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研究探索:纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能優(yōu)化策略研究

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本文選自《商品混凝土》雜志2024年第6期

纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能優(yōu)化策略研究

施招華

[摘要]本文概述了纖維增強(qiáng)混凝土的定義、特點(diǎn)以及抗裂性能在混凝土結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵性;詳細(xì)探討了纖維類型與摻量、配合比設(shè)計等優(yōu)化策略對混凝土抗裂性能的影響;通過試驗(yàn)研究,深入分析了裂縫形態(tài)、開裂荷載等試驗(yàn)數(shù)據(jù),并結(jié)合理論進(jìn)行闡釋;此外,還采用數(shù)值模擬方法對纖維增強(qiáng)混凝土的抗裂性能進(jìn)行模擬與驗(yàn)證,與試驗(yàn)結(jié)果對比,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性;總結(jié)了研究成果,并展望了未來纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能研究的發(fā)展方向。

[關(guān)鍵詞]纖維增強(qiáng)混凝土;抗裂性能;優(yōu)化策略;試驗(yàn)研究;數(shù)值模擬

纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能概述

1.1纖維增強(qiáng)混凝土的定義與特點(diǎn)

纖維增強(qiáng)混凝土作為一種新型復(fù)合材料,在現(xiàn)代建筑工程中發(fā)揮著越來越重要的作用。其通過向傳統(tǒng)混凝土中添加纖維材料,顯著提升混凝土的抗裂性能和其他力學(xué)性能。這些纖維材料可以是鋼纖維、聚丙烯纖維、碳纖維等,它們以特定的比例和方式分散在混凝土中,形成了纖維增強(qiáng)混凝土這一獨(dú)特體系。

從組成成分上來看,纖維增強(qiáng)混凝土除了包含傳統(tǒng)混凝土的水、水泥、骨料等基本元素外,還引入了纖維這一關(guān)鍵成分。這些纖維在混凝土中起到了增強(qiáng)、增韌和阻裂的多重作用,使得纖維增強(qiáng)混凝土在承受荷載時能夠展現(xiàn)出更為優(yōu)異的性能。特別是在抗裂性能方面,纖維的加入有效地抑制了混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展,提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和耐久性。

纖維增強(qiáng)混凝土的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面:首先,它具有顯著的抗裂性能,能夠在很大程度上減少裂縫的出現(xiàn),從而延長建筑物的使用壽命;其次,纖維的加入還提高了混凝土的韌性和延展性,使得結(jié)構(gòu)在遭受沖擊或震動時能夠保持更好的完整性;最后,纖維增強(qiáng)混凝土還具有較好的施工性能,可以根據(jù)工程需要進(jìn)行靈活調(diào)整和優(yōu)化。

綜上所述,纖維增強(qiáng)混凝土以其獨(dú)特的組成和優(yōu)異的性能,在現(xiàn)代建筑工程中展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。通過深入研究其抗裂性能優(yōu)化策略,不僅有助于提升纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用效果,還能為相關(guān)領(lǐng)域的理論研究和工程實(shí)踐提供有益的參考。

1.2抗裂性能的重要性

在混凝土結(jié)構(gòu)中,抗裂性能的重要性不容忽視。作為衡量混凝土耐久性和安全性的關(guān)鍵指標(biāo),抗裂性能直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的使用壽命和整體穩(wěn)定性。一旦混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫,不僅會影響其美觀性,更可能導(dǎo)致水分、氣體及其他有害物質(zhì)的滲入,從而加速鋼筋的銹蝕和混凝土的碳化,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載能力。因此,深入研究并優(yōu)化混凝土的抗裂性能,對于提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性和經(jīng)濟(jì)性具有至關(guān)重要的意義。

影響混凝土抗裂性能的因素眾多,主要包括原材料性質(zhì)、配合比設(shè)計、施工工藝及環(huán)境條件等。其中,原材料如水泥、骨料、摻合料及外加劑等的選用,直接關(guān)系到混凝土的基本性能和抗裂能力。合理的配合比設(shè)計能夠確?;炷辆哂辛己玫墓ぷ餍阅芎土W(xué)性能,從而降低開裂風(fēng)險。同時,施工工藝的精細(xì)化和環(huán)境條件的控制也是提升混凝土抗裂性能的重要環(huán)節(jié)。通過嚴(yán)格控制施工過程中的溫度、濕度及養(yǎng)護(hù)條件等,可以有效減少混凝土因內(nèi)外溫差、干縮等因素引起的裂縫。

綜上所述,抗裂性能在混凝土結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用不容忽視。為了全面提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性和經(jīng)濟(jì)性,我們必須從原材料、配合比、施工工藝及環(huán)境條件等多個方面入手,共同優(yōu)化混凝土的抗裂性能。通過理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合,不斷探索和創(chuàng)新抗裂性能優(yōu)化策略,為混凝土結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。

纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能優(yōu)化策略

2.1纖維類型與摻量的優(yōu)化

在纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能優(yōu)化策略的研究中,纖維類型與摻量的優(yōu)化是至關(guān)重要的一環(huán)。不同纖維類型,如鋼纖維、聚丙烯纖維等,對混凝土抗裂性能的影響具有顯著差異。鋼纖維以其高強(qiáng)度和高模量著稱,能夠有效提升混凝土的抗拉強(qiáng)度和韌性,從而增強(qiáng)其抗裂能力。然而,鋼纖維的摻量需嚴(yán)格控制,過高的摻量可能導(dǎo)致混凝土工作性能下降,甚至引發(fā)新的裂縫問題。

相比之下,聚丙烯纖維具有較好的耐腐蝕性和分散性,能夠在混凝土中形成均勻的纖維網(wǎng)絡(luò),有效阻止裂縫的擴(kuò)展。聚丙烯纖維的摻量優(yōu)化同樣重要,適量的摻入可以顯著提升混凝土的抗裂性能,而過量摻入則可能影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

為了實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能的最佳效果,研究人員需綜合考慮纖維類型與摻量的優(yōu)化組合。通過對比不同纖維類型在相同摻量條件下的抗裂性能表現(xiàn),可以篩選出性能優(yōu)異的纖維類型。同時,通過調(diào)整纖維摻量,可以進(jìn)一步確定最佳摻量范圍,從而實(shí)現(xiàn)混凝土抗裂性能的最大化。

這一優(yōu)化策略的制定不僅依賴于理論分析,更需結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)對比不同纖維類型和摻量對混凝土抗裂性能的具體影響,可以為優(yōu)化策略的制定提供有力支持。此外,實(shí)際應(yīng)用中的效果反饋也是優(yōu)化策略不斷完善的重要依據(jù)。

2.2配合比設(shè)計的優(yōu)化

在纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能優(yōu)化策略的研究中,配合比設(shè)計的優(yōu)化也是至關(guān)重要的一環(huán)。水灰比和砂率等配合比參數(shù)對纖維增強(qiáng)混凝土的抗裂性能具有顯著影響,因此,深入探究這些參數(shù)的影響機(jī)制及優(yōu)化方法,對于提升混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性具有重要意義。

首先,水灰比是影響纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能的關(guān)鍵因素之一。水灰比過大會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙增多,從而降低其抗裂強(qiáng)度;而水灰比過小,則可能使混凝土過于干硬,難以充分振搗密實(shí),同樣影響其抗裂性能。因此,在配合比設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)具體工程要求和材料特性選取適宜的水灰比,以實(shí)現(xiàn)混凝土抗裂性能的最優(yōu)化。

其次,砂率對纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能的影響亦不可忽視。砂率過高或過低,都會對混凝土的抗裂性能產(chǎn)生不利影響。砂率過高時,混凝土中的骨料含量相對減少,導(dǎo)致混凝土的骨架作用減弱,抗裂性能下降;而砂率過低時,則可能使得混凝土拌和物過于黏稠,難以施工,同時也會影響其抗裂性能。因此,在配合比設(shè)計中,應(yīng)綜合考慮砂的細(xì)度模數(shù)、級配等因素,合理確定砂率,以提高混凝土的抗裂性能。

針對上述影響因素,可通過實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法,探究水灰比和砂率等配合比參數(shù)對纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能的具體影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實(shí)際需求和材料特性,提出針對性地優(yōu)化策略,如調(diào)整水灰比、優(yōu)化砂率等,以實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能的整體提升。同時,這些優(yōu)化策略的應(yīng)用效果還需通過實(shí)際工程驗(yàn)證和持續(xù)改進(jìn),以確保其在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性。

纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能試驗(yàn)研究

3.1試驗(yàn)方法與試件制備

在本研究中,為了深入探究纖維增強(qiáng)混凝土的抗裂性能,我們進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)方法與試件制備是確保研究結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先,我們詳細(xì)規(guī)劃了試驗(yàn)流程,包括材料選取、配合比設(shè)計、試件成型與養(yǎng)護(hù)等步驟。在材料選取方面,我們選用了高質(zhì)量的水泥、骨料和纖維,以確保試件的基礎(chǔ)性能。配合比設(shè)計則根據(jù)纖維的類型和摻量進(jìn)行調(diào)整,以形成具有不同性能的試驗(yàn)組別。

在試件制備過程中,我們嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程進(jìn)行,確保每個試件的質(zhì)量和尺寸符合要求。試件成型后,進(jìn)行充分的養(yǎng)護(hù),以確保其達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度。同時,我們還對試驗(yàn)條件進(jìn)行了嚴(yán)格控制,包括溫度、濕度等環(huán)境因素,以消除外部因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

通過精心設(shè)計的試驗(yàn)方法和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑嚰苽溥^程,為后續(xù)的纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能研究奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。這些試驗(yàn)不僅為我們提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持,還有助于更深入地理解纖維在混凝土中的作用機(jī)制,從而為優(yōu)化纖維增強(qiáng)混凝土的抗裂性能提供有力的理論支撐。

3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

在本研究中,我們進(jìn)行了纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能的試驗(yàn),并詳細(xì)記錄了裂縫形態(tài)、開裂荷載等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果顯示,纖維增強(qiáng)混凝土在受到外力作用時,其裂縫形態(tài)呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)混凝土顯著不同的特征。具體來說,纖維的加入有效地抑制了裂縫的擴(kuò)展,使裂縫呈現(xiàn)出更為細(xì)密且分布均勻的狀態(tài)。這一觀察結(jié)果表明,纖維在混凝土中起到了橋接裂縫、分散應(yīng)力的作用,從而顯著提高了混凝土的抗裂性能。

進(jìn)一步分析開裂荷載數(shù)據(jù),我們發(fā)現(xiàn)纖維增強(qiáng)混凝土的開裂荷載明顯高于傳統(tǒng)混凝土。這意味著在相同的外力作用下,纖維增強(qiáng)混凝土能夠承受更大的荷載而不發(fā)生開裂。這與纖維在混凝土中的增強(qiáng)作用密不可分。纖維的加入不僅提高了混凝土的韌性,還增強(qiáng)了其抵抗開裂的能力。

結(jié)合理論分析,可以得出以下結(jié)論:首先,纖維的加入改變了混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài),使應(yīng)力更為均勻地分散在混凝土基體中;其次,纖維與混凝土基體之間的界面粘結(jié)力增強(qiáng)了混凝土的整體性能,從而提高了其抗裂能力;最后,纖維的橋接作用在裂縫擴(kuò)展過程中起到了阻礙作用,有效延緩了裂縫的擴(kuò)展速度。

綜上所述,通過本次試驗(yàn)及理論分析,我們深入探討了纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能的優(yōu)化策略。試驗(yàn)結(jié)果表明,纖維的加入對提高混凝土的抗裂性能具有顯著效果。未來,我們將進(jìn)一步研究不同纖維類型、摻量及分布方式對混凝土抗裂性能的影響,以期為實(shí)際工程應(yīng)用提供更為科學(xué)、有效的指導(dǎo)。

纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能數(shù)值模擬與驗(yàn)證

4.1數(shù)值模擬方法的選擇與建立

在纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能優(yōu)化策略的研究中,數(shù)值模擬方法的選擇與建立是至關(guān)重要的一環(huán)。為了更準(zhǔn)確地模擬纖維增強(qiáng)混凝土的抗裂性能,本研究首先對比了多種數(shù)值模擬方法,包括有限元法、離散元法以及擴(kuò)展有限元法等,綜合考量其計算精度、效率以及對材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)描述的準(zhǔn)確性。經(jīng)過深入分析,本研究最終選定了擴(kuò)展有限元法作為主要的數(shù)值模擬手段。

擴(kuò)展有限元法相較于傳統(tǒng)有限元法,在處理裂紋擴(kuò)展問題時具有更高的靈活性和精度。它能夠在不重新劃分網(wǎng)格的情況下,模擬裂紋的萌生、擴(kuò)展直至貫穿整個過程,從而更真實(shí)地反映纖維增強(qiáng)混凝土在受力過程中的抗裂行為。在建立數(shù)值模型時,我們充分考慮了纖維的類型、含量、分布以及混凝土基體的力學(xué)性能等因素,力求構(gòu)建一個能夠全面反映纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能的數(shù)值模型。

在模型建立過程中,我們嚴(yán)格遵循了理論分析與實(shí)際相結(jié)合的原則。通過對比不同參數(shù)設(shè)置下的模擬結(jié)果,不斷優(yōu)化模型參數(shù),確保模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測纖維增強(qiáng)混凝土在不同工況下的抗裂性能。同時,我們還結(jié)合了具體的工程案例,將模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證,進(jìn)一步提升了模型的可靠性和實(shí)用性。

綜上所述,通過精心選擇與建立數(shù)值模擬方法,我們成功構(gòu)建了能夠全面反映纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能的數(shù)值模型。這一模型不僅為深入研究纖維增強(qiáng)混凝土的抗裂機(jī)理提供了有力工具,也為優(yōu)化其抗裂性能策略提供了科學(xué)的理論支撐。

4.2數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能優(yōu)化策略的研究中,數(shù)值模擬結(jié)果的展示與試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)具有舉足輕重的地位。通過先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù),我們得以在計算機(jī)環(huán)境中模擬纖維增強(qiáng)混凝土在受力過程中的各種性能表現(xiàn),包括其抗裂性能的各個方面。這些模擬結(jié)果以數(shù)據(jù)的形式詳細(xì)記錄了混凝土在不同條件下的裂縫發(fā)展情況、應(yīng)力分布以及纖維的增強(qiáng)效果等關(guān)鍵信息。

為了驗(yàn)證這些數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,我們進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證工作。通過設(shè)計嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑囼?yàn)方案,在實(shí)際環(huán)境中再現(xiàn)了數(shù)值模擬中的條件,并收集了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。隨后,將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了細(xì)致地比對分析。這一過程中,特別關(guān)注了兩者在裂縫出現(xiàn)位置、擴(kuò)展速度以及最終破壞形態(tài)等方面的吻合程度。

通過對比分析,我們發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在多個關(guān)鍵指標(biāo)上均表現(xiàn)出了高度的一致性。這不僅驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性,也為后續(xù)的優(yōu)化策略研究提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。同時,這一驗(yàn)證過程也體現(xiàn)了理論與實(shí)踐的緊密結(jié)合,充分展現(xiàn)了本研究在纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能優(yōu)化方面的新穎性和深度。

結(jié)論與展望

5.1研究結(jié)論總結(jié)

本研究通過對纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能的優(yōu)化策略進(jìn)行深入探討,得出了一系列具有實(shí)踐指導(dǎo)意義的結(jié)論。首先,纖維的加入顯著提高了混凝土的抗裂性能,這得益于纖維在混凝土基體中的橋接作用,有效阻止了裂縫的擴(kuò)展。其次,優(yōu)化策略中涉及的纖維類型、摻量及分布方式等關(guān)鍵因素均對混凝土抗裂性能產(chǎn)生顯著影響。通過對比分析不同纖維類型及摻量下的混凝土性能表現(xiàn),本研究確定了最佳的纖維配比方案,為實(shí)際工程應(yīng)用提供了有力支持。

然而,纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能的優(yōu)化策略并非萬能,其在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一定的局限性。例如,在高強(qiáng)度、高耐久性要求的極端環(huán)境下,纖維增強(qiáng)混凝土的長期性能穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。此外,纖維的加入雖然提高了混凝土的抗裂性能,但也可能對混凝土的其他性能,如工作性、強(qiáng)度等產(chǎn)生一定影響。因此,在實(shí)際應(yīng)用中需綜合考慮各方面因素,制定針對性地優(yōu)化方案。

綜上所述,本研究通過理論與實(shí)踐相結(jié)合的方法,深入剖析了纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能優(yōu)化策略的有效性及局限性。相關(guān)研究成果不僅為纖維增強(qiáng)混凝土在抗裂領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論依據(jù),也為后續(xù)研究提供了新的思路和方法。

5.2未來研究方向展望

針對纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能研究的未來發(fā)展方向,本文提出以下建議:首先,應(yīng)進(jìn)一步深入探究纖維與混凝土基體之間的界面性能,以揭示纖維增強(qiáng)機(jī)制的本質(zhì)。通過微觀結(jié)構(gòu)和界面力學(xué)性能的詳細(xì)分析,有望為優(yōu)化纖維增強(qiáng)效果提供理論基礎(chǔ)。其次,考慮到纖維種類、長度、直徑以及摻量等因素對混凝土抗裂性能的綜合影響,未來研究可構(gòu)建更為精細(xì)的纖維參數(shù)優(yōu)化模型,以實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能的最大化。此外,隨著新材料技術(shù)的不斷發(fā)展,探索新型纖維材料在混凝土抗裂領(lǐng)域的應(yīng)用也具有重要意義。例如,研發(fā)具有更高強(qiáng)度、更好耐久性的纖維材料,或?qū)⒍喾N纖維混雜使用,以形成優(yōu)勢互補(bǔ),共同提升混凝土的抗裂性能。最后,實(shí)際工程應(yīng)用是檢驗(yàn)理論研究成果的重要標(biāo)準(zhǔn)。因此,未來研究應(yīng)加強(qiáng)與工程實(shí)踐的結(jié)合,通過在實(shí)際工程中應(yīng)用并驗(yàn)證纖維增強(qiáng)混凝土抗裂技術(shù)的有效性,推動該技術(shù)的廣泛應(yīng)用與持續(xù)發(fā)展。

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供稿人:施招華

編輯員:李海亮

審核人:孫繼成,寧夏

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《常見預(yù)拌混凝土質(zhì)量事故分析百例》圖書

《預(yù)拌混凝土企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)室建設(shè)指南》圖書

混凝土技術(shù)發(fā)展中心(以下簡稱“中心”)隸屬建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所,主要職能是跟蹤分析和研究國內(nèi)外混凝土行業(yè)科技前沿動態(tài),為全國混凝土行業(yè)開展技術(shù)服務(wù)工作,包括出版技術(shù)期刊、研究制定標(biāo)準(zhǔn)、開展技術(shù)咨詢、舉辦技術(shù)會議、承擔(dān)行業(yè)培訓(xùn)、從事認(rèn)證評價和開發(fā)研究等,中心是建材情報所主要業(yè)務(wù)部門之一。中心擁有員工10人,其中博士3人,正高職稱3人,副高職稱4人。中心掛靠的行業(yè)協(xié)會分支機(jī)構(gòu)包括中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會混凝土專業(yè)委員會、中國散裝水泥推廣發(fā)展協(xié)會預(yù)制建筑產(chǎn)業(yè)專業(yè)委員會、中國砂石協(xié)會建筑固廢利用分會、建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所雙碳研究中心。依托中心成立的平臺有預(yù)拌混凝土質(zhì)量追溯公共服務(wù)平臺、混凝土行業(yè)數(shù)字化服務(wù)平臺、中國商品混凝土行業(yè)企業(yè)專家委員會(擁有200余名行業(yè)一線專家)、北京砼享未來工程技術(shù)研究院(會員制技術(shù)和管理服務(wù))。

中心每年參與多個混凝土技術(shù)咨詢和技術(shù)服務(wù)項目,包括雄安新區(qū)混凝土項目咨詢、河北省多個高速公路高性能混凝土技術(shù)咨詢、固廢基膠凝材料和再生復(fù)合摻合料研發(fā)和制備技術(shù),以及數(shù)十個混凝土企業(yè)的技術(shù)服務(wù)工作。開展預(yù)拌混凝土綠色產(chǎn)品認(rèn)證和科技成果評價工作。

咨詢電話:孫繼成 焦素芳 李海亮 13520073698 13521286915



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