results with different contentof emulsified asphalt

劈裂試驗結(jié)果表明: 乳化瀝青用量對乳化瀝青混合料劈裂強度和干濕劈裂強度比均勻顯著的影響，隨著乳化瀝青用量的增大，乳化瀝青混合料干、濕劈裂強度呈先增大后減小的二次函數(shù)變化關(guān)系，以峰值劈裂強度確定最佳乳化瀝青用量為7.2%，且最佳乳化瀝青用量下的乳化瀝青混合料干濕劈裂強度比也較大。分析其原因，油石較少時礦料之間的粘結(jié)力不足，瀝青在礦料之間胡潤滑作用不明顯導(dǎo)致試件的壓實度不足，且沒有足夠的瀝青褁附集料，混合料內(nèi)部的內(nèi)摩擦角和粘聚力均較小，隨著乳化瀝青用量摻量增大，混合料內(nèi)部瀝青膜厚增大，整體性提高，但隨著乳化瀝青用量增加到一定程度，乳化瀝青蒸發(fā)殘留物在乳化瀝青混合料內(nèi)部形成的自由瀝青含量增多，多余的瀝青在礦料內(nèi)部反而起到了潤滑作用，礦料之間較易出現(xiàn)滑動，反而對混合料強度產(chǎn)生不利影響。

3.3.3 基于無側(cè)限抗壓強度試驗確定最佳乳化瀝青用量OEAC2

參考現(xiàn)行《公路瀝青路面基層施工規(guī)范》采用無側(cè)限抗壓強度確定水泥穩(wěn)定碎石混合料的水泥用量，并借鑒和總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)應(yīng)用經(jīng)驗和研究成果提出乳化瀝青混合料最佳乳化瀝青用量確定方法，采用無側(cè)限抗壓強度確定乳化瀝青混合料最佳乳化瀝青用量。按照重型擊實試驗結(jié)果確定的最佳含水率和98%干密度成型靜壓試件，試件直徑為100 mm，高100 mm，試件制備后要在鼓風(fēng)烘箱中加速養(yǎng)生，溫度保持在60+2 ℃，養(yǎng)生齡期的最后一天，將試件在15 ℃水中浸泡2 h，水面高出試件頂面約2.5 cm，將浸泡的試件從水槽中取出，立即進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗時控制壓力機的加載速率為1 mm/min，考慮到瀝青的感溫性，試驗溫度控制為25 ℃，每組強度試驗結(jié)果為滿足試驗誤差要求4個試件的平均值，乳化瀝青混合料無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見圖3。

圖3 不同乳化瀝青用量無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果Figure 3 Unconfined compressive strength test with different contentof emulsified asphalt

圖3試驗結(jié)果表明: 與劈裂強度強度試驗結(jié)果相類似，隨著乳化瀝青用量的增大，乳化瀝青混合料無側(cè)限抗壓強度呈先增大后減小的變化趨勢，二次函數(shù)關(guān)系擬合良好，以劈裂強度峰值確定最佳乳化瀝青用量OEAC2為7.0%。

通過劈裂強度試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗，分析乳化瀝青用量量與劈裂強度、無側(cè)限抗壓強度關(guān)系，進而確定對應(yīng)乳化瀝青混合料的最佳乳化瀝青用量，以劈裂強度試驗確定的乳化瀝青混合料最佳油石比為7.2%，以無側(cè)限抗壓強度指標確定的最佳乳化瀝青用量為7.0%，最佳乳化瀝青用量=7.2%+7.0%=7.1%。

4 最佳乳化瀝青用量驗證

4.1 基于MMLS3試驗乳化瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

采用南非產(chǎn)的小型加速加載設(shè)備對不同乳化瀝青用量下的乳化瀝青混合料進行室內(nèi)模擬加載試驗，從而間接評價出不同乳化瀝青混合料高溫條件下使用性能的優(yōu)劣[10]。試驗時變化5%、6%、7.1%、8%、9%共5組乳化瀝青用量，成型直徑152.4 mm，高95.3 mm馬歇爾試件，60 ℃養(yǎng)生2 d，待試件冷卻后取其中部5 cm部分按照標準加速加載試件尺寸切割試件。參考已有研究成果，加速加載試驗條件：試驗軸載為0.7 MPa，試驗溫度為40 ℃，加載為7.2 km/h，每組平行試驗3個。不同乳化瀝青用量下的加速加載試驗結(jié)果見圖4。

圖4 不同乳化瀝青用量加速加載試驗結(jié)果Figure 4 Accelerated loading test results with different amount of emulsified asphalt

由加速加載試驗結(jié)果可知： 加速加載試驗初期，車轍發(fā)展較快，車轍深度變化也比較明顯，這主要由于乳化瀝青混合料內(nèi)部空隙率較大，進而早期產(chǎn)生的壓密變形較大。壓密變形過后，隨著加載次數(shù)的增大，乳化瀝青混合料進入蠕變穩(wěn)定階段，比較蠕變穩(wěn)定階段車轍變形量可以發(fā)現(xiàn)，車轍變形率依次是： 7%>6%>5%>8%>9%，5%、6%、7%、8%、9%乳化瀝青摻量下混合料試件進入剪切失穩(wěn)階段加載次數(shù)分別為80萬、95萬、100萬、65萬、50萬次，可見以高溫穩(wěn)定性作為衡量標準，7.1%乳化瀝青用量下的混合料高溫穩(wěn)定性最好，說明本文提出的最佳乳化瀝青確定方法可以將一個寬泛的乳化瀝青范圍變?yōu)榫_的最佳乳化瀝青用量，具有較好的技術(shù)優(yōu)越性，同時確保乳化瀝青混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性。

4.2 乳化瀝青混合料低溫抗裂性

通常采用小梁彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫抗裂性，考慮到乳化瀝青混合料制成小梁試件比較困難，本文以低溫SCB試驗評價乳化瀝青用量對乳化瀝青混合料低溫抗裂性的影響。借鑒相關(guān)研究成果，變化乳化瀝青用量時通過調(diào)整拌合用水量來確?；旌狭峡偭黧w含量保持不變，將不同乳化瀝青用量的混合料成型為Φ152.4 mm，高95.3 mm大馬歇爾試件，并采用具有較高切割精度的芬蘭產(chǎn)雙面鋸取馬歇爾試件中部50 mm厚的圓形試件，再將其從中間對稱打開，即制得半圓彎曲試件。試驗前將試件放在恒溫環(huán)境箱中在-10 ℃下保溫4 h，試驗時采用單點加載方式[11]，支點間距為SCB試件直徑的0.8倍，加載速率為0.5 mm/min，記錄破壞荷載和破壞應(yīng)變，計算公式見下式，以抗彎拉強度、彎拉勁度模量和抗彎拉應(yīng)變能來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗結(jié)果如表3所示。

(3)

(4)

(5)

式中:σmax為抗拉強度，MPa；Fmax為最大荷載，N；D為試件直徑，mm；t為試件厚度，mm；S為支點間距，S=0.8D

低溫SCB試驗結(jié)果表明: 隨著乳化瀝青用量的增加抗彎拉強度、最大彎拉應(yīng)變、破壞應(yīng)變能均呈先增大后減小的變化趨勢，以峰值破壞應(yīng)變能確定乳化瀝青混合料的最佳乳化瀝青用量為7%，7.1%乳化瀝青用量下乳化瀝青混合料具有較大的彎拉應(yīng)變，以SCB試驗彎拉應(yīng)變峰值對應(yīng)的乳化瀝青用量試驗結(jié)果與劈裂強度試驗相一致。

表3 不同乳化瀝青用量SCB試驗結(jié)果Table3 SCBtestresultswithdifferentasphaltcontent乳化瀝青用量/%抗彎拉強度/MPa跨中撓度/mm最大彎拉應(yīng)變/με勁度模量/MPa破壞應(yīng)變能/(kJ·m-3)54.630.2131423.463252.6315.32964.910.2871989.362468.1317.17875.270.3682615.792014.6818.48785.120.3412322.372204.6418.25694.790.3172139.592238.7417.011

4.3 疲勞性能

參考SHRA計劃、AASHTO均采用50.8 mm×63.5 mm×381 mm的小梁進行疲勞試驗[12-15]，本文疲勞試驗也采用了該尺寸的小梁試件，制作試件時首先成型雙層車轍板，在60 ℃養(yǎng)生2 d后，切割成標準尺寸的試件，疲勞試驗采用的試驗溫度為15 ℃，加載波形為正弦波，加載頻率為10 Hz，為了加快試驗進度正弦波之間不插入間歇時間， 采用COX&SONS公司生產(chǎn)的四點彎曲試驗機對小梁試件進行三分點加載疲勞試驗，采用控制應(yīng)變的加載模式，采用美國MTS疲勞試驗機進行四點彎曲疲勞試驗，本文進行了200、250、300、350、1000 μξ共5種應(yīng)變水平下的疲勞試驗，一組4個平行試件，試驗結(jié)果見表4和圖5。

疲勞試驗結(jié)果表明: 相同應(yīng)變水平下乳化瀝青混合料疲勞壽命次數(shù)隨乳化瀝青用量的增大呈先增大后減小的變化趨勢，7%乳化瀝青用量下混合料疲勞壽命出現(xiàn)峰值，分析其原因，混合料瀝青用量低，導(dǎo)致裹覆集料的瀝青油膜厚度減薄，水分蒸發(fā)后造成了混合料空隙的增大，疲勞性能不足，這也證實了本文提出的采用劈裂強度試驗確定最佳乳化瀝青用

表4 乳化瀝青混合料荷載作用次數(shù)回歸方程Table4 Emulsifiedasphaltloadingtimesregressionequation乳化瀝青用量回歸方程5Nf=2324.20527-13.25065N0.2778646Nf=2287.18541-11.36931N0.2867947Nf=2010.85371-60.40236N0.1609868Nf=2103.54321-56.56822N0.174389Nf=1988.74309-60.56832N0.18328相關(guān)系數(shù)R2疲勞壽命/次0.9886230486250.9795300125840.9988313596710.9875286834690.986527968235

圖5 不同乳化瀝青用量乳化瀝青混合料疲勞壽命曲線Figure 5 Emulsified asphalt mixture fatigue life curve with different emulsified asphalt content

量的試驗方法是合理的。

5 結(jié)論

經(jīng)室內(nèi)加速加載、SCB、三分點加載疲勞試驗驗證，以劈裂強度和無側(cè)限抗壓強度作為乳化瀝青混合料配合比設(shè)計指標是合理的，本文提出的基于劈裂強度和無側(cè)限抗壓強度峰值確定乳化瀝青混合最佳油乳化瀝青用量的設(shè)計方法可精確計算出乳化瀝青混合料的最佳配比，同時在最佳乳化瀝青用量確定時考慮了乳化瀝青混合料的路用性能，研究成果可對今后同類型工程設(shè)計提供了技術(shù)參考。

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[15] 王長安，吳育良．影響乳化瀝青穩(wěn)定性的主要因素[J]．新型建筑材料，2005(1)：52-54.

Study on the Design Method of Emulsified Asphalt Mixture

ZHANG Yingying， LIU Zhifei

(Yellow River Conservancy Techinal Institute，Kaifeng Henan,45004, China)

In order to achieve emulsified asphalt in the structure, road performance, environmental protection and other technical superiority aspects ,the core technology is mix design.Based on the use of emulsified asphalt environment, learn from experience and research and summarized and related applications based on the results of proposed splitting strength and unconfined compressive strength peak determining the optimal mix of emulsified asphalt oil emulsified asphalt content, test results showed that the indoor accelerated loading, SCB, one-third point loading fatigue tests, show that this method has good technical superiority， the research results can provide technical reference for future projects of the same type design.

road engineering； emulsified asphalt mixture； mix design； optimum asphalt content

2015 — 04 — 22

張營營(1983 — )，女，河南確山人，講師，碩士，主要從事水工安全專業(yè)的教學(xué)與研究工作。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0263 — 05