混凝土骨料.doc

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除第4章骨料4.1 骨料的作用骨料(Aggregate)是粒形材料，通常不具备化学活性，分散在整个水泥浆基体中。由于骨料价格远低于水泥，因而主要用于降低混凝土成本。然而，从定量分析的角度出发，骨料也起着重要的作用：它们占去了混凝土体积的2/33/4 ，有利于保证混凝土的体积稳定性(第15章)和耐久性(第11章)。而且，骨料对高强混凝土的影响很大。骨料最明显的特征是其颗粒形状，实际上骨料是由很多的松散颗粒组成(图4.1)。如果颗粒粒径小于4 5mm，则称之为砂(Sand)；如果颗粒粒径大于45mm，则称之为粗骨料(Coarse Aggregate)。

2、还可以将骨料分为砾石(Gravel，天然骨料)和碎石(Crushed Stone，人工骨料)。砾石通常从河道中开采而得，圆形、表面光滑；破碎骨料由岩石破碎而得，无规则状、表面粗糙。在没有特殊说明的情况下，术语“骨料”包含细骨料(砂)和粗骨料(砾石或碎石)。图4.1 砂、砾石和碎石骨料的另一个重要特征是颗粒中存在连通孔隙。骨料的孔隙率影响其吸水特性，进而影响新拌混凝土的工作性和硬化混凝土的性能，如强度和抗冻耐久性。在随后的内容中，首先介绍骨料的选用准则，然后是骨料的级配要求及参数，最后是骨料的吸水特性。4.2 骨料的选用准则并不是所有的骨料(包括天然骨料和由岩石破碎加工而成的人工骨料)都适用于混

3、凝土结构。对于骨料，还有很多基本要求，如果满足不了这些要求，即使不是暴露在侵蚀性环境，混凝土也可能劣化。这些要求包括骨料中不能含有会减少混凝土耐久性的有害物质。有害物质包括氯化物、硫酸盐、碱-活性硅、黏土及有机杂质。而且，骨料还必须具备良好的抗冻耐久性，这点要求骨料中的空隙要少，而隧石、页岩以及一些多孔的石灰岩往往不能满足该要求。在骨料第一次用于混凝土或者在缺少以往经验时，至少要对骨料中有害物质和抗冻行为进行一次检测。一旦确定该骨料可以用于混凝土中，如果骨料没有其他的问题(例如骨料供应源有了改变)，每年还至少要对骨料重复检测两次。4.2.1 氯化物骨料中氯化物(Chloride)的含量极限(0

4、.05%)与钢筋腐蚀风险密切相关。在素混凝土(不含增强钢筋)中除非由于混凝土结构在干湿交替条件下盐沉积致使表面损伤(风化，Effiorescence)，骨料即使含有氯化物也不会存在任何严重劣化风险。也有一些例外，比如被氯化物污染的骨料海砂。理论上，海砂只有在经过一系列的清洗，将水溶性盐(如NaCl)除去之后，才能用作混凝土细骨料。4.2.2 硫酸盐硫酸盐可能以石膏(Gypsum , CaSO42H2O)或硬石膏(Anhydrite , CaSO4)的形式存在于骨料中。如果骨料中硫酸盐含量超过极限值0.2%(以SO3计)，则由于在硬化混凝土中钙矾石的结晶膨胀可能引起混凝土开裂(内部硫酸盐侵蚀)。

5、有人也许会问：为什么在水泥中石膏可以存在且必不可少，而在骨料中却是破坏之源？水泥中的石膏与熟料一同掺人进行二次粉磨(图2.2), 由于颗粒很细，很快地溶解在拌合水中，并立即与熟料中的铝酸盐反应，形成钙矾石覆盖膜（称为“一次”钙矾石），并覆盖在水泥颗粒表面，因而阻止水泥快速凝结，此时，硫酸盐的作用是调整凝结时间。由于“一次(Primary)”钙矾石均匀地分布在所有水泥颗粒表面，而且只在水化过程最初的几个小时生成，那时混凝土仍处于塑性阶段，仍具有变形能力，因此，“一次”钙矾石的形成不会产生不利影响。与此相反，骨料中存在的石膏或硬石膏颗粒尺寸较大，封闭了毛细管孔隙，很难溶解于搅拌水中。因此，在数月甚

6、至几年后，硫酸盐才会逐渐开始与水泥水化产物C-A-H缓慢反应。由于是在后期生成，通常称之为“二次(Secondary)”或“延迟(Delayed)”钙矾石。在硬化和坚硬的混凝土中生成此类钙矾石时，由于该化学反应是膨胀的，因而会带来有害变形。骨料中石膏的分布越不均匀，混凝土开裂的风险就越大。裂缝形成于石膏颗粒附近，进而在混凝土中形成应变梯度。海砂经水清洗后可以除去氯化物(易溶于水)，与海砂相比，被石膏或硬石膏污染的骨料却无法清洗，不能用于生产水泥混凝土。还有一些硫化物，如黄铁矿(FeS2)和白铁矿，它们经过很长时间的氧化(由于存在水和氧气)后可能生成硫酸盐。同样地，只要骨料中含有这些物质，都不能

7、用于配制混凝土，因为它们也可能转变为“二次”钙矾石，产生膨胀，从而破坏混凝土结构。4.2.3 碱-活性硅骨料中有些形态的氧化硅(如无定形材料、结晶较差的岩石或变形石英)会与水泥中的碱(钾、钠)反应形成碱-硅水化产物，它们会在水泥浆基体周围膨胀、开裂。这种反应称为碱-硅反应(Alkali-Silica Reaction , ASR)，通过无规则开裂(图4.2)或局部剥落(图4.3)表现出来，严重威胁混凝土工程的耐久性。骨料中的碱活性硅(Alkali-Reactive Silica)最具潜在危害，很容易引起混凝土劣化，通常会出现以下几个问题(J. Lindgard , E. Roium and B

8、. Petersen , Alkali-silica reaction in concrete -relationship between water content and observed damage of structures, Proceedings of the seventh CANMET - ACI international conference on durability of concrete, Montreal, Canada, Ed. V. M. Malhotra, pp. 147166, 2006): ( l) 骨料中的活性硅很难检测，需要很长时间确定；相反，氯化物

9、和硫酸盐通过简单的化学分析就育断良快检测出来。(2) 活性硅通常分布不均匀，例如，有些骨料颗粒含有活性硅，而其他骨料颗粒却没有；如果送检样品中不含碱活性硅颗粒就检测不出来，这样工程就可能会使用具有碱活性的骨料。(3) 碱-硅反应取决于混凝土中碱的含量：当混凝土中的碱含量超过2kg/m3时就存在危险；由于碱含量随水泥来源、混凝土中的水泥用量以及时间的变化而变化，在相同的情况下，碱一硅反应可能会发生，也可能不会发生。(4) 碱-硅反应只能在潮湿环境下发生，通常在户外；室内也有可能发生碱-硅反应，例如工业地板，会接触到水蒸气和地下水。(5) 碱-硅反应通常进行缓慢，高温可加速碱-硅反应；但是，根据环

10、境(硅的活性程度、环境温度和湿度、碱含量)的不同，这种现象可能需要数月至十余年才会发生。由于碱一硅反应过程缓慢，碱活性难以预先判断，解决该问题最好的办法就是预防。使用矿渣水泥(CEM)、火山灰水泥(CEM)及复合水泥(CEM)是有效预防碱-硅反应的方法，可以减小、甚至消除碱-硅反应。这种方法可以减小碱-硅反应发生的风险，在有些地区(该地区的骨料具有碱活性)应该采用。4.2.4 碱-碳酸盐反应水泥中的碱和骨料还有另外一种有害反应。这种反应中的活性骨料通常存有很细的白云石和石灰石晶体。碱-碳酸盐反应(Alkali-Carbonate Reaction, ACR)并不会像碱-硅反应那样引起任何体积增

11、大，因为最后反应生成物比原始反应物的体积还小。虽然反应机理仍未完全弄清，但主要还是因为白云石CaMg(CO3)2转变为方解石(CaCO3)和水镁石Mg(OH)2引起，这个过程也被称为去白云化反应。去白云化反应使白云石晶体中的黏土包裹物暴露出来，由于黏土的吸水膨胀或由于通过黏土膜产生的渗透压导致混凝土膨胀开裂。碱-碳酸盐反应的另一种解释就是碳酸盐基体中存在无定形的、活性氧化硅。4.2.5 黏土和其他粉质材料黏土和其他粉质材料，如包裹在骨料表面的淤泥和尘土，会削弱骨料和水泥浆基体之间的粘结。在这种情况下，混凝土的力学性能会有所降低，但对结构工程的退化却不会产生太大的影响。从这个角度来看，黏土和其他

12、一些能影响结构耐久性的材料(如氯化物、硫酸盐和活性硅)有本质的区别。而且，骨料中的黏土经清洗后就可以用于混凝土，不会对混凝土的力学性能产生不利影响。4.2.6 有机杂质骨料中的有机杂质大多为植物型，会影响水化过程，延缓甚至削弱强度增长。与黏土和粉质材料一样，有机杂质的缺陷并不会影响到混凝土结构的耐久性。力学性能的降低通常也只是发生在早期养护期间，被有机杂质污染过的骨料能否用于混凝土以及有机杂质对力学性能的影响程度，可以通过与不含有机杂质的骨料配制混凝土的强度相比较来评价。木屑、木炭及其他多孔渗水的材料都可能引起不稳定膨胀，特别是与水接触的地板，首先膨胀，然后局部剥落(图4.3)。4.2.7 冰

13、冻侵蚀当混凝土结构暴露于冻融循环条件下，只要骨料的抗冻性不合格，即使掺用引气剂，也不能用于混凝土中。引气剂通常只能保护水泥浆基体免受冰冻破坏，对骨料的抗冻性没有什么改善作用。骨料的冰冻破坏通常与骨料孔隙中水的存在密切相关，温度低于0时，水开始结冰析晶，致使体积膨胀(约9 %)，进而导致水压增大。水只有在一定孔径范围内(约为几mm)的骨料毛细孔中结冰，才会产生开裂性变形。在更细的毛细孔中，由于缺少冰结晶生长的足够空间，不会结冰。另一方面，如果骨料孔径更大，超过几mm，冰能够结晶生长，但不会产生什么严重后果，因为那些还没有结冰的水可以很容易地从孔隙中排除，流入水泥浆基体，从而减小骨料中的应力。4.

14、2.8 力学性能很多国家采用美国洛杉矶实验方法检测骨料的力学性能，欧洲标准EN197-2也采用该方法。备检骨料装入图44所示的圆筒中，圆筒内装有铁砰并能旋转；然后开动仪器使圆筒旋转一定次数；停机后对骨料进行筛分(筛孔尺寸一定)，计算过筛骨料重量及百分比。混凝土的强度和耐久性要求越高，过筛骨料(即破碎损失的骨料)的比例就要越低。例如，如果混凝土的圆柱体抗压强度要求为60MPa，则洛杉矶实验中骨料损失比例就不能超过30%。4.3 骨料的级配骨料的颗粒种类与级配(Grading)紧密相关，即从最细材料到中等颗粒、粗颗粒的骨料粒径分布情况。通俗地讲，骨料级配应该较好(尽管不要求最好)，只有这样，细颗粒

15、才能填充粗颗粒之间的空隙，这有利于减少骨料骨架中的空隙率。这些空隙又被水泥浆填充，水泥浆硬化后，就将原本松散的骨料颗粒连接成为整体，即像岩石一样坚硬的混凝土。级配与以下三个不同方面有关：l 首先是由筛分分析(Sieve Analysis)得到的颗粒粒径分布(Particle Size Distribution)；l 第二是选择理想级配(Ideal Grading)的准则；l 第三是调整骨料级配，获得最佳级配(Optimal Grading)分布。4.3.1 筛分分析为了确定骨料的颗粒粒径分布，就需要采用标准筛(因各国标准的不同而不同，表4.1中所列出各筛的孔径是按欧洲规范制定的)对骨料样品进行

16、筛分，确定一定粒径范围内骨料的比例。这些筛按照筛孔尺寸由小到大层层叠起，振动后(图4.5)，骨料颗粒便依次落入各筛中，按粒径范围大小分成几部分。称取每部分的重量，并计算它们的百分比含量，将计算结果列人表4.1的第三栏中。表4.1的第四栏为骨料筛分后累计筛余百分比(Cumulative Per - centage)，第五栏为过筛(Passing)百分比，表4.1 中的骨料通过8.00mm筛的百分比为100%。欧洲规范中最小筛孔尺寸为0.125 mm，筛孔依次成倍增大；而ASTM 规范中最小筛孔尺寸为0.149mm，其余筛孔也依次成倍增大。图4.6是级配曲线(Grading Curve)，表示筛孔

17、直径d与累计筛余百分比之间的关系。通常骨料粒径d与累计筛余百分比之间的关系可以用线性或对数关系表示，两条级配曲线有所不同，通常更倾向于采用对数关系曲线，因为对数曲线能把细孔筛( 4mm)颗粒更少；两者的变化有利于提高新拌混凝土的工作性、运输和泵送。这也意味着，只要C 值相同，方程式(4.1)和式(4.2)与只用于骨料的方程式(4.3)和式(4.4)作用相同。通常规定，如果是配制干硬性混凝土(即低工作性)，理想骨料应按照Flle曲线式(4.1)进行选择。这样做的目的是尽量降低空隙体积，进而减少水泥用量。典型例子，干硬性混凝土通常用于大坝这样大体积混凝土中需要小心地进行力学振动。当新拌混凝土的工作

18、性要求更高时(特别是需要泵送)，理想骨料最好按照Bolomey 曲线式(4.2)进行选择。后者要求的细骨料含量更高，从而使混凝土拌合物具有更高的塑性，混凝土的离析也减小到最低。相应地，分别按照式(4.3)和式(4.4)考虑水泥用量的理想Flle和Bolomey曲线，要求骨料中细颗粒材料含量更低。用这样的骨料拌制的混凝土粘聚性更差，有一点干硬(图4.8)。因为按照方程式(4.1)和式(4.2), 相同的骨料配制的混凝土，由于考虑了水泥用量，砂的用量就减少了。4.3.3 骨料的最佳结合实际上，很难找到一种骨料加水泥时能满足方程(4.1)和方程(4.2)的级配要求，也很难找到一种骨料不加水泥时能满足

19、方程(4.3)和方程(4.4)的级配要求。通常可供使用的骨料要不就是太细(砂)，要不就是太粗(砾石或碎石)，难以满足理想骨料的级配要求。然而，通过将几种不同颗粒粒径的骨料(如砂和砾石)混合，就可能生产最佳混合骨料，它比其中任何一种单独元素更接近理想级配。图4.9是由筛分分析得到的砂和砾石的级配曲线。它们与基于方程(4.3)计算得出的理想曲线进行比较，配合比设计中：c = 285kg/m3，Dmax = 19.1mm，a = 1910k g/m3。将已知参数代入纯骨料最佳级配方程(4.3)，得方程(4.6): (4.6)式中，C = 13，按照式(4.7)计算得出： (4.7)满足Flle方程的

20、理想骨料P值按照方程(4.6)计算列入表4.3第1项，表4.3中的第2项和第3项分别为砂和砾石筛分分析的过筛率P。图4.9说明了砂(Sand, S)和砾石(Gravel, G)以及Flle方程(4.6)的颗粒粒径分布曲线。当图4.9中d = 4.76mm时，理想骨料通过率P等于42%。由于砂全部能通过4.76mm筛(对于砂：P = 100 %)，因此，最佳结合骨料中砂占42% ，砾石占58%，这种最佳结合骨料满足4.76mm筛的通过百分比P为42%。为了计算通过各筛的百分比P(表4.3中第6项)，应采用以下方法：(l) 砂(第2项)和砾石(第3项)的过筛率应分别乘以质量系数0.42和0.58；

21、(2) 得出通过各筛的砂和砾石的比例，分别列人表4.3中第4项和第5项；(3) 两比例相加。例如，筛孔为9.52mm时，第4项中砂的比例为42% (= 1000.42)，第5项中砾石的比例为30%(= 520.58)，两者相加即为最佳骨料的通过率：72% = 42 % + 30%。表4.3同时包括理想骨料(第1项)和由42%砂与58%砾石混合而得的最佳骨料筛分结果。两条曲线的P值较为接近，却不尽相同。理想骨料和最佳结合骨料中P值的差异主要受单独骨料颗粒粒径影响。如果两者的差异超过某值(如10%)，则只能采用更换骨料的方法来减小差异。以上两种骨料结合的方法也适用于两种以上的骨料。图4.10(a)

22、显示的是Flle方程理想曲线；图4.10(b)显示的是Flle方程理想曲线和三种骨料(04mm的砂、516mm的小石、1632mm的大石)筛分曲线；图4.10(c)中的X、Y点分别为Flle理想曲线与直线AB(约为4mm，砂和小石的分界点)和CD(约为16mm，小石与大石的分界点)的交点，X、Y点分别对应的值为25%和61%，采用以下方法计算：l 砂的比例为25%(这是唯一一种全部通过4mm筛的骨料)；l 砂和小石的比例为61%(这两种骨料都能全部通过16mm筛)；l 由此可以计算出小石的比例：61% - 25% = 36%；l 第三种骨料(大石)的比例即为100% - 61% = 39%。分

23、别将砂、小石、大石的筛余百分比乘以0.25、0.36、0.39，然后将各筛的计算结果相加即可得到最佳曲线如图4.10(d)所示。4.4 骨料的含水率含水率是骨料最重要的参数之一，能影响混凝土的抗压强度、孔隙率和耐久性、坍落度等性能。骨料的水分很容易带入混凝土中，从而改变浆体中水的总量，进而改变拌合物的工作性(取决于用水量)，并通过改变混凝土的水灰比来影响抗压强度。骨料的含水率是通过改变用水量和水灰比来影响混凝土的性能，这比较复杂。人们必须考虑含水率，通常定义为吸水率(Water Absorption)，即骨料开口孔隙率的饱水能力。含水率(Moisture, h)定义为将材料加热至110 完全干

24、燥的绝干( Bone-dry)材料的重量损失百分比： (4.8)式中，m和m0分别表示当前骨料重量和绝干骨料重量。吸水率为某种特殊含水率(ha)，即骨料饱和面干(Water-Saturated and Surface-Dry，s.s.d.，如图4.11所示)状态下的含水率： (4.9)式中，ms.s.d.为骨料内部饱水但表面干燥状态下的重量。图4.11分别为骨料可能的四种含水状态：绝干、气干、饱和面干和潮湿。4.5 骨料含水率对混凝土性能的影响施工现场的骨料通常为气干，有时是潮湿(下雨)，很少是绝干(长期干燥和高温后)，也很少为饱和面干。但饱和面干状态却有着重要的实际价值，因为刚搅拌完的新拌混

25、凝土中的骨料即处于该状态。在饱和面干状态下，由于骨料中孔隙充满着水，因此外界的水不会流入骨料中；又由于骨料表面没有水，因而也不会增加混凝土的拌合用水量。饱和面干状态也是一种特殊状态，需要计算将该状态下砂和砾石的比重，以便将单独成分的体积转换为重量12.1中方程式(12.1)。与饱和面干状态相比，潮湿骨料(h ha)表面会有多余水分，这将增加拌合物中水的用量，提高混凝土的总用水量。相反，气干骨料(h ha)以及绝干骨料(h = 0)则需要吸收水分转变为饱和面干状态，这将减小有效拌合用水量。骨料和混凝土中水的变化的影响可用图4.12说明：为了避免混凝土性能(特别是抗压强度和坍落度)的改变，必须在混

26、凝土搅拌时有针对性地补充或减少用水量。最后，必须根据气候变化，至少每天对骨料含水率进行一次检测。作为骨料的来源，岩石的吸水率(ha)和孔隙率也必须根据采石场的改变进行控制。4.6 依据配合比设计，确定骨料用量在以下计算实例中，我们将讨论考虑h和ha时，依据配合比设计，确定骨料用量。首先假定配合比设计程序中混凝土的圆柱体特征抗压强度(fcu/ck = 25MPa)和坍落度(150mm)：配合比设计：通常砾石(gravel, g)和砂(sand, s)的重量是指饱和面干状态下的重量，假设砾石(hg)和砂(hs)的含水率分别为：hg3%hs = 6%而饱和面干吸水率为：hga = 1%hsa = 1

27、%由于两种骨料的含水率(hg和hs)大于吸水率，因此多余水分将流人水泥净浆中。潮湿骨料的用量可按以下比例关系计算：101 : 103 = 1100 : g ( 4 . 10 )(饱和面干) (潮湿) (饱和面干) (潮湿)式中：l 101为每100kg绝干砾石在饱和面干状态下的重量hga = 1%，根据方程(4.9)计算而得；l 103为每100kg绝干砾石在潮湿状态下的重量hg = 3%，根据方程(4.8)计算而得；l 1100为配合比设计中每lm3混凝土的饱和面干砾石用量；l g为潮湿砾石用量，需满足配合比设计中每1 m3混凝土的饱和面干砾石用量为1100kg/m3。由等式(4.10)计算

28、得g值： (4.11)换句话说，潮湿砾石1122kg/m3才能满足配合比设计中饱和面干砾石的用量达到1100kg/m3，重量差1122 - 1100 = 22kg/m3是潮湿砾石带入的水的重量。采用相同的方法可以计算得出所需潮湿砂的重量(s)： (4.12)在这种情况下，需要更多的湿砂(844kg/m3)才能保证饱和面干状态下砂的用量(800kg/m3)。重量差844 - 800 = 44kg/m3是湿砂带入的水的重量。因此，有潮湿骨料带入水的重量为：Wa = 22 + 44 = 66kg/m3在配合比设计中，这个重量必须在用水量(200kg/m3)中扣除，因为配合比设计中使用的骨料为饱和面干

29、状态；因此，加人混凝土中的拌合用水量为200 - 66 = 134kg/m3。在这些计算中，两种骨料的含水率分别为3%和6%，因此满足性能设计要求的混凝土配合比为：配合比设计：为了保证混凝土的质量(fcu/ck = 25MPa、坍落度= 150mm)，必须控制骨料的含水率。按照骨料的含水率调整水、砂和砾石的用量，使用水量(W)和水灰比不变，从而确保混凝土的抗压强度、坍落度等性能。另一方面，如果骨料为气干或绝干状态，则需要掺入更多的拌合水使骨料达到饱和面干状态，从而保证混凝土的抗压强度和坍落度不变。4.7 最大粒径和颗粒粒径分布对需水量的影响工作性一定时，骨料的最大粒径(Dmax)和颗粒粒径分布

30、会影响需水量(W)。最大粒径与用水量(W)之间的关系可用Lyse准则表示，即工作性一定时，骨料的最大粒径越大，需水量越低。这意味着如果最大粒径减小(例如骨料源变化时)，必须增加拌合用水量以保证工作性不变。而且，因为水灰比保持不变，水泥用量(C)也会成比例增加，以达到抗压强度(fcu/ck)要求。最大粒径相同时，级配曲线的变化将影响拌合用水量(W)，进而在水灰比一定时，改变水泥用量以维持设计工作性和强度。图4.13说明了最大粒径(Dmax)一定时，假定曲线A为对比参数，级配如何变化。例如，如果使用的砂越细，级配曲线将是曲线B，而非曲线A(图4.13)。此时，拌合用水量(W)将增大，在水灰比相同时

31、，水泥用量(C)也将增加，以满足抗压强度和坍落度要求。相反，骨料越粗，级配曲线将是曲线C，而非曲线A(图4.13)：在保证不离析和泌水，不影响泵送和浇筑时，拌合用水量(W)将减小，在水灰比相同以保证坍落度和抗压强度时，水泥用量(C)也将随之减小。4.8 用于高性能混凝土的骨料对于水灰比大于0.45、抗压强度在60MPa以下的普通混凝土，由于骨料比水泥浆更密实、强度更高，因而最薄弱部分通常是水泥浆基体。然而，如果水灰比降至0.250.35以配制高性能混凝土(抗压强度达到70100MPa)，水泥浆基体将比骨料更密实、强度更高，此时，骨料就成为最薄弱部分。换句话说，在高性能混凝土中，为了降低水灰比，选择使用非常致密(即无孔隙)、坚硬的骨料非常重要。图4.14 说明了水灰比对致密和多孔骨料强度的影响。对于多孔骨料，如果水灰比低于图4.14 中的X值，水灰比对强度的增长不会造成太大影响，抗压强度基本上稳定在Y值，因为混凝土将因骨料崩溃而破坏；相反，对于致密骨料，混凝土的强度将随水灰比的降低而逐渐增大。4.9 特种骨料较低比重的特种骨料通常用于生产轻混凝土(第19章)。当强度要求不高时，回收混凝土可加工生产成再生骨料，用于配制再生混凝土(第23章)。【精品文档】第 9 页