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聚合物對(duì)水泥基建筑密封砂漿性能的影響

2016-12-26 03:20楊錢榮江傳德同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院上海201804
關(guān)鍵詞:密封材料乳膠抗折

楊錢榮,江傳德(同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海201804)

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聚合物對(duì)水泥基建筑密封砂漿性能的影響

楊錢榮,江傳德
(同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海201804)

采用自行設(shè)計(jì)的方法研究了可再分散乳膠粉、纖維素醚和淀粉醚對(duì)建筑密封砂漿工作性能、抗流掛性能及力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明:摻加乳膠粉后,密封砂漿擠出時(shí)間明顯減少,但抗流掛性能降低;摻入纖維素醚后,密封砂漿抗流掛性能得到顯著改善,但擠出時(shí)間增加,強(qiáng)度明顯降低;淀粉醚與乳膠粉及纖維素醚配合使用有利于改善密封砂漿的擠出性能和抗流掛性能,但強(qiáng)度有所降低.

密封砂漿;聚合物;擠出性;抗流掛性能;力學(xué)性能

建筑密封材料是建筑工程施工中不可缺少的一類用以處理建筑物各種縫隙、進(jìn)行填充并與縫隙表面很好地結(jié)合成一體,實(shí)現(xiàn)縫隙密封的材料[1].隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,建筑密封材料的應(yīng)用范圍正在日益擴(kuò)大,從傳統(tǒng)的建筑伸縮縫、板縫、門窗的密封擴(kuò)展到玻璃幕墻、石材幕墻、金屬屋面、機(jī)場(chǎng)跑道、高速公路以及給排水工程等新的應(yīng)用領(lǐng)域[2-3],但同時(shí)對(duì)密封材料的性能和施工技術(shù)也提出了更高的要求.目前建筑密封中常用的非定型密封材料有高分子密封材料和水泥砂漿.高分子密封材料如聚硫密封材料、硅酮密封膠和聚氨酯密封膠等具有黏結(jié)力強(qiáng)、變形能力好和不收縮等優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)具有不能長(zhǎng)期耐熱、高濕熱環(huán)境下可能產(chǎn)生氣泡和裂紋等缺點(diǎn),而且高成本也限制了其在建筑領(lǐng)域的大量使用.普通水泥砂漿價(jià)格便宜,但存在密封黏結(jié)力差、易收縮開裂等缺點(diǎn).從施工方式來(lái)看,高分子密封材料常采用擠出法進(jìn)行施工[4],而普通水泥密封砂漿無(wú)法采用擠出法施工,通常采用人工填堵的方式,施工效率較低且密封效果差,導(dǎo)致滲漏現(xiàn)象較普遍.當(dāng)前,擠出成型技術(shù)已成功引入水泥混凝土行業(yè),主要用于生產(chǎn)高性能纖維水泥建筑材料及制品,采用這種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀建筑制品的快速制造,并且無(wú)需模具,可大幅度降低生產(chǎn)成本[5].目前對(duì)可用于擠出法施工的水泥基建筑密封材料的研究還很少,因此研制一種適合新型施工方式的建筑密封材料并對(duì)其性能開展研究,無(wú)疑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

本文結(jié)合傳統(tǒng)水泥砂漿和高分子密封材料的特點(diǎn),采用聚合物對(duì)水泥砂漿進(jìn)行改性,制備了一種適合擠出法施工的新型水泥基建筑密封砂漿,并對(duì)其性能及影響因素進(jìn)行探討.

1 原材料、測(cè)試方法及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

水泥:海螺牌P.O 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥;減水劑:上?;ㄍ踹~地-100萘系高效減水劑;可再分散乳膠粉:醋酸乙烯酯/乙烯共聚膠粉(FX);纖維素醚:羥丙基甲基纖維素醚(HM),黏度為100 000 mPa·s;淀粉醚(KH);集料:20-40目石英砂;膨脹劑:硫鋁酸鹽類混凝土膨脹劑,細(xì)度(0.08mm篩余)9.5%,7d抗折/抗壓強(qiáng)度分別為5.8 MPa/31.5 MPa,28d抗折/抗壓強(qiáng)度分別為7.7 MPa/48.7 MPa.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 工作性能測(cè)試方法

密封砂漿擠出性能測(cè)試裝置見(jiàn)圖1,由擠出裝置、支架和荷載組成.擠出裝置示意圖見(jiàn)圖2.擠出裝置由擠出筒體和推桿組成,采用不銹鋼或鋁合金制成.注射筒端部為開口倒圓錐體,注射口的直徑為d1,擠出筒內(nèi)徑為d2,注射筒體長(zhǎng)度為L(zhǎng),其中d1為5mm,d2為45mm,L為180mm.

圖1 擠出時(shí)間測(cè)試裝置Fig.1 Test device for extrusion time

圖2 擠出裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of extrusion device

將自制的擠出裝置內(nèi)壁用丙酮等溶劑清洗干凈并干燥,用小刮刀將拌好的建筑砂漿填入裝置內(nèi)部,用直徑為8mm的小鐵棒插搗10下,使砂漿填滿擠出筒.筒口用濕抹布擦干凈,密封砂漿至少距筒口20 mm后,在推桿密封圈上涂抹少量潤(rùn)滑油,插入推桿至零刻度位置,在擠出筒端部塞入直徑為5mm的橡皮塞防止打印砂漿流出.把擠出筒置于支架上,取出橡皮塞,將50N荷載在豎直方向上壓在擠出筒推桿上端部,使其在重力作用下自由下落,采用秒表記錄推桿下降高度h2-h(huán)1=100mm所用的時(shí)間即為擠出時(shí)間.該方法也可用于測(cè)定3D打印建筑砂漿的工作性能[6].

1.2.2 抗流掛性能測(cè)試方法

抗流掛性能是評(píng)價(jià)密封砂漿塑性變形的重要指標(biāo),可用下垂度來(lái)表示.測(cè)試方法如下:無(wú)氣孔且光滑的槽形模具,用鐵板或鋁合金制成,如圖3所示.長(zhǎng)度(300±0.2)mm,下端開口,中間(150±0.5)mm處設(shè)置一塊同材質(zhì)分割插板;槽型模具的橫截面內(nèi)部尺寸分別為:寬(30±0.2)mm,深(30± 0.2)mm.

圖3 下垂度測(cè)試模具Fig.3 Test mold for drooping degree

將下垂度模具清洗干凈并擦干,平放在桌面上,將攪拌好的填縫密封材料用刮刀填入模具帶封頭的一側(cè),沿模具內(nèi)表面插搗15下,并用直尺刮平密封材料表面.將模具垂直放置在桌面上,開口端向下,抽出分割插板,用秒表計(jì)時(shí),測(cè)量90s內(nèi)密封材料漿體下垂的距離,精確到mm.該方法也可用于測(cè)試3D打印建筑砂漿的塑性變形性能[7].

1.2.3 力學(xué)性能測(cè)試方法

密封砂漿的強(qiáng)度試驗(yàn)按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)[8]規(guī)定進(jìn)行,拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試方法參照《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5126-2001)[9]的規(guī)定進(jìn)行.

1.3 試驗(yàn)方案

在前期研究基礎(chǔ)上,確定了建筑密封砂漿基礎(chǔ)配比.膠凝材料采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,膨脹劑摻量(質(zhì)量比,下同)為水泥用量的5%,水泥與集料的用量比(質(zhì)量比)為1.0∶1.5,減水劑摻量為水泥用量的1%,水灰比(質(zhì)量比)為0.4.

試驗(yàn)過(guò)程中,測(cè)試了淀粉醚用量固定(水泥用量的0.100%,下同)且纖維素醚摻量為0或0.3%時(shí),在乳膠粉不同摻量(0,0.5%,1.0%和2.0%)下,密封砂漿的工作性能(擠出時(shí)間)、抗流掛性能(下垂度)、力學(xué)性能(抗折、抗壓強(qiáng)度和拉伸黏結(jié)強(qiáng)度);測(cè)試了乳膠粉用量固定(1.0%)且淀粉醚摻量為0或0.050%時(shí),在纖維素醚不同摻量(0,0.2%,0.3%和0.4%)下,密封砂漿的工作性能、抗流掛性能和力學(xué)性能;測(cè)試了纖維素醚用量固定(0.3%)且乳膠粉摻量為0或1.0%時(shí),在淀粉醚不同摻量(0,0.025%,0.050%和0.100%)下,密封砂漿的工作性能、抗流掛性能和力學(xué)性能.

圖4 聚合物對(duì)密封砂漿擠出時(shí)間的影響Fig.4 Effect of polymer on extrusion time of sealing mortar

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 聚合物對(duì)密封砂漿工作性能的影響

圖4顯示了乳膠粉、纖維素醚和淀粉醚對(duì)密封砂漿擠出時(shí)間的影響.

由圖4a可以看出:在水灰比(0.4)一定的情況下,當(dāng)不摻纖維素醚時(shí),漿體流動(dòng)性較大,所需擠出時(shí)間很短,摻加乳膠粉對(duì)密封砂漿的擠出性能影響不大;當(dāng)摻加纖維素醚后,密封砂漿的擠出時(shí)間顯著增加,但當(dāng)同時(shí)摻加適量乳膠粉后密封砂漿的擠出時(shí)間又明顯降低.這是由于含乳膠粉的密封砂漿加水?dāng)嚢钑r(shí),聚合物顆粒自行分散,并不會(huì)同水泥黏聚.一方面,由于可再分散乳膠粉顆粒之間的潤(rùn)滑效應(yīng),使砂漿的組分能夠單獨(dú)流動(dòng);另一方面,可再分散乳膠粉對(duì)空氣有誘導(dǎo)效應(yīng),賦予砂漿可壓縮性[10].因此,乳膠粉可以改善砂漿的施工和易性.但當(dāng)乳膠粉摻量較大時(shí),砂漿黏度提高部分抵消了乳膠粉對(duì)砂漿和易性的改善作用,表現(xiàn)為乳膠粉摻量大于1.0%時(shí),擠出性能并沒(méi)有明顯改善.由圖4b可以看出:摻加纖維素醚后密封砂漿的擠出時(shí)間增加,且隨著纖維素醚摻量增加而增加;在不摻加淀粉醚的情況下,纖維素醚摻量超過(guò)0.3%時(shí),擠出時(shí)間急劇增加,但在同時(shí)摻加淀粉醚的情況下,擠出時(shí)間增加有限.纖維素醚的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)決定了纖維素醚的溶液具有很高的黏度,在摻量增加的情況下,砂漿黏度提高,必然導(dǎo)致擠出阻力增大,當(dāng)與淀粉醚配合使用時(shí),會(huì)顯示出較好的協(xié)同效果.由于纖維素醚和淀粉醚都具有很好的水溶性,它們?cè)谏皾{攪拌結(jié)束后,均勻地分布在膠凝材料、集料和攪拌氣泡之間,起到分散、潤(rùn)滑作用,使砂漿的流動(dòng)性明顯提高.由圖4c可見(jiàn):當(dāng)不摻加乳膠粉時(shí),摻加少量淀粉醚可使擠出時(shí)間顯著增加,但隨淀粉醚摻量繼續(xù)增加,擠出時(shí)間變化不大;當(dāng)同時(shí)摻加乳膠粉后,淀粉醚摻量對(duì)擠出時(shí)間的影響不大.由此也可以看出,在砂漿中適當(dāng)加入乳膠粉,可顯著改善密封砂漿的工作性能.

從圖4可看到,乳膠粉、纖維素醚和淀粉醚對(duì)密封砂漿的工作性能表現(xiàn)出較好的協(xié)同作用,在合適的摻量下協(xié)同使用,密封砂漿可獲得良好的施工性能.

2.2 聚合物對(duì)密封砂漿抗流掛性能的影響

圖5顯示了乳膠粉、纖維素醚和淀粉醚對(duì)密封砂漿下垂度的影響.

由圖5a和b可以看出,摻加纖維素醚對(duì)下垂度影響非常大.不摻纖維素醚時(shí),密封砂漿基本處于流淌狀態(tài),而摻加纖維素醚后,砂漿的抗流掛性能顯著提高,漿體的下垂度急劇降低.當(dāng)纖維素醚摻量大于0.2%時(shí),砂漿具有較好的抗流掛性能.當(dāng)纖維素醚摻量小于0.2%時(shí),同時(shí)摻加淀粉醚對(duì)下垂度的影響很小.當(dāng)纖維素醚摻量較大時(shí),配合使用淀粉醚可使下垂度有所降低,見(jiàn)圖5b和c.從圖5a和c可看到,摻加乳膠粉后密封砂漿的下垂度有所增加,當(dāng)同時(shí)摻加纖維素醚后,密封砂漿的下垂度基本都小于20 mm,對(duì)實(shí)際施工來(lái)說(shuō)在可接受范圍之內(nèi).

纖維素醚和淀粉醚都屬于水溶性高分子,它們遇到水溶解,和水形成膠狀溶液,控制和束縛著水分子的擴(kuò)散速度,減緩了砂漿中水分的流失,即提高漿體的保水性能,但兩者結(jié)構(gòu)上存在較大差異.纖維素醚的結(jié)構(gòu)全部是長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu),淀粉醚基本上都是支鏈結(jié)構(gòu),纖維素醚的鏈長(zhǎng)理論上差不多是淀粉醚幾何結(jié)構(gòu)的1 000~5 000倍,淀粉醚的支鏈結(jié)構(gòu)對(duì)纖維素醚的長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)起著“固定”作用[11],淀粉醚只有與纖維素醚配合使用才能發(fā)揮其抗流掛作用.從本文的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,采用高黏度纖維素醚后,密封砂漿抗流掛性能提高顯著.淀粉醚與纖維素醚協(xié)同作用可使密封砂漿抗流掛性能進(jìn)一步改善,在性能上可形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)并降低成本[12].

圖5 聚合物對(duì)密封砂漿下垂度的影響Fig.5 Effect of polymer on drooping degree of sealing mortar

2.3 聚合物對(duì)密封砂漿力學(xué)性能的影響

2.3.1 抗折強(qiáng)度

圖6顯示了乳膠粉、纖維素醚和淀粉醚對(duì)密封砂漿抗折強(qiáng)度的影響.

圖6 聚合物對(duì)密封砂漿抗折強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of polymer on flexural strength of sealing mortar

由圖6a可知,不摻纖維素醚時(shí),乳膠粉在0.5%~2.0%摻量范圍內(nèi),密封砂漿的抗折強(qiáng)度變化不大,當(dāng)同時(shí)摻加纖維素醚后,密封砂漿抗折強(qiáng)度明顯降低,且隨乳膠粉摻量增大,抗折強(qiáng)度呈下降趨勢(shì).摻入少量纖維素醚即可使密封材料抗折強(qiáng)度顯著降低,但隨著纖維素醚摻量繼續(xù)增加至0.3%和0.4%時(shí),密封材料抗折強(qiáng)度變化不明顯,而同時(shí)加入少量淀粉醚后,抗折強(qiáng)度同步有所降低,見(jiàn)圖6b.摻加少量淀粉醚后,密封砂漿的抗折強(qiáng)度有明顯降低,但當(dāng)其摻量繼續(xù)增加至0.050%和0.100%后,抗折強(qiáng)度變化不大,同時(shí)摻加乳膠粉后,在淀粉醚摻量較小時(shí),抗折強(qiáng)度降低較多,隨著淀粉醚摻量增大,抗折降低變化不大,見(jiàn)圖6c.

2.3.2 抗壓強(qiáng)度

圖7顯示了乳膠粉、纖維素醚和淀粉醚對(duì)密封砂漿抗壓強(qiáng)度的影響.

由圖7a可知,不摻纖維素醚時(shí),摻加乳膠粉后抗壓強(qiáng)度有所增加,且隨著摻量增加強(qiáng)度趨于穩(wěn)定.同時(shí)摻加纖維素醚后,隨纖維素醚摻量增加,抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢(shì).摻加纖維素醚后,密封砂漿的抗壓強(qiáng)度大幅度降低,當(dāng)摻加0.4%纖維素醚后,密封砂漿抗壓強(qiáng)度下降約50%,同時(shí)摻加淀粉醚后,密封砂漿抗壓強(qiáng)度同步有所降低,見(jiàn)圖7b.摻加少量淀粉醚后,密封砂漿抗壓強(qiáng)度降低,但隨淀粉醚摻量增加,抗壓強(qiáng)度變化不大,同時(shí)摻加乳膠粉后,密封砂漿抗壓強(qiáng)度較不摻時(shí)有所降低,見(jiàn)圖7c.

由于纖維素醚中含有烷基基團(tuán),使其水溶液的表面能降低,從而加入纖維素醚后液體不但容易引入氣泡,而且氣泡膜的韌性也較純水氣泡的韌性高,并減少了排水作用,因此可使引入的氣泡不破裂,并使氣泡不容易被排出,使得纖維素醚具有突出的引氣作用,這會(huì)對(duì)密封材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響.歐志華等[13]的研究也表明,摻入纖維素醚后,由于引氣作用,硬化水泥漿體中小孔數(shù)量增多,漿體體積密度下降,使得抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均降低.

圖7 聚合物對(duì)密封砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

乳膠粉、淀粉醚對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)小于纖維素醚,但前兩者與纖維素醚復(fù)合使用將使?jié){體抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步降低,因此聚合物的摻量應(yīng)控制在合理范圍內(nèi),否則將影響密封砂漿的力學(xué)性能[14].

2.3.3 黏結(jié)強(qiáng)度

圖8顯示了乳膠粉、纖維素醚和淀粉醚對(duì)密封砂漿黏結(jié)強(qiáng)度的影響.

圖8 聚合物對(duì)密封砂漿黏結(jié)強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of polymer on bond strength of sealing mortar

由圖8a可看到,在不摻乳膠粉情況下,摻0.3%纖維素醚,密封砂漿黏結(jié)強(qiáng)度明顯降低,同時(shí)摻加乳膠粉且隨其摻量增大,密封砂漿的黏結(jié)強(qiáng)度大幅度提高.在不摻纖維素醚情況下,摻加乳膠粉,密封砂漿黏結(jié)強(qiáng)度明顯降低.因此,乳膠粉與纖維素醚對(duì)密封砂漿的黏結(jié)性能表現(xiàn)出良好的協(xié)同作用,在適合摻量下,密封砂漿可獲得較高的黏結(jié)強(qiáng)度.由圖8b可知,在不摻纖維素醚的情況下,摻加0.050%淀粉醚,黏結(jié)強(qiáng)度明顯降低,同時(shí)摻加纖維素醚后有所提高但作用不明顯;而在不摻加淀粉醚情況下,隨纖維素醚摻量增加,黏結(jié)強(qiáng)度有較大幅度降低.由圖8c可知,在不摻淀粉醚的情況下,摻加乳膠粉后,黏結(jié)強(qiáng)度顯著提高,隨淀粉醚摻量增加,無(wú)論摻或不摻乳膠粉,淀粉醚對(duì)密封砂漿黏結(jié)強(qiáng)度的影響不明顯.

已有研究表明,在砂漿中加入乳膠粉可顯著提高與其他材料的黏結(jié)強(qiáng)度,原因在于親水性聚合物與水泥懸浮體的液相一起向基體的孔隙及毛細(xì)管內(nèi)滲透,聚合物在孔隙及毛細(xì)管內(nèi)成膜并牢牢地吸附在基體表面,從而保證了膠結(jié)材料與基體之間良好的黏結(jié)強(qiáng)度,而成膜的聚合物明顯形成次級(jí)的黏附復(fù)合體,以橋鍵和有孔聚合物膜的形式分布在砂漿與基體之間,吸收和傳遞能量,宏觀上表現(xiàn)為黏結(jié)力的提高[15].纖維素醚在密封砂漿中的主要作用并非直接提高拉伸黏結(jié)強(qiáng)度.事實(shí)上,隨著纖維醚摻量的增加,砂漿的保水性更佳,使得密封砂漿具有更長(zhǎng)的開放時(shí)間,進(jìn)而改善砂漿的黏結(jié)性能.

因此研制密封砂漿時(shí),應(yīng)綜合考慮乳膠粉、羥丙基纖維素醚和淀粉醚對(duì)工作性能、塑性變形性能和力學(xué)性能的影響,通過(guò)3種聚合物的合理調(diào)配,可優(yōu)化得到施工性能好、抗流掛性能好、強(qiáng)度高、黏結(jié)力強(qiáng)的水泥基密封砂漿,其性能如下:擠出時(shí)間18s,下垂度20 mm,抗折強(qiáng)度5.4 MPa,抗壓強(qiáng)度24 MPa,拉伸黏結(jié)強(qiáng)度1.5MPa.

3 結(jié)論

(1)摻加乳膠粉可顯著改善密封砂漿的工作性能,而摻加纖維素醚后,密封砂漿擠出性能下降,淀粉醚與乳膠粉及纖維素醚配合使用有利于改善密封砂漿的工作性能.

(2)摻加乳膠粉后,密封砂漿抗流掛性能降低,而摻加纖維素醚可顯著改善抗流掛性能,淀粉醚與乳膠粉及纖維素醚配合使用也有利于改善密封砂漿的抗流掛性能.

(3)摻加纖維素醚后,密封砂漿抗折、抗壓強(qiáng)度顯著降低,乳膠粉和淀粉醚對(duì)密封砂漿強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)小于纖維素醚,但前兩者與后者配合使用后,可使密封砂漿強(qiáng)度進(jìn)一步降低.

(4)摻加纖維素醚及淀粉醚后,黏結(jié)強(qiáng)度有所降低,纖維素醚與乳膠粉配合使用后,密封砂漿可獲得較高的黏結(jié)強(qiáng)度.

(5)通過(guò)合理調(diào)配乳膠粉、纖維素醚和淀粉醚用量,可優(yōu)化得到施工性能、抗流掛性能好,強(qiáng)度較高、黏結(jié)力強(qiáng)且成本較低的水泥基密封砂漿.201410558243.7[P].2014-10-20.

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Effect of Polymer on Performance of Cement Based Building Sealing Mortar

YANG Qianrong,JIANG Chuande
(School of Materials Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China)

The effects of redispersible emulsion powder,cellulose ether and starch ether on working performance,sag resistance and mechanical properties of building sealing mortar were studied by using the method designed by the authors.The results show that:after adding the emulsion powder to the sealing mortar,the extrusion time is remarkably reduced,but the sag resistance is reduced.After adding the cellulose ether to the sealing mortar,the sag resistance of the sealing mortar is significantly improved,but the extrusion time increases and the strength decreases obviously.The starch ether,emulsion powder and cellulose ether used in conjunction in the sealing mortar can lead to better extrusion performance and sag resistance of the sealing mortar,but the strength decreases.

sealing mortar;polymer,extrusion;sag resistance;mechanical properties

TU528.1

A

0253-374X(2016)01-0107-06

10.11908/j.issn.0253-374x.2016.01.016

2015-01-04

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2012BAJ20B02);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金

楊錢榮(1965—),男,副研究員,博士生導(dǎo)師,工學(xué)博士,主要研究方向?yàn)樾滦徒ㄖ牧霞皯?yīng)用技術(shù).E-mail:qryang@#edu.cn

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