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      二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

      2015-12-04 01:51:50朱昌威張國(guó)棟
      關(guān)鍵詞:無(wú)側(cè)側(cè)限石灰

      楊 俊,朱昌威,張國(guó)棟

      (1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北宜昌 443002;2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

      1 研究背景

      風(fēng)化砂是地表巖層風(fēng)化過(guò)程中的中間產(chǎn)物,其耐久性較一般土料差,物理力學(xué)性質(zhì)較不穩(wěn)定,其強(qiáng)度較弱,因此不能直接作為路用材料,必須經(jīng)過(guò)改良。常用的改良方法有物理機(jī)械改良和化學(xué)改良,實(shí)踐工程中以化學(xué)改良為主,常用的化學(xué)改良劑有石灰、水泥和二灰等,而僅采用水泥進(jìn)行改良,雖能滿足強(qiáng)度要求,但不夠經(jīng)濟(jì)。單一采用石灰進(jìn)行改良,又不能滿足水穩(wěn)定性的要求。參照前人研究的成果[1-7],采用二灰對(duì)風(fēng)化砂進(jìn)行改良,不僅價(jià)格低廉,施工簡(jiǎn)便,水穩(wěn)定性也較好,而且二灰穩(wěn)定材料作為路面基層具有很高的抗壓強(qiáng)度和剛度,還具有一定的抗彎拉強(qiáng)度,隨齡期的增長(zhǎng)而不斷增大,使得上面層所受彎拉應(yīng)力較小,從而提高了面層抵抗行車(chē)荷載疲勞破壞的能力,針對(duì)二灰改良風(fēng)化砂的這些優(yōu)點(diǎn),本研究采用二灰對(duì)風(fēng)化砂進(jìn)行改良。

      二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂作為一種無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是衡量其強(qiáng)度的重要指標(biāo)之一,也是目前道路基層強(qiáng)度設(shè)計(jì)中最常用的指標(biāo),研究其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度具有重要的意義。影響二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素很多,但究其主要因素有二灰比例、石灰摻量和齡期[8-14]。因此,本文通過(guò)研究不同比例、不同石灰劑量及不同齡期下二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,得到二灰比例、石灰摻量及齡期對(duì)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,為二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂在公路工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

      2 二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂強(qiáng)度形成原理

      二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂強(qiáng)度的形成因素包括2個(gè)方面:

      (1)風(fēng)化砂顆粒間的內(nèi)摩阻力和嵌擠力。在二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓試件成型的初期,二灰混合料還未發(fā)生化學(xué)反應(yīng),其強(qiáng)度主要由風(fēng)化砂顆粒所組成的骨架來(lái)形成。由于風(fēng)化砂顆粒棱角分明,且風(fēng)化砂顆粒有一定的硬度,顆粒之間的相互嵌擠咬合作用以及砂粒自身的硬度,構(gòu)成了二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的早期強(qiáng)度。

      (2)石灰的碳化和結(jié)晶作用。石灰和粉煤灰發(fā)生的火山灰作用,導(dǎo)致二灰結(jié)合料及其礦料之間產(chǎn)生粘結(jié)力——隨著試件的進(jìn)一步養(yǎng)護(hù),混合料之間發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng),使得混合料結(jié)合更加緊密。首先是石灰中的Ca(OH)2在水中產(chǎn)生電離作用,放出熱量,導(dǎo)致溫度升高,電離度加大,產(chǎn)生越來(lái)越多的Ca2+,為后續(xù)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行提供了基礎(chǔ)。當(dāng)試件水分蒸發(fā)時(shí),石灰溶液中的Ca(OH)2會(huì)發(fā)生溶解的逆反應(yīng),形成Ca(OH)2結(jié)晶體,這種結(jié)晶體會(huì)將風(fēng)化砂顆粒膠結(jié)在一起,使混合料能產(chǎn)生一定的強(qiáng)度。Ca(OH)2與空氣中的CO2反應(yīng),生成強(qiáng)度和穩(wěn)定性都較高的CaCO3,進(jìn)一步增強(qiáng)了混合料的強(qiáng)度。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),石灰和粉煤灰在這一過(guò)程中發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng),石灰中的氫氧化鈣與粉煤灰中的二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵等相互作用,并在水的作用下發(fā)生水化反應(yīng),生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵鋁酸鈣等膠凝物質(zhì),并與風(fēng)化砂膠結(jié),經(jīng)過(guò)硬化,達(dá)到一定的強(qiáng)度。

      3 試驗(yàn)材料及方案

      3.1 試驗(yàn)材料

      3.1.1 風(fēng)化砂

      試驗(yàn)用風(fēng)化砂取自湖北省宜昌市百歲溪大橋附近,為黑云母石英閃長(zhǎng)巖風(fēng)化而成,顆粒呈棱角狀,具有很強(qiáng)的憎水性,固結(jié)也較快。經(jīng)測(cè)定,其天然含水率為3.84%,含泥量為2.24%。對(duì)該風(fēng)化砂進(jìn)行了顆粒分析、重型擊實(shí)等試驗(yàn),最佳含水率為6%,最大干密度為1.9 g/cm3,其中粒徑大于2 mm的顆粒含量為62.18%,粒徑在0.075~2 mm之間的顆粒含量為35.59%,粒徑小于0.075 mm的顆粒含量為2.24%,不均勻系數(shù) Cu為10.21,曲率系數(shù) Cc為3.08,得到的顆粒分析曲線如圖1所示。

      圖1 試驗(yàn)用風(fēng)化砂的顆粒曲線Fig.1 Particle gradation curve of test weathered sand

      從圖1可以看出,該風(fēng)化砂的粒徑累計(jì)曲線較陡,說(shuō)明粒徑大小相差不多,顆粒比較均勻,綜合其不能同時(shí)滿足不均勻系數(shù)≥5和曲率系數(shù)在1~3之間這2個(gè)條件,可知該風(fēng)化砂的級(jí)配不良。

      3.1.2 石 灰

      本試驗(yàn)所用石灰取自湖北宜昌地區(qū),試驗(yàn)前均已烘干,其中有效氧化鈣和氧化鎂含量為83.6%,氧化鎂含量為4.7%,未消化殘?jiān)窟^(guò)5 mm圓孔篩的篩余量為11.8%,根據(jù)石灰技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(GB1594—79)可知,該石灰屬于鈣質(zhì)Ⅱ級(jí)生石灰,符合《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034—2000)中二灰混合料中對(duì)石灰材料的使用要求。

      3.1.3 粉煤灰

      本試驗(yàn)所用粉煤灰取自湖北宜昌地區(qū)某電廠,該粉煤灰中二氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵的總含量為76.3%,燒失量為7.4%,比表面積為2 654 cm2/g,其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034—2000)的要求。

      3.2 試驗(yàn)方案

      3.2.1 風(fēng)化砂和石灰、粉煤灰比例的選定

      二灰比為石灰與粉煤灰的干重之比,根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034—2000)規(guī)定,采用二灰混合料做基層或底基層時(shí),二灰比可用1∶2~1∶4,因此本試驗(yàn)研究采用的二灰比為1∶2,1∶3,1∶43種。二灰混合料的配合比以石灰摻量(2%,4%,6%,8%)為基礎(chǔ),配以以上3種不同的二灰比,共12種配合比(石灰、粉煤灰、風(fēng)化砂與混合料總干重之比的和為100%)。

      3.2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

      取具有代表性的風(fēng)干風(fēng)化砂若干,過(guò)10 mm篩后,測(cè)定其風(fēng)干含水率[15]。試件尺寸為?100 mm×100 mm的圓柱體,其壓實(shí)度為100%,控制干密度為1.9 g/m3,含水率為6%,根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算出每個(gè)試件所需風(fēng)干風(fēng)化砂的質(zhì)量,以及石灰、粉煤灰的質(zhì)量。將稱量好的風(fēng)化砂、石灰、粉煤灰拌和均勻,再加水配至控制含水率,燜料24 h。采用靜壓成型(本試驗(yàn)使用壓力試驗(yàn)機(jī))的方法制作試件,每種配合比成型6個(gè)試件。將制作好的試件用多層塑料袋密封后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)齡期分別為7,14,21,28 d,養(yǎng)護(hù)方法及要求參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)。采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)養(yǎng)護(hù)好的試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn),試驗(yàn)速率為1 mm/min,試驗(yàn)要求參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)。

      4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

      對(duì)不同石灰劑量、不同二灰比及不同齡期下的二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

      4.1 齡期對(duì)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

      根據(jù)表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制石灰劑量分別為2%,4%,6%,8%時(shí)不同二灰比下二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期之間的關(guān)系曲線,如圖2所示。

      從圖2可以看出:

      表1 二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of unconfined compressive strength of weathered sand stabilized by lime-fly ash

      圖2 石灰劑量與二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between unconfined compressive strength and age in the presence of different lime dosages

      (1)二灰的摻入可較大程度地改善風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,對(duì)風(fēng)化砂起到較好的穩(wěn)定作用,且二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值基本都能達(dá)到二級(jí)及二級(jí)以下公路基層或高速公路底基層的要求(規(guī)范規(guī)定養(yǎng)護(hù)7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值不小于0.8 MPa)。

      (2)在某一確定的石灰劑量和同一二灰比下,二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增大,但隨齡期增大的速度有較大的差異。

      石灰劑量為2%時(shí),二灰比為1∶2和1∶3的二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大的速度隨齡期的增長(zhǎng)而減小,但二灰比為1∶4的二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大的速度隨齡期的增大而增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是石灰劑量較小且石灰與粉煤灰比例較小時(shí),相應(yīng)摻入粉煤灰的總量也比較少,二者發(fā)生火山灰反應(yīng)的速率相對(duì)也較慢,故隨著齡期的增加,強(qiáng)度增長(zhǎng)速度會(huì)逐漸減小。當(dāng)石灰量少而粉煤灰摻量較多時(shí),粉煤灰與石灰發(fā)生火山灰反應(yīng)后,多余的粉煤灰中含有較多的的Ca2+還會(huì)繼續(xù)與風(fēng)化砂顆粒中的二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生膠凝性的硅酸鈣,使得強(qiáng)度增長(zhǎng)速率繼續(xù)增大。

      石灰劑量為4%時(shí),3種二灰比下二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大的速度均隨齡期的增長(zhǎng)而減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是試件在4%的石灰摻量下,石灰、粉煤灰以及風(fēng)化砂中的二氧化硅恰好能反應(yīng)完全,后期基本不再發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

      石灰劑量為6%時(shí),二灰比為1∶2和1∶3的二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大的速度隨齡期的增長(zhǎng)先減小后增大,這主要是因?yàn)槭覄┝枯^大時(shí),粉煤灰相應(yīng)的劑量也會(huì)較大,大量的粉煤灰包裹著石灰,阻止了石灰中的鈣離子與二氧化硅發(fā)生化學(xué)反應(yīng),當(dāng)石灰與粉煤灰發(fā)生火山灰作用,消耗掉相當(dāng)大一部分粉煤灰之后,石灰與風(fēng)化砂的接觸面積增大,故強(qiáng)度的增長(zhǎng)會(huì)表現(xiàn)出先減小后增大的現(xiàn)象。二灰比為1∶4的二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大的速度隨齡期的增長(zhǎng)而減小,產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要是因?yàn)榉勖夯业暮亢艽?,充分阻止了石灰與風(fēng)化砂的接觸,石灰與粉煤灰發(fā)生火山灰作用,產(chǎn)生一定的強(qiáng)度,但鈣離子含量相應(yīng)減少,反應(yīng)速率會(huì)減慢,強(qiáng)度增長(zhǎng)會(huì)變小。

      石灰劑量為8%時(shí),二灰比為1∶2的二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大的速度隨齡期的增長(zhǎng)先減小后增大(原因同上);二灰比為1∶3和1∶4的二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大的速度隨齡期變化的規(guī)律一致,均先保持不變?cè)贉p小。上述結(jié)果的主要原因是此時(shí)石灰和粉煤灰的劑量都很大,兩種物質(zhì)接觸面較大,發(fā)生化學(xué)反應(yīng)速率都比較一致,當(dāng)石灰反應(yīng)完后,多余的粉煤灰再與二氧化硅作用,此時(shí)鈣離子含量較小,化學(xué)反應(yīng)速率會(huì)很慢,故強(qiáng)度增長(zhǎng)速率會(huì)減小。

      4.2 二灰比對(duì)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

      當(dāng)石灰劑量在2%~6%之間時(shí),不同齡期下二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨二灰比的減小而增大;而當(dāng)石灰劑量在8%時(shí),不同齡期下二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨二灰比的減小先增大后減小。這是由于當(dāng)石灰劑量較小時(shí),隨著二灰比的減小,二灰含量增加,混合料中風(fēng)化砂含量雖減小但變化不大,風(fēng)化砂壓實(shí)形成的骨架強(qiáng)度基本不變,而二灰水化所生成的膠凝物增多,因而在此條件下二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨二灰比的減小而增大。當(dāng)石灰劑量達(dá)到一定值時(shí),隨著二灰比的減小,二灰含量增加幅度較大,混合料中風(fēng)化砂的含量減小幅度較大,由風(fēng)化砂壓實(shí)形成的骨架強(qiáng)度迅速減小。雖然二灰水化反應(yīng)生成的膠凝物在增加,最初能彌補(bǔ)風(fēng)化砂的減少及填充其空隙,但二灰比較大時(shí),以致產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)所形成強(qiáng)度的增大幅度小于骨架強(qiáng)度的降低幅度,所以出現(xiàn)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在此條件下先增大后減小的現(xiàn)象。

      4.3 石灰劑量對(duì)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

      當(dāng)二灰比為1∶2和1∶3時(shí),在同一齡期下,二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰劑量的增大而增大;但在二灰比為1∶4,養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí),二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰劑量的增大先增大后減小,養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)時(shí),二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰劑量的增大而增大。這是因?yàn)槎冶容^大時(shí),在同一石灰劑量下,粉煤灰的含量較大,能為火山灰反應(yīng)提供更多的活性物質(zhì),這些活性物質(zhì)的溶解需要一定的時(shí)間,火山灰作用將會(huì)持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間,而在養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí),其作用未能較好地體現(xiàn)出來(lái),因而養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí),二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰劑量的增加并不是一直增大,而是先增大后減小。

      5 極差分析及方差分析

      利用極差分析和多因素方差分析方法,以7,14,21,28 d二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為考核指標(biāo),確定石灰劑量和二灰比這2種影響因素的顯著程度和二灰混合料的最佳配合比。極差分析及方差分析結(jié)果分別見(jiàn)表2及表3。

      表2 二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)極差分析結(jié)果Table 2 Result of range analysis on the data of unconfined compressive strength of weathered sand stabilized by lime-fly ash

      從表2可以看出,在同一齡期下,石灰劑量的極差值均大于二灰比的極差值,且石灰劑量、二灰比兩者的極差值均大于誤差的極差值,說(shuō)明誤差對(duì)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響相對(duì)于石灰劑量和二灰比可以忽略,因此,石灰劑量是首要因素,二灰比是次要因素。當(dāng)石灰劑量為8%,二灰比為1∶3時(shí),二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大,可以看出,該二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的最佳配比為8∶24∶68(石灰∶粉煤灰∶風(fēng)化砂),合理控制石灰劑量和二灰比是保證二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的重要手段。

      表3中,F(xiàn)值表示F分布中統(tǒng)計(jì)量值,A表示石灰劑量,B表示二灰比。FA服從自由度為(3,6)的F分布,F(xiàn)B服從自由度為(2,6)的F分布。F分布中置信水平為95% 和 99% 的臨界值:F0.01(3,6)=9.78,F(xiàn)0.05(3,6)=4.76,F(xiàn)0.01(2,6)=10.92,F(xiàn)0.05(2,6)=5.14。

      一般F>F0.01表示影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響特別顯著;F0.05<F≤F0.01表示影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響顯著;F≤F0.05表示影響因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不顯著。

      從表3可以看出,在同一齡期下,石灰劑量對(duì)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響比二灰比對(duì)其的影響大。石灰劑量的F值隨齡期的增長(zhǎng)先增大后減小,在齡期為21 d時(shí),其值最大,說(shuō)明石灰劑量對(duì)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響先增大后減小,當(dāng)齡期為21 d時(shí),石灰劑量對(duì)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最大。二灰比的F值隨齡期的增大而減小,說(shuō)明隨著齡期的增長(zhǎng),二灰比對(duì)二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響逐漸減小。

      表3 二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)方差分析結(jié)果Table 3 Result of multi-factor variance analysis on the unconfined compressive strength of weathered sand stabilized by lime-fly ash

      6 結(jié)論

      (1)經(jīng)過(guò)二灰改良后,該風(fēng)化砂的強(qiáng)度有明顯的提高,已達(dá)到路用材料的強(qiáng)度要求,可將該風(fēng)化砂用于高速公路和一級(jí)公路的底基層或二級(jí)及二級(jí)以下公路的基層中。

      (2)在某一確定石灰劑量和相同二灰比下,二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)而增大。

      (3)在同一齡期下,影響二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的首要因素是石灰劑量,次要因素為二灰比,但兩者均對(duì)風(fēng)化砂的強(qiáng)度影響顯著,因此,合理選擇石灰劑量和二灰比可保證二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

      (4)該二灰穩(wěn)定風(fēng)化砂的最佳配比為8∶24∶68,作為實(shí)際公路工程施工時(shí)的參考值。

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