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1 前 言

混凝土固有的抗拉强度低、脆性大、易开裂等缺点，使其不能很好地满足现代社会人们对建筑功能的需求。在混凝土中掺加高弹模纤维如钢纤维，能有效地提高混凝土的抗拉强度和断裂韧性，对阻止硬化混凝土裂缝扩展具有良好的效果[1,2]。但是相关研究表明[2]，钢纤维对混凝土的抗压强度并没有明显的增强效果，而且钢纤维混凝土的纤维用量大，钢纤维价格较高，易生锈，因此使得钢纤维混凝土在应用和推广中受到了一定的限制。掺入高延性的有机纤维如聚丙烯纤维，虽然混凝土的强度会有所降低，但在解决混凝土早期塑性开裂，减少混凝土干燥收缩变形等方面有显著的效果，同时还可增强混凝土的抗渗性和耐久性[3]。因此，研究人员根据混杂纤维的相关理论，按照一定的比例将材料组合，使不同性质的纤维混杂掺入到混凝土中，使其在不同层次和受力阶段发挥各自的优点来改善混凝土的相关性能[4]。

混杂纤维混凝土有效地发挥纤维各自的性能，使纤维混凝土的增强增韧效果优于单一纤维，即所谓的1+1>2效应。对于混杂纤维混凝土的研究，国外始于上世纪七十年代，Walton等[5]于1975年研究了无机纤维和有机纤维共同工作时基体的抗拉性能和抗冲击性能。我国于本世纪初才开始对混杂纤维混凝土进行理论和应用方面的研究。纤维材料本身的制造工艺、经济因素、技术发展水平等都限制了混杂纤维混凝土的研究进展。近年来，随着技术水平与经济能力的提高，混杂纤维混凝土越来越受到业内的关注，被广泛地应用在桥梁、大型隧道、机场跑道、路面、大跨度结构等现代重大工程中，科研成果也日益丰富。

2 纤维混凝土的增强机理研究现状

目前，对纤维混凝土的增强作用机理主要存在两种理论：复合材料力学理论和纤维间距理论。这两种理论从不同方面解释了纤维对混凝土力学性能的增强机理，并得出了一致的结论。

2.1 复合材料力学理论

复合材料理论[6-7]是将多种单一材料结合或混合之后所构成的材料看成一个整体的多相系统，其性能就是各个单相性能的叠加值。该理论将纤维混凝土看作一个纤维增强多相体系，应用混合律法则推导出纤维混凝土的强度、应力和弹性模量等，并引入纤维方向系数和纤维长度系数两个参数。在利用复合材料力学理论进行纤维混凝土的理论研究时，基于以下假设：(1)纤维沿受力方向连续均匀平行排列；(2)纤维与混凝土基体间变形协调一致，无相对滑动；(3)纤维与混凝土基体各向同性，呈弹性变形。

2.2 纤维间距理论

纤维间距理论又被称为纤维阻裂理论[6]，1963年Romualdi[8]提出，该理论以断裂力学为基础，论述了纤维对于裂缝的发生和发展所产生的约束作用，约束模型如图1所示。这一理论认为当纤维均匀地分布于混凝土基体时，可以起到阻止基体内部微裂缝发展的作用，达到纤维对混凝土的增强、阻裂和增韧的效果。可以假设在混凝土基体内部有发生微裂缝的趋势，当任何一条微裂缝发生，而且有可能向任意方向扩展时，在最远不超过纤维在混凝土基体内的纤维平均中心距S的路程内，该裂缝将遇到横亘在它前方的一根纤维。正是因为这根纤维的存在，使裂缝发展受阻，只能在混凝土基体内形成类似于无害孔洞的封闭空腔或内径非常小的孔洞。

图1 Romualdi的纤维约束模型 (a) 纤维混凝土块体； (b) A-A断面Fig.1 Fiber constraint model of Romualdi (a) Scheme of hybrid fiber reinforced concret body; (b) Cross section of hybrid reinforced concret

3 纤维混凝土混杂效应研究现状

纤维混凝土的混杂效应分为正混杂效应和负混杂效应，负混杂效应主要是由于纤维掺入过多，降低了纤维的增强作用，目前已有许多学者对正负混杂效应进行了定义和分析。

2005年Banthia N[9]等人提出了混杂效应的定义公式：

(1)

其中，当synergy>0时，混杂纤维发挥正混杂效应；当synergy<0时，混杂纤维发挥负混杂效应。同时华渊等[10]定义了用来评价纤维混杂效应的“混杂系数”，A、B两种纤维的混杂效应为：

(2)

式中，β为强度增强系数，其值为纤维掺杂导致纤维增强混凝土相对于基准混凝土强度的增长，α为混杂系数，当α>1时为正混杂效应，α<1时为负混杂效应。梅国栋等[11]也提出了混杂效应的评价方法，将纤维增强系数βc定义为混杂纤维混凝土弯拉强度和同配合比素混凝土弯拉强度的比值，定义混杂效应系数为：

αc,h=βc,sp-βc,s×βc,p

(3)

当αc,h>0，认定为正混杂效应，αc,h<0则为负混杂效应。王成启等[12]则以断裂力学为基础分析了混杂纤维混凝土的增强增韧机理，定义了一个混杂纤维增强效应系数，建立了不同尺寸纤维抑制混凝土裂缝扩展的模型。

通过试验结果分析不同纤维混杂对混凝土基体产生的混杂效应，得到能够发挥纤维增强作用的最佳混合比是研究人员的主要目的。贺晶晶等[13]提出了“纤维混杂效应函数”，该函数直观地反映了“纤维混杂耦合作用”对混凝土力学性能的影响，使得通过简单试验来预测几种混杂纤维对基体混凝土性能改善的最佳体积掺加率，进而最佳混杂比变得更加容易，并利用该函数分析了聚丙烯纤维与玄武岩纤维对混凝土基体力学性能的影响。

在实际试验中既会出现正混杂效应，也会发生负混杂效应。O Cengiz[14]等人于2004年进行的钢纤维以及高性能聚丙烯纤维喷射混凝土板力学性能的对比试验，分析结果表明钢纤维与聚丙烯纤维混杂在混凝土基体中表现出积极的协同效应。海然等[15]对钢纤维与聚乙烯醇纤维的混杂效应的研究，同样表明钢纤维和聚乙烯醇纤维均能提高混凝土的弯拉性能；钢纤维与聚乙烯醇纤维在改善超高性能混凝土弯拉性能上具有良好的协同效应。而2009年朱海堂等[16]利用楔劈拉伸断裂试验研究了混杂纤维高强混凝土断裂参数的纤维混杂效应。结果表明，钢纤维对混杂纤维高强混凝土断裂性能的改善起主导作用，而聚丙烯纤维在这一方面具有较大的局限性。2011年NA Libre[17]等人为了提高轻骨料混凝土的延性将钢纤维与聚丙烯纤维以不同混杂比加入到混凝土基体中，研究结果表明，当钢纤维含量为1%时其抗拉强度从1.9MPa增加到4.1MPa，抗弯强度从2.17MPa增加到7.3MPa，均高于混杂纤维混凝土。这种情况即可认为出现了负混杂效应。

4 混杂纤维混凝土力学性能研究现状

混杂纤维混凝土的力学性能是国内外学者的研究重点。研究人员通过对不同种类的纤维进行混杂，对混杂纤维增强混凝土进行抗压、抗拉、抗弯、抗折和抗冲击等试验，得到混杂纤维的合理掺杂比，使其混杂效应达到最优。混杂纤维增强混凝土最常采用的混杂组合是高弹模的金属纤维与低弹模的合成纤维，如钢纤维与聚乙烯纤维[18]，钢纤维与聚丙烯纤维等。

国外学者[19-20]将聚丙烯纤维和钢纤维按照不同比例混杂掺加到混凝土中，研究了循环荷载作用下混杂纤维增强混凝土的基本力学性能，结果显示混杂纤维混凝土作为新型复合材料具有较大优势。K.P.Suganraj等还得到，钢纤维与聚丙烯纤维混杂比为3∶1时混杂纤维混凝土的力学性能达到最优。

Ahmed S等[21-23]和Afroughsabet V等[24]进行了一系列混杂纤维混凝土力学性能的试验，研究并探讨了钢纤维和聚丙烯纤维的加入对高强混凝土抗压强度，劈裂抗拉强度，抗弯强度等的影响。研究发现，掺入混合纤维的水泥基体的拉伸强度和抗弯强度均高于单独加入聚乙烯纤维。 Afroughsabet V试验结果表明，在不同体积分数的钢纤维和聚丙烯纤维的组合中，体积分数为0.85%钢纤维和0.15%的聚丙烯纤维的混杂能达到最优的增强效果。

国内学者也对钢纤维和聚丙烯纤维混杂增强混凝土进行了大量的试验研究和分析。Qian C X等[25]和李燕飞等[26]分别对钢纤维与聚丙烯纤维混杂纤维增强混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度进行了试验。结果表明，与普通混凝土相比纤维混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度都有显著提高，并且混杂纤维增强效果更加明显。2011年，李智等[27]进行了冲击压缩性能试验，并比较了混杂纤维混凝土与钢纤维混凝土的动态抗压性能，试验结果表明，在相同钢纤维掺量下，混杂纤维混凝土具有明显的应变率效应，其动态抗压性能明显优于单掺钢纤维混凝土。2014年，徐礼华等[28]综合考虑纤维种类、长径比、体积掺量三个主要因素，对纤维混凝土试件进行了轴心抗拉试验。研究结果表明随钢纤维和聚丙烯纤维特征值提高，混杂纤维混凝土轴心受拉应力-应变全曲线特征点的应力、应变均有明显的提高。姚志雄等[29]通过三点弯曲梁法测试了钢纤维、混杂纤维在混凝土断裂的不同阶段发挥的作用并提出了“纤维连锁”的概念。

近年来对其他种类纤维组合增强混凝土的研究逐渐增加，混杂纤维混凝土研究成果更加全面。

2002年，姚武等[30]根据高性能混凝土材料的多层次结构性，将碳纤维和钢纤维进行混杂掺入到混凝土中，对其抗压、劈裂抗拉、抗折和弯曲韧性进行试验研究。结果表明，在其体积掺量为 0.5%的情况下混杂纤维明显提高了混凝土的强度和韧性，并且在混凝土材料初裂后表现出明显的应变硬化行为。

Kamile Tosun Felekoglu[31]在2013年进行了掺杂聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维的不同强度水泥石在弯曲荷载作用下的试验，研究了混杂纤维对多缝裂纹潜力的影响，结果表明，随着聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维的掺量比的提高，水泥石的延性也呈增长趋势，而掺加了聚乙烯醇纤维的基体明显减少了裂纹数目。

2015年，邓宗才[32]将钢纤维和粗聚丙烯烃纤维混杂，对高强钢筋混杂纤维增强活性粉末混凝土梁进行抗剪试验。试验结果表明，混杂纤维能够显著改善梁的抗剪变形能力，使梁由脆性剪切破坏变为延性破坏，粗聚烯烃纤维能有效阻止临界斜裂缝的扩展，峰值荷载后承载力下降缓慢。此文首次提出了剪切韧性指数的概念，用来表示混杂纤维增强混凝土梁的剪切变形能力和韧性；依据塑性理论,首次在抗剪承载力公式中引入塑性剪切系数,综合考虑混杂纤维阻裂、桥联作用和剪跨比对剪切承载力和变形的影响。

同年，M. P. Karthik 等[33]分别研究了钢纤维(ST)和聚丙烯纤维(PP)混杂以及钢纤维和聚对苯二甲酸乙二酯纤维(PET)混杂对混凝土力学性能的影响。试验结果表明混杂纤维的加入增强了素混凝土基体的力学性能，其中体积分数为0.38ST与0.12PET组合的混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度及极限抗剪应力均优于ST与PP组合及单一纤维混凝土。

G. Pons等[34]和丁一宁等[35]均探究了混杂纤维对自密实混凝土力学性能的影响。研究结果表明:掺入混杂纤维的自密实混凝土表现出多条裂缝破坏模式，拉应力分布更均匀，混杂纤维自密实混凝土相比单一纤维自密实混凝土表现出更好的韧性。

纤维混杂并不单指两种纤维的混杂，Banthia[36]将混杂纤维分成三种，即基于纤维几何尺寸的混杂、基于纤维本构关系的混杂、基于纤维功能的混杂。M Hsie等[37]和DAS Rambo等[38]进行了不同尺寸的同种纤维的混杂试验，对其力学性能进行了对比分析。M Hsie等人试验中将两种聚丙烯纤维即粗单丝纤维与短纤维混杂，并将试验结果与单一纤维混凝土进行对比。试验结果表明，短纤维具有良好的细度和分散性，可以抑制初级阶段的裂缝，而粗单丝纤维具有高的弹性模量和硬度，含量高时可以发挥类似钢纤维的作用，两种纤维在混凝土基体中发挥各自的优势，使得聚丙烯纤维混杂纤维增强混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯性能优于单纤维增强混凝土。DAS Rambo等人将两种不同的钢纤维进行混杂，研究其对自密实混凝土机械性能的影响，研究表明纤维的混杂可以起到抑制或减缓裂纹的产生和扩展，改善混凝土的力学性能的作用。

5 混杂纤维混凝土耐久性研究现状

混杂纤维增强混凝土耐久性的研究主要集中在疲劳变形性能、抗裂防渗、抗冻性能和抗腐蚀性能等方面。

5.1 疲劳变形性能

在反复荷载作用下，裂缝的引发、扩展、回复、再引发、再扩展、再回复的循环过程被称为纤维混凝土的疲劳过程。混凝土疲劳性能的研究对于承受动荷载的混凝土结构设计来说相当重要，是工程界十分关注的问题。

2008年，刘毅等[39]分别研究了高性能纤维素纤维、钢纤维、纤维素纤维及钢纤维混杂纤维混凝土的弯曲疲劳性能。试验结果表明，混杂纤维混凝土充分发挥各种纤维的优势，相较于单掺钢纤维和纤维素纤维，混杂纤维对混凝土疲劳性能的提高有明显的优势。

邹尤[40]，陈猛等[41]，常佳伟[42]均进行了钢-聚丙烯混杂纤维混凝土与普通混凝土的弯曲疲劳试验。结果表明，混杂纤维混凝土在循环荷载作用下的疲劳破坏表现为良好的塑性性质，混杂纤维加入可以显著提高混凝土的弯拉强度，在各个应力水平下，混杂纤维混凝土的疲劳寿命均高于普通混凝土。Surinder Pal Singh[43]，将试验数据进行分析处理，得到钢-聚丙烯混杂纤维增强混凝土的S-N-Pf曲线，确定其疲劳寿命。

5.2 收缩抗裂性和抗渗性

目前大多数研究结果表明纤维混杂后可以减小基体混凝土的收缩，提高混凝土的抗裂性和抗渗性。孙伟等[44]选用不同尺度的钢纤维、维纶纤维与聚丙烯纤维，按照二元或三元混杂增强水泥基复合材料，系统研究了其限缩和抗渗性能。试验结果表明，当纤维总体积掺量相同时，三元混杂的减缩效果最好，二元混杂次之，单掺效果较差。

何晓达[45]分析了高性能混凝土和单掺纤维混凝土的不足，将钢纤维与聚丙烯纤维混杂进行了一系列正交试验，结果表明，将混杂纤维掺入混凝土中，充分发挥了每种纤维的优势，产生了复合叠加增强效应，抑制了混凝土早期收缩性能，并且混杂纤维混凝土的抗渗性能力优于普通混凝土以及单掺混凝土。2012年，黄杰[46]通过对不同掺量的混杂纤维混凝土进行抗渗性研究，试验结果表明，随着聚丙烯纤维掺量的增加。混杂纤维混凝土的抗渗性逐渐提高，钢纤维也有一定的影响，但是不如聚丙烯纤维提高效果显著。

2014年，贺晶晶[47]将玄武岩纤维和聚丙烯纤维按照不同比例进行混杂，对混杂纤维混凝土进行抗渗试验。结果表明，纤维的加入对混凝土基体的抗渗性能有很大的提高，其中，2∶1混杂纤维系列在掺量为0.3%时，对混凝土基体的抗渗性提高了25%。赵兵兵等[48]采用渗水高度法对上述不同纤维比例的混凝土进行抗渗试验，结果同样表明，聚丙烯纤维对混凝土基体抗渗性能的增强效果最为显著。

同时，也有研究表明混杂纤维对混凝土基体抗渗性能会产生不利影响。朱安标[49]的研究发现，纤维单掺或是混杂掺入混凝土中均降低了混凝土基体的抗渗性。单掺聚丙烯纤维对混凝土基体的抗渗性能降低幅度较大，单掺钢纤维则对混凝土基体的抗渗性能降低幅度较小；在相同体积掺加率下,混杂纤维系列混凝土对混凝土基体的抗渗性影响大于单掺钢纤维混凝土，但小于单掺聚丙烯纤维混凝土。

国外研究人员对混杂纤维影响混凝土基体的收缩抗裂性也进行了大量的试验研究。Banthia N等[50]将钢纤维与聚丙烯纤维混杂掺入到素混凝土基体中，对其进行断裂试验并与普通混凝土开裂后的力学性能进行对比，结果表明，纤维的加入提高了混凝土的承载能力，改善了混凝土的延性。Lawer J S等[51]研究了超细纤维和长纤维混杂纤维增强混凝土的透水性和收缩抗裂性能。结果表明，混合纤维混凝土可以延迟裂纹发展，同普通混凝土相比表现出更好的抗裂性能。Sorelli L G等[52]认为不同尺寸的钢纤维混合组合可以提高混凝土的韧性，不同长度纤维混杂时，长度长的纤维可抑制混凝土宏观裂缝的发展，短的纤维可以提高混凝土的初裂强度。

5.3 抗冻性和抗腐蚀性

目前大部分学者认为在一定范围内掺入混杂纤维可以在一定程度上改善混凝土的抗冻性，但也有学者持不同意见。

贺东青等[53]分别对普通混凝土、层布式钢纤维混凝土以及层布式混杂纤维混凝土在冻融循环下进行了相对动弹性模量、强度及质量变化的对比试验，探讨了层布式钢纤维与聚丙烯纤维混杂应用对混凝土耐久性能的影响。结果显示掺入层布式混杂纤维的混凝土明显提高了混凝土的抗冻融耐久性能。

张腾[54]研究了不掺纤维、单掺纤维、混杂纤维以及不同纤维掺入量对C60高强混凝土抗冻性能的影响，并利用评价混杂纤维混凝土混杂效应的指标——混杂系数，系统地分析和对比了不同情况下纤维对C60高强混凝土耐久性能的影响。发现纤维混凝土的抗冻性能和耐腐蚀性能都明显优于不掺纤维混凝土。

2015年，朱晨飞等[55]采用钢-玄武岩纤维增强混凝土的技术，进行了冻融试验，研究了钢纤维与玄武岩纤维混杂对混凝土抗冻性的影响。研究结果表明，当钢纤维体积掺率为1.5%、玄武岩纤维体积掺率为0.05%时，混凝土的抗冻性最好。

马晓华[56]研究发现在一定掺量范围内钢纤维和聚丙烯纤维混杂，能增加混凝土含气量并抑制裂缝的发展，进而提高混凝土的抗冻性，但是加入过多的聚丙烯纤维反而会降低混凝土的抗冻性。杨成蛟[57]对钢-改性聚丙烯混杂纤维混凝土进行了抗冻性试验，结果表明，钢-改性聚丙烯混杂纤维混凝土的抗冻性改善并不是很明显。因此混杂纤维能否改善混凝土的抗渗性和抗冻性能还有待进一步研究。

部分学者还对混杂纤维混凝土的抗腐蚀性能进行了试验研究。2014年，王学志等[58]分别对单掺玄武岩纤维、聚丙烯纤维混凝土以及不同掺杂比例的混杂纤维混凝土进行抗硫酸盐腐蚀试验。试验结果表明，混杂纤维系列纤维混凝土的抗硫酸腐蚀性能优于单掺纤维系列纤维混凝土。张猛[59]则研究了混杂纤维高强自密实混凝土在碱性溶液中的力学性能，结果表明，混杂纤维的掺入能够延缓混凝土力学性能在碱性溶液中的衰减；同时对其内部结构进行了电镜观察，从微观结构方面解释了混杂纤维对自密实混凝土耐碱性腐蚀的增强作用。

6 对高温后混杂纤维混凝土力学性能的研究现状

火灾是现代建筑结构面临的重大安全问题之一，在高温下混凝土结构内部温度升高，内外形成不均匀温度场，使材料性能劣化，甚至爆裂坍塌，导致结构的承载力下降，将会带来巨大的生命和财产损失。在普通混凝土中加入纤维，利用纤维的增强机理提高普通混凝土的耐高温性能，是近年来国内外学者研究的重点课题之一。

Mitsu Tateo[60]研究了高温下混杂纤维混凝土抗爆性的最优掺量，结果表明，掺加体积率为 0.05%～0.50%，长度为5～40mm，直径为5～500μm的有机纤维并掺入适量玻璃纤维、钢纤维等，两种纤维比例为1∶0.2～20 时，具有较好的抑爆效果。

鞠丽艳等[61]、刘沐宇等[62]、燕兰等[63]均将低熔点的聚丙烯纤维与高熔点的钢纤维混杂，对比分析了混杂纤维增强高性能混凝土与普通混凝土的高温力学性能。结果显示，800℃时，混杂纤维混凝土抗折强度剩余、抗压强度剩余、劈裂抗拉强度剩余均明显高于基准混凝土，而且混杂纤维显著提高了混凝土的抗爆裂性能。郑文忠等[64]则对比分析了钢纤维、聚丙烯纤维和混杂纤维对活性粉末混凝土高温爆裂的抑制效果，结果表明，钢纤维和聚丙烯纤维混杂对活性粉末混凝土爆裂的抑制效果更明显。

李艺等[65]对受热150℃后的混杂纤维混凝土进行力学性能以及耐久性试验，结果表明，钢纤维、聚丙烯纤维、粉煤灰混杂纤维混凝土对高温后混凝土的抗渗性均起到增强作用，其中剪切螺纹型钢纤维的影响最为显著，聚丙烯纤维次之，而将剪切螺纹型钢纤维与超短超细高强钢纤维混杂掺入到混凝土基体制成的混凝土适宜用作核废料贮存容器。

李晗[66]通过对混杂纤维混凝土试块进行高温后抗压试验，研究了温度、纤维种类、纤维掺量以及混凝土基体强度等级对混凝土高温后抗压强度的影响。试验结果表明，在钢纤维体积率为1%，聚丙烯纤维体积率为0.1%时，混杂纤维混凝土高温后的抗压性能明显优于普通混凝土。

余婵娟等[67]测试了钢/聚丙烯混杂纤维自密实混凝土在高温下的弯曲性能。研究发现混杂纤维自密实混凝土在高温下的弯曲性能明显优于普通自密实混凝土和单掺纤维自密实混凝土，钢纤维与聚丙烯纤维以及钢纤维与聚乙烯醇纤维在高温下均表现出了明显的正混杂效应；聚丙烯纤维有利于抵抗混凝土爆裂,而钢纤维对于提高混凝土高温下的剩余承载能力具有重要作用。

Sriskandarajah Sanchayan等[68]将钢纤维和聚乙烯醇纤维混合研究了不同混杂比的混杂纤维混凝土在高温下的残余抗压强度、残余弹性模量以及轴向热变形等力学性能。研究表明，体积掺量为1%的钢纤维和1%的聚乙烯醇纤维组合可以产生最佳的整体效果，混杂纤维的掺加改善了混凝土的高温性能。

7 存在的问题与展望

现阶段混杂纤维混凝土研究仍是混凝土研究的一个新兴领域，尚无其应用的详细规范。目前在混杂纤维混凝土力学性能方面的研究，对混杂纤维能提高混凝土抗压、抗折和劈裂强度，显著增强混凝土的抗裂性能和韧性已基本达成共识。但是在许多方面尚有待进一步系统地探讨和研究，以形成更多的共识，诸如纤维的最优掺杂比、本构关系、抗震性能、抗渗性和抗冻性等方面。

近年来我国对建筑结构防灾减震的要求有所提高，混杂纤维混凝土的应用前景十分广阔。但目前工程上大多采用单一纤维来增强混凝土的力学性能，效果并不是很理想。应用混杂纤维增强混凝土效果显著，后续研究中应将理论研究、工程试验与数值模拟结合起来，形成系统的增强机理模型，明确不同纤维的混杂效应，建立纤维混凝土的本构关系，为混杂纤维混凝土在实际工程中的推广和应用提供理论基础和技术支持。

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