CN112014210A - 一种预测大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种预测大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能的方法,步骤一:采用完全相同的混凝土原材料和配合比,在大坝施工现场分不同季节浇筑成多组全级配混凝土试件和湿筛混凝土试件;步骤二:待所有试件达到设计的试验龄期后,在压力试验机或万能试验机上,分别采用相关规范规定的全级配混凝土和湿筛混凝土抗压强度和劈裂抗压强度的加载方式,进行抗压强度试验以及劈裂抗拉强度试验;步骤三:确定所述天然养护下同龄期全级配混凝土和湿筛混凝土强度参数的换算关系;步骤四:采用所述等效龄期法预测全级配混凝土真实强度参数;步骤五:不同设计强度大坝混凝土强度参数的等效。
Description
技术领域
本发明属于水利工程技术领域,具体涉及一种预测大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能的方法。
背景技术
低热水泥混凝土对于我国重大库坝的建设尚属新材料,要求对其材料特性全面掌握。传统的湿筛混凝土强度试验、钻芯芯样强度试验、后方全级配混凝土强度试验均较难准确反映大坝全级配混凝土的真实强度性能,而施工现场开展的全级配混凝土强度试验则存在试件尺寸大,对设备要求高等问题,因此较难常态化开展。实际大坝工程中,多采用标准养护的湿筛混凝土强度性能来评价大坝全级配混凝土的强度性能,然而已有研究表明两者并不相等,主要原因在于湿筛混凝土与全级配混凝土之间存在的材料差异,以及标准养护试件与实际大坝混凝土温度历程并不相同。
湿筛混凝土通过全级配混凝土筛去40mm以上粒径的骨料获得,其胶凝材料及砂浆组成与全级配混凝土虽完全相同,但是其粗骨料体积含量、最大粒径和粒径分布与全级配混凝土存在较大差异。这一材料差异导致湿筛混凝土的强度性能一般高于同条件下的全级配混凝土。工程界通常将两者的强度性能通过一定的经验换算关系相联系。需要解决的问题是,对于低热水泥混凝土,全级配和湿筛混凝土之间的强度性能如何换算。
除了全级配与湿筛混凝土因材料差异导致强度性能不同之外,大坝全级配混凝土实际温度历程与实验室标准养护温度条件之间存在的差异,是湿筛混凝土强度性能无法代表大坝全级配混凝土的另一个重要因素。现有研究表明,混凝土的强度性能发展与其养护温度历程相关。为了建立不同养护温度条件下混凝土材料性能之间的联系,通常根据混凝土实际的温度历程,采用成熟度法计算混凝土的等效成熟度或等效龄期。需要解决的问题是如何计算大坝低热水泥全级配混凝土的等效龄期。
因此,为了获得大坝低热水泥全级配混凝土的真实强度性能,有必要解决全级配和湿筛混凝土强度性能如何换算、全级配和湿筛混凝土环境差异如何消除的问题,以便建立大坝全级配混凝土和实验室湿筛混凝土试件测试结果之间的准确定量关系。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种预测大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能的方法,以解决现有标准养护湿筛混凝土试件的强度性能无法代表实际大坝全级配混凝土的强度性能、施工现场开展的全级配混凝土强度试验存在的试件尺寸大,对设备要求高,无法常态化开展的问题。
为了实现上述的技术特征,本发明的目的是这样实现的:一种预测大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能的方法,它包括以下步骤:
步骤一:采用完全相同的混凝土原材料和配合比,在大坝施工现场分不同季节浇筑成多组全级配混凝土试件和湿筛混凝土试件;
步骤二:待所有试件达到设计的试验龄期后,在压力试验机或万能试验机上,分别采用相关规范规定的全级配混凝土和湿筛混凝土抗压强度和劈裂抗压强度的加载方式,进行抗压强度试验以及劈裂抗拉强度试验;
步骤三:确定所述天然养护下同龄期全级配混凝土和湿筛混凝土强度参数的换算关系;
步骤四:由于等效龄期法所拟合的曲线回归系数更高,采用所述等效龄期法预测全级配混凝土真实强度参数;
步骤五:不同设计强度大坝混凝土强度参数的等效。
步骤一中所述全级配混凝土试件和湿筛混凝土试件都采用立方体试件,两种不同立方体试件的尺寸根据试验规范要求确定;
设计不同的试验龄期,每种试件在每个龄期制备6个试件,3个用于测试抗压强度,3个用于测试劈裂抗压强度;所有试件均需在大坝工程现场进行天然养护,28d龄期内采用一日多次洒水养护,始终保证试件表面处于湿润状态,28d至90d龄期内至少采用一日两次洒水养护,以保证混凝土强度性能的充分发展;
养护现场设置小型气象站,自动测量并记录逐小时的现场环境温度T。
步骤二中对试件进行抗压强度试验以及劈裂抗拉强度试验过程中,加载至所述混凝土试件破坏,试验过程中记录该组中每个试件的破坏荷载,记为P,并计算试件的全级配混凝土试件和湿筛混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度,如下:
将所述抗压强度试件的破坏荷载,试件的承压面积代入式(1)中,得到试件的抗压强度:
式中:fcc为抗压强度,P为破坏荷载,A试件承压面积;
将所述劈裂抗压试件的破坏荷载,试件的承压面积代入式(2)中,得到试件的劈裂抗拉强度:
式中:fts为劈裂抗拉强度,P为破坏荷载,A为试件劈裂面面积。
步骤三中具体换算关系为,基于相关研究以及结合本发明两座在建的大坝低热水泥混凝土强度试验结果发现,低热水泥全级配与湿筛混凝土强度参数的比值在一定的范围内变化,比值服从正态分布,取比值的平均值作为低热水泥全级配与湿筛混凝土强度性能的换算关系;根据所述天然养护下全级配与湿筛混凝土强度参数的换算关系,将所述同条件养护下湿筛混凝土的强度参数换算为全级配混凝土的强度参数。
步骤四中采用等效龄期法预测全级配混凝土真实强度参数的具体过程:
将养护过程中记录的养护温度T以及龄期代入等效龄期公式式(3),计算出混凝土实际龄期下所对应的等效龄期:
其中:te为等效龄期,单位取小时(h)或者天(d);T为养护温度,单位取℃;T0为基准温度,取20℃;t为混凝土龄期,单位取小时(h)或者天(d);R为气体常量,取8.1344J/mol/K;E为活化能,当T≥20℃,E取33500J/mol,T<20℃,E=33500+1470(20-T)J/mol;Δt为该养护温度T下时间间隔,单位取小时(h)或者天(d)。
步骤五中具体等效过程:
假设A大坝混凝土设计强度C18035,B大坝混凝土设计强度为C18040,为寻求以A、B两座大坝混凝土强度试验结果为基础的大坝低热水泥全级配混凝土强度参数预测方法,需将A混凝土的强度乘以相应的等效系数,该等效系数为40/35;
画出等效后的全级配混凝土强度参数与其所对应的等效龄期的散点图,运用对数函数对所述散点图进行拟合,得到全级配混凝土力学参数与等效龄期的关系拟合曲线,所述拟合曲线即低热水泥全级配混凝土真实强度性能预测曲线。
所述全级配混凝土试件所采用的立方体边长为450mm,所述湿筛混凝土试件采用的立方体边长为150mm。
针对未来新建的低热水泥混凝土大坝,只需在施工现场开展湿筛混凝土强度试验,并记录养护过程的逐小时温度,便可将湿筛混凝土的力学参数通过本发明的全级配与湿筛混凝土的换算关系换算成全级配混凝土力学参数,再将实际龄期按步骤四转换成等效龄期,并用函数拟合换算后的混凝土力学参数与等效龄期关系,即可得到该大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能预测曲线。
在本发明的基础上,只需采用大坝混凝土的实际温度历程与龄期,通过等效龄期法将大坝混凝土的实际龄期转换成等效龄期,再将该等效龄期代入拟合曲线公式即可得该龄期下的真实强度参数;
将大坝混凝土的实际龄期转换成等效龄期,代入曲线拟合公式便可得到大坝低热水泥全级配混凝土强度参数与等效龄期的关系曲线,即为特定部位大坝混凝土的真实强度发展曲线。
与现有技术相比,本发明有如下有益效果:
1、本发明基于试验获得的低热水泥湿筛与全级配混凝土强度性能的换算关系和实际养护温度计算得到的等效龄期,提出了实际大坝低热水泥全级配混凝土真实强度参数的预测方法。
2、本发明可根据大坝某部位低热水泥混凝土的实际温度历程计算其等效龄期,从而预测该部位大坝全级配混凝土的真实强度发展曲线。
3、在本发明的基础上,针对未来新建的低热水泥混凝土大坝,只需进行湿筛混凝土强度试验,无需再开展全级配混凝土强度试验,即可预测该大坝低热水泥全级配混凝土真实强度参数。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为不同季节A大坝低热水泥全级配与湿筛抗压强度随龄期的增长关系。
图2为不同季节A大坝低热水泥全级配与湿筛劈裂抗拉强度随龄期的增长关系。
图3为不同季节B大坝低热水泥全级配与湿筛抗压强度随龄期的增长关系。
图4为不同季节B大坝低热水泥全级配与湿筛劈裂抗拉强度随龄期的增长关系。
图5为A、B大坝全级配与湿筛混凝土抗压强度与劈拉强度的换算关系。
图6为A、B大坝全级配与湿筛混凝土抗压强度和劈拉强度换算关系的概率分布曲线。
图7为B大坝养护现场设置的气象站获取的逐小时环境温度曲线。
图8为低热水泥全级配混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度预测曲线。
图9为B大坝13#-025仓实际温度历程曲线。
图10为B大坝13#-025仓抗压强度发展预测曲线。
图11为B大坝13#-025仓劈裂抗拉强度发展预测曲线。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图,对本发明作进一步详细说明,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,但本发明的内容并不限于所述范围。以下实施例中所涉及的一些步骤或方法,如无特殊说明,均为本领域的常规方法。
实施例1:结合我国西南山区在建的两座低热水泥混凝土大坝,设计一种预测低热水泥全级配混凝土真实力学参数的方法,包括下列步骤:
步骤一:确定A大坝和B大坝低热水泥全级配混凝土的强度等级和配合比,分不同季节开展全级配与湿筛混凝土强度性能试验。全级配混凝土试件的试模采用木模具,湿筛混凝土试件采用质量较好的工程塑料试模,在大坝工程施工现场分不同季节浇筑成型边长为450mm全级配混凝土立方体强度试件和边长为150mm湿筛混凝土立方体强度试件。
其中,所述试件尺寸是规范规定的,全级配混凝土的骨料最大粒径是150mm,它的标准试件尺寸就是450mm立方体。湿筛混凝土骨料最大粒径是40mm,它的标准试件尺寸就是150mm立方体。湿筛混凝土就是全级配混凝土把40mm以上的骨料筛掉得到的。
A大坝和B大坝分别设计春、夏、秋、冬四个季节多个龄期试验,其中每个季节每个龄期设计都分别设计6个全级配混凝土试件,3个用于测试抗压强度,3个用于测试劈裂抗压强度);设计6个湿筛混凝土试件,3个用于测试抗压强度,3个用于测试劈裂抗压强度,所有试件均为天然养护,28d龄期内采用一日多次洒水养护,始终保证试件表面处于湿润状态,28d至90d龄期内采用一日两次洒水养护,以保证混凝土强度性能的充分发展,养护现场设置小型气象站,自动测量并记录逐小时的现场环境温度T。
步骤二:所述试件达到龄期,在压力试验机或者万能试验机上,采用相关规范规定的混凝土抗压强度和劈裂抗压强度试验的加载方式,加载至所述混凝土试件破坏,试验过程中记录该组中每个试件的破坏荷载。
将所述抗压强度试件的破坏荷载,试件的承压面积代入式(1)中,得到试件的抗压强度:
式中:fcc为抗压强度,P为破坏荷载,A试件承压面积;
将所述劈裂抗压试件的破坏荷载,试件的承压面积代入式(2)中,得到试件的劈裂抗拉强度:
式中:fts为劈裂抗拉强度,P为破坏荷载,A为试件劈裂面面积。
将所述全级配混凝土抗压强度试件的破坏荷载、试件的承压面积代入式(1)中,得到全级配混凝土抗压强度。
将所述湿筛混凝土抗压强度试件的破坏荷载、试件的承压面积代入式(1)中,得到湿筛混凝土抗压强度。
将所述全级配混凝土劈裂抗压试件的破坏荷载、试件的承压面积代入式(2)中,得到全级配混凝土劈裂抗拉强度。
将所述湿筛混凝土劈裂抗压试件的破坏荷载、试件的承压面积代入式(2)中,得到湿筛混凝土劈裂抗拉强度。
A大坝的全级配与湿筛抗压强度随龄期的增长关系如图1,劈裂抗拉强度随龄期的增长关系如图2;B大坝的全级配与湿筛抗压强度随龄期的增长关系如图3,劈裂抗拉强度随龄期增长的关系如图4。由于A大坝设计强度为C18035,B大坝设计强度为C18040,需将A大坝的全级配和湿筛混凝土力学参数等效为B大坝的力学参数,即将A大坝的力学参数除以35再乘以40,再与B大坝的强度参数共同分析。
步骤三:确定所述天然养护下全级配与湿筛混凝土的强度参数的换算关系,全级配与湿筛混凝土抗压强度与劈裂抗拉强度的比值如表1。
表1
图5为A大坝与B大坝给出的抗压强度与劈裂抗拉强度换算关系分布图,由图5可知,A大坝与B大坝的抗压强度与劈裂抗拉强度换算关系变化范围和平均值均较为接近,可共同分析。全级配混凝土的抗压强度约为同龄期湿筛混凝土的69%至97%;全级配混凝土的劈拉强度约为同龄期湿筛混凝土的60%至83%,两者存在一定的换算关系。进一步的,图6分别给出了A、B大坝全级配和湿筛混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的换算关系概率分布曲线。由图6可见,抗压强度与劈裂抗拉强度的换算关系概率分布曲线为正态分布。低热水泥全级配与湿筛混凝土抗压强度的换算关系可取其平均值0.82。劈裂抗拉强度取值为平均值0.72。
根据所述天然养护下全级配与湿筛混凝土的强度参数换算关系,将所述湿筛混凝土的强度参数换算成全级配混凝土的强度参数。
步骤四,将养护过程中养护现场设置的小型气象站自动测量并记录逐小时的现场环境温度T等参数代入等效龄期公式(3)计算出所述天然养护下全级配混凝土强度参数的等效龄期。
其中:te为等效龄期,单位取小时(h)或者天(d);T为养护温度,单位取℃;T0为基准温度,取20℃;t为混凝土龄期,单位取小时(h)或者天(d);R为气体常量,取8.1344J/mol/K;E为活化能,当T≥20℃,E取33500J/mol,T<20℃,E=33500+1470(20-T)J/mol;Δt为该养护温度T下时间间隔,单位取小时(h)或者天(d)。
例如计算B大坝现场浇筑3d的等效龄期:
(1)计算实际龄期为1h的等效龄期,取1h内平均温度为该时间段内的养护温度T=23.25℃;基准温度T0取20℃;混凝土龄期t为1h;气体常量R取8.1344J/mol/K;E为活化能,当T≥20℃,E取33500J/mol;T<20℃,E=33500+1470(20-T)J/mol。此时T=23.25℃≥20℃,E=33500J/mol;该温度下时间间隔Δt=1h。代入等效龄期公式(3)得混凝土龄期为1h的等效龄期te=1.2h;
(2)计算实际龄期为2h的等效龄期,先计算1~2h等效龄期增量,取浇筑开始1~2h内平均温度为该时刻的养护温度T=25.2℃;基准温度T0取20℃;混凝土龄期t为2h;气体常量R取8.1344J/mol/K;活化能为E,此时T=25.2℃≥20℃,E=33500J/mol;该温度下时间间隔Δt=1h。此时的等效龄期为1h等效龄期加上1~2h的等效龄期增量,即等效龄期公式式(3)得该时刻混凝土等效龄期te=2.4h;
(3)以此类推,可求得72h即3d龄期的等效龄期,以h为单位的等效龄期除以24即为以d为单位的等效龄期。3d的等效龄期te=4.4d。
步骤五,根据养护现场气象站获取的养护温度,如图7为B大坝养护现场设置气象站获取的养护温度曲线,将试件所有龄期转换等效龄期。,运用对数函数对所述换算后的全级配混凝土强度参数与所述等效龄期的关系图进行拟合,得到回归系数为0.95的全级配混凝土抗压强度预测曲线、回归系数为0.93的全级配混凝土劈裂抗拉强度预测曲线。预测曲线如图9,公式如下:
fcc=8.19ln(te)+0.49 (4)
fts=0.49ln(te)+0.14 (5)
式中te为等效龄期。
可以将全级配混凝土强度试验实测值放入所述预测曲线,可以发现实测值基本落在预测值的±15%以内,说明全级配抗压强度预测方法可满足实际使用需求。
最终的,只需要测量大坝某部位混凝土的实际温度历程,代入上述等效龄期公式(3)计算混凝土的等效龄期,再将等效龄期代入步骤5中全级配混凝土力学参数预测曲线即可预测该部位大坝低热水泥全级配混凝土的真实强度参数。
实施例2:
结合某座西南在建的低热水泥混凝土B大坝的13#-025仓实际温度历程与龄期,预测该大坝13#-025仓真实强度参数发展曲线,包括下列步骤:
步骤一:浇筑B大坝13#-025仓的过程中在仓内预埋温度计,用于记录该仓混凝土的实际温度历程。实际温度历程如图9。
步骤二:进一步的,参照实施例1步骤4,将大坝混凝土实际龄期全部转换成等效龄期,利用所记录的大坝混凝土实际温度与实际龄期代入等效龄期公式式(3),基准温度T0选择20℃,气体常量R取8.1344J/mol/K,活化能E根据大坝混凝土的实际温度取值。将等效龄期代入预测公式(4)、式(5),即可求出该等效龄期即其对应实际龄期的抗压强度与劈裂抗拉强度。例如,计算出的大坝实际龄期为3、7、14、28、90、180d的抗压强度与预测劈裂抗拉强度的值如表2。
表2
步骤三:画出抗压强度与实际龄期的曲线关系图,即得B大坝13#-025仓低热水泥全级配混凝土实际抗压强度发展曲线,如图10。
步骤四:画出劈裂抗拉强度与实际龄期的曲线关系图,即得B大坝13#-025仓低热水泥全级配混凝土实际劈裂抗拉强度发展曲线,如图11。
Claims (9)
1.一种预测大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能的方法,其特征在于,它包括以下步骤:
步骤一:采用完全相同的混凝土原材料和配合比,在大坝施工现场分不同季节浇筑成多组全级配混凝土试件和湿筛混凝土试件;
步骤二:待所有试件达到设计的试验龄期后,在压力试验机或万能试验机上,分别采用相关规范规定的全级配混凝土和湿筛混凝土抗压强度和劈裂抗压强度的加载方式,进行抗压强度试验以及劈裂抗拉强度试验;
步骤三:确定所述天然养护下同龄期全级配混凝土和湿筛混凝土强度参数的换算关系;
步骤四:由于等效龄期法所拟合的曲线回归系数更高,采用所述等效龄期法预测全级配混凝土真实强度参数;
步骤五:不同设计强度大坝混凝土强度参数的等效。
2.根据权利要求1所述一种预测大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能的方法,其特征在于:步骤一中所述全级配混凝土试件和湿筛混凝土试件都采用立方体试件,两种不同立方体试件的尺寸根据试验规范要求确定;
设计不同的试验龄期,每种试件在每个龄期制备6个试件,3个用于测试抗压强度,3个用于测试劈裂抗压强度;所有试件均需在大坝工程现场进行天然养护,28d龄期内采用一日多次洒水养护,始终保证试件表面处于湿润状态,28d至90d龄期内至少采用一日两次洒水养护,以保证混凝土强度性能的充分发展;
养护现场设置小型气象站,自动测量并记录逐小时的现场环境温度T。
4.根据权利要求1所述一种预测大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能的方法,其特征在于:步骤三中具体换算关系为,基于相关研究以及结合本发明两座在建的大坝低热水泥混凝土强度试验结果发现,低热水泥全级配与湿筛混凝土强度参数的比值在一定的范围内变化,比值服从正态分布,取比值的平均值作为低热水泥全级配与湿筛混凝土强度性能的换算关系;根据所述天然养护下全级配与湿筛混凝土强度参数的换算关系,将所述同条件养护下湿筛混凝土的强度参数换算为全级配混凝土的强度参数。
5.根据权利要求1所述一种预测大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能的方法,其特征在于,步骤四中采用等效龄期法预测全级配混凝土真实强度参数的具体过程:
将养护过程中记录的养护温度T以及龄期代入等效龄期公式式(3),计算出混凝土实际龄期下所对应的等效龄期:
其中:te为等效龄期,单位取小时(h)或者天(d);T为养护温度,单位取℃;T0为基准温度,取20℃;t为混凝土龄期,单位取小时(h)或者天(d);R为气体常量,取8.1344J/mol/K;E为活化能,当T≥20℃,E取33500J/mol,T<20℃,E=33500+1470(20-T)J/mol;Δt为该养护温度T下时间间隔,单位取小时(h)或者天(d)。
6.根据权利要求1所述一种预测大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能的方法,其特征在于,步骤五中具体等效过程:
假设A大坝混凝土设计强度C18035,B大坝混凝土设计强度为C18040,为寻求以A、B两座大坝混凝土强度试验结果为基础的大坝低热水泥全级配混凝土强度参数预测方法,需将A混凝土的强度乘以相应的等效系数,该等效系数为40/35;
画出等效后的全级配混凝土强度参数与其所对应的等效龄期的散点图,运用对数函数对所述散点图进行拟合,得到全级配混凝土力学参数与等效龄期的关系拟合曲线,所述拟合曲线即低热水泥全级配混凝土真实强度性能预测曲线。
7.根据权利要求2所述一种预测大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能的方法,其特征在于:所述全级配混凝土试件所采用的立方体边长为450mm,所述湿筛混凝土试件采用的立方体边长为150mm。
8.根据权利要求1所述一种预测大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能的方法,其特征在于:针对未来新建的低热水泥混凝土大坝,只需在施工现场开展湿筛混凝土强度试验,并记录养护过程的逐小时温度,便可将湿筛混凝土的力学参数通过本发明的全级配与湿筛混凝土的换算关系换算成全级配混凝土力学参数,再将实际龄期按步骤四转换成等效龄期,并用函数拟合换算后的混凝土力学参数与等效龄期关系,即可得到该大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能预测曲线。
9.根据权利要求1所述一种预测大坝低热水泥全级配混凝土真实强度性能的方法,其特征在于:在本发明的基础上,只需采用大坝混凝土的实际温度历程与龄期,通过等效龄期法将大坝混凝土的实际龄期转换成等效龄期,再将该等效龄期代入拟合曲线公式即可得该龄期下的真实强度参数;
将大坝混凝土的实际龄期转换成等效龄期,代入曲线拟合公式便可得到大坝低热水泥全级配混凝土强度参数与等效龄期的关系曲线,即为特定部位大坝混凝土的真实强度发展曲线。
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CN113237778A (zh) * | 2021-04-16 | 2021-08-10 | 中国三峡建设管理有限公司 | 混凝土层间结合质量控制方法 |
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CN101975848A (zh) * | 2010-08-13 | 2011-02-16 | 上海建工(集团)总公司 | 评估混凝土强度的方法 |
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2020
- 2020-08-07 CN CN202010789557.3A patent/CN112014210A/zh active Pending
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Title |
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高文等: "大坝全级配与湿筛二级配混凝土力学性能试验研究及统计分析", 《水利与建筑工程学报》, vol. 12, no. 2, pages 9 - 14 * |
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