[摘 要] 本文介紹了國內(nèi)外礦渣微粉的應(yīng)用情況，并分析了礦渣微粉對商品混凝土性能的影響，說明了將礦渣微粉與I 級粉煤灰復(fù)合配制商品混凝土可以發(fā)揮優(yōu)勢互補(bǔ)效應(yīng)，使混凝土的性能得到進(jìn)一步改善。闡述了礦渣微粉在商品混凝土應(yīng)用過程中應(yīng)注意的問題。
[關(guān)鍵詞] 礦渣微粉； 商品混凝土
1 引言
礦渣作為水泥混合材在我國已有40 多年的歷史，但20 世紀(jì)90 年代以前，大多數(shù)是將礦渣和水泥熟料一起粉磨，屬粗放型應(yīng)用。由于礦渣與水泥熟料的易磨性相差很大，與熟料混磨后的礦粉較粗，其比表面積為300m2/ kg 左右，在水泥水化時礦渣的活性不能充分發(fā)揮。因此，摻混合材的水泥一般都是早期強(qiáng)度低，凝結(jié)時間長。如將礦渣經(jīng)過單獨(dú)粉磨得到礦渣粉，由于其比表面積達(dá)到400m2/ kg 以上，顆粒較細(xì)，則其活性可以得到充分發(fā)揮，這種顆粒細(xì)小的粉磨礦渣就是磨細(xì)礦渣( GGBFS) (礦渣微粉) 。
2 礦渣微粉在國內(nèi)外的應(yīng)用情況
1862 年德國人發(fā)現(xiàn)水淬礦渣具有潛在的活性后， 礦渣長期作為水泥混合材使用。1865 年德國開始生產(chǎn)石灰礦渣水泥。隨著礦渣硅酸鹽水泥良好的耐久性及應(yīng)用價值不斷為人們所認(rèn)識，19 世紀(jì)初在歐洲得到了廣泛的應(yīng)用。德國有關(guān)礦渣硅酸鹽水泥的研究資料比硅酸鹽水泥的還要多。1933 年出現(xiàn)了濕碾礦渣及濕碾礦渣混凝土技術(shù)，50 年代這一技術(shù)曾在大型混凝土和預(yù)制混凝土中應(yīng)用，因濕碾礦渣漿具有儲存和運(yùn)輸困難的缺點(diǎn)，該技術(shù)并未得到廣泛推廣。1958 年南非將水淬礦渣烘干磨細(xì)，克服了濕碾礦渣漿儲存及運(yùn)輸困難的缺點(diǎn)，首次將礦粉用于商品混凝土。進(jìn)入60 年代，隨著預(yù)拌混凝土工業(yè)的興起和發(fā)展，礦粉作為混凝土的獨(dú)立組分得到了廣泛應(yīng)用，90 年代在東南亞、我國臺灣、香港地區(qū)也得到了廣泛的使用。目前，國外一些發(fā)達(dá)國家已將摻有礦粉的混凝土普遍用于各類建筑工程。西歐摻有礦粉的水泥約占水泥總用量的20 %；荷蘭礦粉摻量65 %～70 %的水泥約占水泥總銷量的60 % ，幾乎各種混凝土結(jié)構(gòu)都采用此種水泥;英國礦粉的每年銷售量已達(dá)到100 多萬噸;美國、加拿大現(xiàn)在也將礦粉摻入水泥中應(yīng)用于各種建筑工程;在日本、新加坡、東南亞地區(qū)礦粉普遍地應(yīng)用于商品混凝土和摻入水泥中。
美國1982 年發(fā)布了《混凝土和砂漿用的磨細(xì)粒化高爐礦渣》標(biāo)準(zhǔn)(ASTM C989 - 82) ，并于1989 年進(jìn)行了修訂。澳大利亞、加拿大、英國等在1980 年- 1986 年期間也相繼制定了礦粉的材料標(biāo)準(zhǔn)。日本在1986 年由土木學(xué)會制定了《混凝土用礦渣粉》標(biāo)準(zhǔn)草案，于1995 年3 月正式修訂為日本的國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(J ISA6206 - 1995) ，日本1988 年還制定了《摻高爐礦渣粉的混凝土的設(shè)計與施工指南(草案)》。這些標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施極大地推動了礦粉混凝土技術(shù)的研究， 并促使礦粉混凝土技術(shù)得到了令人矚目的發(fā)展。在我國，礦渣運(yùn)用的歷史久遠(yuǎn)，但都是作為活性混合材添加在水泥熟料中，成為硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥。隨著國際上對礦粉研究地不斷深入和大規(guī)模地開發(fā)利用，我國20 世紀(jì)80 年代改革開放的力度不斷加大，預(yù)拌混凝土的崛起與發(fā)展以及政府日益注重的環(huán)境保護(hù)，自20 世紀(jì)90 年代起，我國開始了礦粉的特性及應(yīng)用研究工作。1998 年上海市實(shí)施地方標(biāo)準(zhǔn)《混凝土和砂漿用?；郀t礦渣微粉》，1999 年《粒化高爐礦渣微粉在混凝土中應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》制定頒布。2000 年國家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土的?；郀t礦渣粉》( GB18046 - 2000) 頒布實(shí)施，2002 年國家標(biāo)準(zhǔn)《高強(qiáng)、高性能混凝土用礦物外加劑》頒布，在該標(biāo)準(zhǔn)中正式將礦渣微粉命名為“礦物外加劑”納入混凝土第六組分。磨細(xì)礦渣作為一個獨(dú)立的產(chǎn)品出現(xiàn)在建筑市場，廣泛應(yīng)用于商品混凝土中。礦粉的應(yīng)用逐漸成熟，并被廣泛接受和使用。據(jù)不完全統(tǒng)計上海每年用于商品混凝土和摻加在水泥中的礦粉已達(dá)到80 萬噸。
3 礦渣微粉對混凝土性能的影響
3。1 礦粉細(xì)度( 比表面積) 及其對混凝土強(qiáng)度的影響
磨細(xì)礦渣微粉磨到一定細(xì)度(比表面積) ，才能充分參與水化反應(yīng)提高活性。礦粉細(xì)度大小直接影響礦粉的增強(qiáng)效果，原則上礦粉細(xì)度越大則效果越好， 但要求過細(xì)則粉磨困難，成本大幅度增加。綜合考慮礦粉的細(xì)度以400m2/ kg～600m2/ kg 為佳，從表1 中的試驗數(shù)據(jù)分析礦粉的細(xì)度也應(yīng)為400m2/ kg ～ 600m2/ kg。
但實(shí)際應(yīng)用中，由于礦渣較難磨細(xì)，考慮到磨機(jī)效率，礦渣磨細(xì)到400m2/ kg～500m2/ kg 已經(jīng)比較好了。從頒布執(zhí)行的GB/ T18046 - 2000 標(biāo)準(zhǔn)來看，只要將礦渣比表面積控制在420m2/ kg～450m2/ kg 即可滿足標(biāo)準(zhǔn)中S95 級要求。這樣，即可滿足預(yù)拌混凝土公司配制≤C60 混凝土的要求。除非需配制C80 以上的混凝土，否則勿需耗費(fèi)大量電能生產(chǎn)比表面積600m2/ kg 的磨細(xì)礦渣。另外，僅用比表面積作為礦渣粉的質(zhì)量指標(biāo)是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，因為不同粉磨系統(tǒng)制備的磨細(xì)礦渣，即使比表面積相同，其活性指數(shù)(特別是7d 齡期時) 也不一定相同。
3。2 礦粉對混凝土耐久性的影響
(1) 礦粉降低水泥的水化熱
混凝土在硬化過程中，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生大量水化熱。由于混凝土熱阻很大，熱量聚集在內(nèi)部不易散發(fā)，而表面散熱較快，致使在混凝土內(nèi)部和表面形成較大溫差。這樣會導(dǎo)致不均勻溫度變形和溫度應(yīng)力， 一旦拉應(yīng)力超過混凝土即時抗拉強(qiáng)度，就會在混凝土內(nèi)部或表面產(chǎn)生裂縫。這種溫度裂縫是混凝土早期開裂的主要因素之一，往往是貫穿性的有害裂縫，對混凝土的耐久性十分不利。
應(yīng)用42。5 普通硅酸鹽水泥及礦粉和粉煤灰進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果列于表2 中。
由表中可以看出，混凝土中摻加礦粉可降低漿體的水化熱，單摻量小于50 %時，水化熱降低不明顯。當(dāng)達(dá)到70 %摻量時，3d、7d 的水化熱明顯降低;礦粉和粉煤灰復(fù)配，可顯著降低漿體3d、7d 的水化熱。對要求嚴(yán)格控溫的大體積混凝土，礦粉和粉煤灰復(fù)配是理想的礦物摻合料，可有效減少混凝土早期溫縮裂縫。
(2) 礦粉提高混凝土抗?jié)B性能
超細(xì)礦粉對混凝土抗?jié)B性的改善主要取決于它的兩個綜合效應(yīng)；一是火山灰效應(yīng)，二是微集料效應(yīng)?；鹕交倚?yīng)；礦渣改變了膠結(jié)料與集料的界面粘結(jié)強(qiáng)度，普通混凝土的漿體與集料的界面粘結(jié)受水化產(chǎn)物Ca (OH) 2 定向排列的影響而強(qiáng)度降低。礦渣微粉吸收水泥水化時形成的Ca (OH) 2 ，并進(jìn)一步水化生成更多有利的C —S —H 凝膠，使界面區(qū)的Ca (OH) 2 晶粒變小，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，使水泥漿體的孔隙率明顯下降，強(qiáng)化了集料界面粘結(jié)力，從而使混凝土的抗?jié)B性能提高。
微集料效應(yīng)：混凝土體系可理解為連續(xù)級配的顆粒堆積體系，粗集料間隙由細(xì)集料填充，細(xì)集料間隙由水泥顆粒填充，水泥顆粒之間的間隙則由更細(xì)的顆粒填充。礦渣微粉可起到填充水泥顆粒間隙的微集料作用，從而改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，降低了孔隙率， 并減少了最大孔徑的尺寸，使混凝土形成了密實(shí)充填結(jié)構(gòu)和細(xì)觀層次的自緊密堆積體系，大幅度提高了混凝土的抗?jié)B性能，同時也防止了泌水、離析。
應(yīng)用42。5 普通硅酸鹽水泥及礦粉和粉煤灰進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果列于表3 。
從表3 結(jié)果看，混凝土中摻加礦粉或礦粉和粉煤灰復(fù)配，發(fā)揮摻合料的微集料效應(yīng)和二次水化反應(yīng)， 可以使混凝土孔徑細(xì)化，連通孔減少，混凝土密實(shí)性提高，從而大幅提高混凝土的抗?jié)B性能。
3。3 礦粉和粉煤灰復(fù)摻對混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響
為保證混凝土的可泵送性，商品混凝土要求有很好的流動性，混凝土初始坍落度，一般控制在180mm 以上，泵送時坍落度一般控制在110mm。在水泥水化初期，礦渣微粉分布并包裹在水泥顆粒的表面，起到了延緩和減少水泥初期水化物相互搭接的隔離作用。
因此，使坍落度經(jīng)時損失也有所改善。在同樣混凝土配合比及摻用同樣高效減水劑的情況下，礦渣混凝土的坍落度經(jīng)時損失比普通混凝土小，有利于商品混凝土的泵送施工。另外，礦粉會使混凝土凝結(jié)時間有所延長。
礦渣和I 級粉煤灰復(fù)合摻加，兩種材料的火山灰效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)相互疊加，形成“工作性能互補(bǔ)效應(yīng)”和“強(qiáng)度互補(bǔ)效應(yīng)”，使混凝土具有良好的抗?jié)B性和可泵性。
(1) 混凝土“工作性能互補(bǔ)效應(yīng)”
對新拌混凝土，發(fā)揮粉煤灰的“形態(tài)效應(yīng)”。粉煤灰中富含的球狀玻璃體對漿體起到“潤滑作用”，增大了拌合料的流動性，減小泵送阻力，改善由于礦粉的摻入所導(dǎo)致的混凝土粘聚性提高、泌水性增加的趨勢，使新拌混凝土得到最佳的流動性和粘聚性。
(2) 混凝土“強(qiáng)度互補(bǔ)效應(yīng)”
粉煤灰等量取代水泥時，28d 強(qiáng)度基本都比空白混凝土強(qiáng)度低，而礦粉在合適的摻量下會使混凝土的28d 強(qiáng)度稍有提高，因此，二者有較好的“強(qiáng)度互補(bǔ)效應(yīng)”。二者復(fù)合使用還可兼顧混凝土早期強(qiáng)度與后期強(qiáng)度，早期發(fā)揮礦粉的火山灰效應(yīng)，改善漿體和集料的界面結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)由于粉煤灰的火山灰效應(yīng)滯后于水泥熟料水化，從而使得火山灰反應(yīng)生成物和水泥水化生成的凝膠數(shù)量不足導(dǎo)致與未反應(yīng)的粉煤灰之間界面粘結(jié)不牢引起的早期強(qiáng)度損失;后期發(fā)揮I 級粉煤灰的火山灰效應(yīng)所帶來的孔徑細(xì)化作用以及未反應(yīng)的粉煤灰顆粒的“內(nèi)核作用”，使混凝土后期強(qiáng)度持續(xù)得到提高。
4 礦渣微粉在商品混凝土中的應(yīng)用
由于礦渣微粉具有以上的性能，所以代替水泥的用量是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展路線的很好的途經(jīng)。全國每年生產(chǎn)生鐵約1.6 億噸，每冶煉一噸生鐵，大約產(chǎn)生礦渣0.3 噸～1.0 噸。因此，全國每年的礦渣的產(chǎn)量大約在0.5 億噸～1.6 億噸之間。如果全部用來代替水泥，則可少生產(chǎn)至少1 億噸水泥。少生產(chǎn)1 億噸水泥，就可節(jié)省不可再生的石灰石資源、煤炭資源，減少向環(huán)境排放大量的二氧化碳1 億噸，建筑物的壽命也可大大延長，因此礦渣微粉的應(yīng)用對水泥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有重大的意義。
4。1 應(yīng)用礦渣微粉和粉煤灰復(fù)合配制商品混凝土
磨細(xì)礦渣取代混凝土中的部分水泥，能夠提高混凝土的強(qiáng)度，改善混凝土的工作性能，降低溫升，延緩凝結(jié)時間，提高耐久性。在我國該項技術(shù)的研究和實(shí)踐越來越多，北京每年的用量已接近20 萬噸，而上海每年用量已超過80 萬噸。秦皇島前幾年由于受磨細(xì)礦渣粉加工水平限制以及產(chǎn)量低等原因，使得磨細(xì)礦渣粉在商品混凝土中未得到推廣和使用，但隨著唐鋼60 萬噸生產(chǎn)線的建成，在產(chǎn)品的供應(yīng)上均得到了保證。秦皇島近兩年建成的混凝土攪拌站都增加了礦粉倉，摻加礦粉混凝土已在一些重點(diǎn)工程中應(yīng)用，例如，秦皇島濱海城車庫等，可以預(yù)見未來數(shù)年將掀起磨細(xì)礦渣微粉的使用高潮。以下為某工程礦粉和粉煤灰復(fù)合配制的實(shí)際應(yīng)用配合比(僅供試配參考) 。
4。2 礦粉在商品混凝土攪拌站中應(yīng)用時應(yīng)注意的問題
(1) 使用球磨礦粉時應(yīng)加強(qiáng)檢測，嚴(yán)格控制礦粉的細(xì)度。
大型立磨礦渣粉生產(chǎn)線生產(chǎn)的礦渣粉細(xì)度均控制在400m2/ kg～500m2/ kg 的范圍內(nèi)。由于其先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，礦渣粉的細(xì)度非常穩(wěn)定。而球磨礦粉的細(xì)度較難達(dá)到400m2/ kg 以上，如果通過延長磨細(xì)時間， 勉強(qiáng)達(dá)到400m2/ kg 以上，也難以長期穩(wěn)定。一旦礦粉細(xì)度大幅度降低，會給混凝土帶來很多問題，如：粘聚性下降，出現(xiàn)離析和泌水;凝結(jié)時間延長；早期強(qiáng)度降低，甚至28d 強(qiáng)度也會不同程度降低等。因此，在使用球磨礦粉時應(yīng)加強(qiáng)檢測，嚴(yán)格控制礦粉的細(xì)度。
(2) 注意礦粉的摻量
單摻礦粉時，以30 %～40 %為宜。大體積混凝土可增至50 %以上，以達(dá)到明顯降低水化熱的目的。復(fù)摻時，總?cè)〈坎灰顺^50 %。粉煤灰控制在20 % 以內(nèi)，礦粉控制在30 %以內(nèi)。初期使用時，最好粉煤灰控制在10 %以內(nèi)，礦粉控制在20 %以內(nèi)，大體積混凝土可適當(dāng)放寬。
盡管在試配時，礦粉摻量在70 %以內(nèi)對混凝土強(qiáng)度影響不大，但過大的摻量在實(shí)際應(yīng)用中卻存在很多問題。一是混凝土凝結(jié)時間問題。摻量過高時，薄壁結(jié)構(gòu)由于混凝土溫度很快與環(huán)境溫度相同，其混凝土的凝結(jié)時間會明顯加長，不利于施工。對于豎向結(jié)構(gòu)，由于混凝土長期處于塑性狀態(tài)，會使混凝土發(fā)生較大沉降收縮，常常出現(xiàn)沿箍筋的環(huán)行裂縫。對于大體積混凝土，由于它能積聚水化熱，凝結(jié)時間往往比試驗要短的多。因此采用大摻量礦粉或礦粉與粉煤灰復(fù)配可降低水化熱，延緩凝結(jié)時間，對大體積混凝土是比較有利的。另一個是混凝土粘聚性，隨著混凝土強(qiáng)度等級提高，混凝土的粘聚性不斷增加，這樣就會給配制混凝土帶來一定的困難。低強(qiáng)度等級混凝土粘聚性差，需要設(shè)法增加其粘度，減少混凝土離析泌水的可能;高強(qiáng)度等級混凝土粘聚性大，需要設(shè)法降低其粘度來保證施工性能。由于細(xì)度達(dá)到400m2/kg 以上的礦粉可增加混凝土粘度，因此它有利于低強(qiáng)度等級混凝土而不利于高強(qiáng)度等級混凝土配制。配制高強(qiáng)度混凝土?xí)r需要礦粉和可以降低混凝土粘度的優(yōu)質(zhì)I 級粉煤灰復(fù)合使用。
(3) 復(fù)摻時，針對不同等級粉煤灰，選擇合適的復(fù)合比例。
礦渣粉在商品混凝土攪拌站使用時，常與粉煤灰復(fù)合使用。這是因為粉煤灰比礦粉更為廉價，單摻礦粉對混凝土成本不利。雖然單摻粉煤灰可以大幅度降低成本，但摻量受到較大限制；另外，礦粉和粉煤灰復(fù)配時能充分利用二者的“優(yōu)勢互補(bǔ)”，改善混凝土性能。
礦渣粉與II 級粉煤灰復(fù)合：礦粉與II 級粉煤灰復(fù)合使用時，粉煤灰的取代量宜控制在15 %以內(nèi)，礦粉宜控制在30 %以內(nèi)。由于II 級粉煤灰較I 級粉煤灰供應(yīng)量充足，因此在商品混凝土攪拌站大量使用。但I(xiàn)I 級粉煤灰的質(zhì)量穩(wěn)定性很差，給配制混凝土帶來很多不便。礦粉的質(zhì)量穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于II 級粉煤灰，給我們配制混凝土帶來了很好的選擇，只要通過試驗找出合適的復(fù)配比例及合適的摻量，就可以配制出和易性好而成本又無明顯增加的混凝土。在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能多用礦粉;降低II 級粉煤灰質(zhì)量波動給混凝土帶來的不利影響。另外，由于II 級粉煤灰和礦渣粉同樣具有增加混凝土粘度的趨勢，因此不宜配制高強(qiáng)混凝土。
礦渣粉與I 級粉煤灰復(fù)合：礦粉與I 級粉煤灰復(fù)合使用應(yīng)是最佳組合。粉煤灰可控制在20 %以內(nèi)，礦粉可以控制在40 %以內(nèi)，它們之間的比例可以根據(jù)不同強(qiáng)度等級，不同技術(shù)要求進(jìn)行調(diào)整。
(4) 注意礦粉(或礦粉和粉煤灰復(fù)摻) 混凝土的養(yǎng)護(hù)
當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度適宜、濕度較大時。混凝土中水分蒸發(fā)少，水化充分，孔隙率及孔隙平均尺寸減小，同時由于水化產(chǎn)物阻隔了水分子通道，使得開口孔隙數(shù)量減少，可發(fā)揮“儲備”作用的閉合孔數(shù)量增加，因此，建立良好的養(yǎng)護(hù)制度有利于提高混凝土的抗凍性能。礦粉(或礦粉和粉煤灰復(fù)摻) 混凝土對養(yǎng)護(hù)條件要求更為苛刻。因此商品混凝土攪拌站技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)與施工方溝通，確?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)條件。受施工進(jìn)度、結(jié)構(gòu)形式、養(yǎng)護(hù)手段和人員素質(zhì)等方面因素的影響，混凝土的養(yǎng)護(hù)經(jīng)常得不到重視。特別是豎向結(jié)構(gòu)，如剪力墻、柱等，由于不便養(yǎng)護(hù)，一些單位只是涂刷養(yǎng)護(hù)劑，而養(yǎng)護(hù)劑的效果很難在短期驗證，使混凝土的養(yǎng)護(hù)出現(xiàn)不少問題。在礦粉或礦粉和粉煤灰復(fù)合摻加的情況下，更需要加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，只有充分養(yǎng)護(hù)才能發(fā)揮摻合料的作用。
(5) 注意調(diào)整混凝土的凝結(jié)時間
磨細(xì)礦渣對混凝土的凝結(jié)時間與不摻磨細(xì)礦渣的普通混凝土相比，具有一定的緩凝效果?；炷恋某跄?、終凝時間比基準(zhǔn)混凝土推遲1h～215h 。因此， 商品混凝土公司應(yīng)注意調(diào)整混凝土的凝結(jié)時間，特別是冬季施工，應(yīng)調(diào)整混凝土配合比，控制混凝土中的礦粉摻量和使用早強(qiáng)型減水劑。
(6) 注意混凝土用水量的調(diào)整磨細(xì)礦渣與高效減水劑復(fù)合使用時，具有輔助減水的功能，與只摻高效減水劑的普通水泥的混凝土相比，在保證混凝土初始坍落度相同的情況下，可以減少用水量。
5 結(jié)束語
隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，對混凝土的耐久性越來越重視，而配制耐久性混凝土的途徑之一就是摻加包括礦粉在內(nèi)的礦物摻合料。大型立磨礦渣技術(shù)在我國的快速發(fā)展，使大量細(xì)度在400m2/ kg 的礦粉得到廣泛應(yīng)用。礦粉的大量應(yīng)用，改變以往僅以粉煤灰為主要摻合料的局面。對于商品混凝土攪拌站而言，這種礦粉的出現(xiàn)給我們配制混凝土帶來了很大的方便， 隨著礦粉研究和應(yīng)用的不斷深入，混凝土質(zhì)量會逐步改善。同時，礦粉的應(yīng)用，可以克服僅摻粉煤灰時取代水泥量有限的弱點(diǎn)，可以進(jìn)一步降低水泥用量，不僅可以改善混凝土耐久性，同時降低混凝土成本，節(jié)約能源，改善環(huán)境。
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[作者簡介] 周美茹，1968 年生，女，副教授，無機(jī)非金屬材料專業(yè)。
[單位地址] 河北省秦皇島市河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院建材建工系
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