大厚度水泥穩(wěn)定碎石性能及微觀結(jié)構(gòu)研究

【中圖分類號(hào)】：U414 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2025）04-61-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.04.014

The Performance and Microstructure of （CSM） Large-thick Cement-stabilized Macadam

ZHNAG Shengyu'，LI Jianwei1，XIAO Qingyi2*，LU Haitao1，MA Xiaoming1，CHENDewei1 （1.CangzhouRoadandBridgeConstructioGoupCo，Ltd.，Cangzhou6099，China;2.ShoolofCivilandTransportionEngieing， Hebei University of Technology，Tianjin 300401）

【Abstract】：To investigate the feasibilityof thecompaction techniqueforlarge-thicknesscement-stabilized macadam （CSM）and to reveal its compaction mechanism and characteristics，this study builds upon conventional indoor tests with increased forming height of the specimens.Standard-sized specimens were extracted from the lower portion under the forming pressure and subjected to laboratory mechanical performance tests.Industrial CT and image processng techniques were employed to acquire the internal structural characteristics of the specimens.A comparative analysis was conducted on the mechanical properties of the two diferent forming methods on the mechanical properties of cement-stabilized macadam（CSM）.The results indicate that the unconfined compressive strength，spliting tensile strength，flexural tensile strength，and dynamic modulusof the thick-layer cement-stabilized macadam specimens showed minimal difference compared to the conventional specimens.The porosityof each cross-section remained within therange of 1.3 to 3.0.The bottom of the thick-layer specimens exhibited the highest porosity，the greatest number of elongatedvoids and the largest fractal dimension. These meso-structural indicators suggest that the performance metrics of the bottom structure in large-thicknesscement-stabilized macadam（CSM）are slightly inferior to those of the bottm structureof conventional specimens.Through the integration of macroscopic mechanical testing and microscopic industrial CTanalysis，this study elucidates the mechanical strength performance and internal structural characteristics during the compaction process of large-thickness cement-stabilized macadam （CSM）.

[Key words】： large-thickness cement-stabilized macadam（CSM）;microstructure；mechanical properties

我國高等級(jí)公路基層 90% 以上是水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)樽鳛榘雱傂曰鶎踊虻谆鶎咏Y(jié)構(gòu)，水泥穩(wěn)定碎石材料不僅取材方便，而且其強(qiáng)度、整體性及水穩(wěn)定性都非常優(yōu)異～3]，能夠滿足我國不同的地理氣候因素的要求4。實(shí)際工程中，單層水泥穩(wěn)定碎石材料壓實(shí)后厚度一般不超過 20cm ，施工中通常需要分層操作5。多層施工碾壓過程中引起下承層損傷；增加碳排放；多層結(jié)構(gòu)降低基層整體承載能力；層間污染；延長施工工期，增加人工及機(jī)械成本；因此在新型施工設(shè)備助力下，增大單層水穩(wěn)壓實(shí)厚度成為工程發(fā)展需要。若能對(duì)壓實(shí)工藝方案進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)一次性攤鋪碾壓成型，不僅能夠有效減小壓路機(jī)碾壓施工對(duì)水泥穩(wěn)定碎石基層材料的傷害；還能夠節(jié)約人力、物力、財(cái)力及時(shí)間成本，增強(qiáng)水泥穩(wěn)定碎石基層的整體性能；又能減小水分散失導(dǎo)致的干縮影響，提升路面的耐久性能]。

深入研究大厚度水泥穩(wěn)定碎石材料的壓實(shí)機(jī)理和相關(guān)壓實(shí)特性，通過室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場施工情況確定攤鋪壓實(shí)設(shè)備的選用組合等施工工藝，對(duì)大厚度路面碾壓施工具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。李洋洋等為了分析水泥穩(wěn)定碎石材料密度形成原理和相關(guān)壓實(shí)機(jī)理，進(jìn)行了試驗(yàn)研究并分析了分層壓實(shí)施工過程中所存在的問題，為大厚度基層整體壓實(shí)施工提供了參考依據(jù)；楊自全等以高速公路建設(shè)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，針對(duì)大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層，從原材料選擇、室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)、施工工藝等方面進(jìn)行了試驗(yàn)分析，分析了大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層的力傳導(dǎo)；龔起超等結(jié)合通平高速公路現(xiàn)場施工，采用振動(dòng)擊實(shí)方式和重型擊實(shí)方式研究了大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)性能和壓實(shí)特性，為工程應(yīng)用提供了可靠的理論依據(jù)；第海東等在鶴大高速公路兩個(gè)標(biāo)段分別使用分層攤鋪和一次性攤鋪壓實(shí)工藝，較為全面地分析了不同施工方式條件下厚層水泥穩(wěn)定碎石基層的技術(shù)性能和壓實(shí)度、抗壓強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)；張棟梁等對(duì)水泥碎石組成進(jìn)行微觀分析，提出改善界面均勻性的理想材料結(jié)構(gòu)組成狀態(tài)，揭示了基于均勻性設(shè)計(jì)得到的水泥穩(wěn)定碎石性能改善的微觀機(jī)理;MASADE等[2～13]采用工業(yè)CT掃描和數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合的研究手段，比較分析了不同成型方式下粗集料顆粒及空隙空間分布特征等細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，探究不同壓實(shí)條件對(duì)瀝青混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響；張坤等4使用CT設(shè)備，通過對(duì)生土材料不同橫斷面的CT分析比較，得出了裂縫和空隙產(chǎn)生的過程和發(fā)展規(guī)律。

國內(nèi)外學(xué)者雖然對(duì)大厚度一次性攤鋪技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)和分析，但對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如何指導(dǎo)工程實(shí)踐及在單層基層壓實(shí)厚度增加的情況下大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層的上部出現(xiàn)超壓實(shí)度現(xiàn)象、空隙沿厚度分布規(guī)律、大厚度壓實(shí)機(jī)理等關(guān)鍵問題未做詳細(xì)探究。本文在室內(nèi)試驗(yàn)的研究基礎(chǔ)上，通過工業(yè)CT掃描技術(shù)和圖像處理技術(shù)對(duì)試件進(jìn)行斷層掃描，重構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石三維模型，對(duì)試件縱向切片圖像進(jìn)行處理，結(jié)合宏觀力學(xué)試驗(yàn)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石試件進(jìn)行綜合比較分析，探究大厚度水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部孔隙率及顆粒分布等細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。

1材料與方法

1.1原材料指標(biāo)

1）水泥的主要性能指標(biāo)見表1。

表1水泥物理性能

2）石料取自公路檢測維修站，主要分4個(gè)粒徑范圍，分別為 0～5mm，5～10mm，10～20mm，20～30mm° 根據(jù)規(guī)范[5要求，檢測粗集料和細(xì)集料主要技術(shù)指標(biāo)。見表2和表3。

表2粗集料技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果

表3細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果

1.2礦料級(jí)配

根據(jù)集料篩分結(jié)果，按各篩孔的用量回歸得到較為理想的級(jí)配曲線，并將水泥摻量定為 5% 。見表4。

表4水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配

1.3試件制備

大厚度成型試件應(yīng)區(qū)別于常規(guī)厚度試件，從水泥穩(wěn)定碎石材料層厚的角度出發(fā)，對(duì)規(guī)范規(guī)定的試件尺寸進(jìn)行加厚處理。

制備高徑比為 的圓柱形（直徑 100mm 高度 150mm 試件和高寬比為 的中梁 400mm× 100mm×150mm ）試件。所有試件均采用靜壓方式成型，切割機(jī)沿成型壓力方向切除試件上側(cè)1/3部分（高50mm ），對(duì)下部試件（即標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸）進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。見圖1。

圖1試驗(yàn)試件

為保證壓實(shí)功與現(xiàn)場一致，加載速率設(shè)置為1mm/min ，當(dāng)試件完全壓入后持續(xù)受壓 2min （圓柱試件）或 5min （中梁試件）。卸載后，靜置 2～4h ，使用塑料袋密封后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。圓柱型試件需要使用脫模機(jī)脫模，中梁試件采用人工進(jìn)行脫模。

1.4試驗(yàn)方案

1.4.1力學(xué)試驗(yàn)

通過萬能試驗(yàn)機(jī)靜壓成型，制備 ?100mm×150 mm 的圓柱試件和 400mm×100mm×150mm 的中梁試件，達(dá)到規(guī)定養(yǎng)生時(shí)間后，利用切割機(jī)沿著壓力方向切除試件上部 50mm 部分，形成標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件。制備標(biāo)準(zhǔn)尺寸圓柱型試件和中梁試件作為對(duì)照組，對(duì)分別進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石路用性能試驗(yàn)，包括無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、彎拉試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

1.4.2微觀分析

采用YXLONFF35CT設(shè)備對(duì)水泥穩(wěn)定碎石室內(nèi)成型試件進(jìn)行掃描；同時(shí)為獲取更加清楚的圖像結(jié)構(gòu)，使用ImageJ軟件處理切片圖像，得到其二值化處理圖像。由于主要研究大厚度水泥穩(wěn)定碎石的壓實(shí)機(jī)理及特性，因此對(duì)成型試件的底部 50mm 進(jìn)行工業(yè)CT掃描試驗(yàn)。采用切割機(jī)將試件切割成 ?100mm× 50mm 的小尺寸試件。由于水泥穩(wěn)定碎石材料的黏結(jié)能力有限，在切割過程中，需將試件纏繞固定，避免試件在切割過程中松散剝落，同時(shí)標(biāo)記區(qū)分試件的頂部和底部。掃描結(jié)束后，使用VGStudioMax3.0軟件進(jìn)行三維重構(gòu)1，得到水泥穩(wěn)定碎石底部試件的三維模型[18]，對(duì)其進(jìn)行表面測定、孔隙分析等處理操作，得到試件孔隙三維圖像。

2結(jié)果與討論

2.1力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1.1無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

大厚度水泥穩(wěn)定碎石試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度略小于常規(guī)成型試件。常規(guī)成型試件28、90d抗壓強(qiáng)度較7d抗壓強(qiáng)度分別增長了 51.8%.75% ，大厚度試件28、90d抗壓強(qiáng)度較7d抗壓強(qiáng)度分別增長了 51% 、78.4% 。見表5。

表5水泥穩(wěn)定碎石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

這是由于大厚度試件的厚度更大，壓實(shí)功傳遞不均勻，導(dǎo)致其下部區(qū)域的密實(shí)度相對(duì)較低，密實(shí)度差異可能會(huì)導(dǎo)致大厚度試件的孔隙率較高，從而使得水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的黏結(jié)作用較小；大厚度試件在壓實(shí)的過程中壓實(shí)功更大，可能導(dǎo)致試件中上部大顆粒破碎，從而影響其抗壓強(qiáng)度；但兩者強(qiáng)度增長速率差異不大，隨著養(yǎng)生時(shí)間的增加，大厚度試件強(qiáng)度增長速率較常規(guī)試件快。

2.1.2劈裂強(qiáng)度

大厚度水泥穩(wěn)定碎石試件的劈裂強(qiáng)度略小于常規(guī)成型試件。常規(guī)成型試件28、90d劈裂強(qiáng)度較7d劈裂強(qiáng)度分別增長了 40%.52.9% ，大厚度試件28、90d劈裂強(qiáng)度較7d劈裂強(qiáng)度分別增長了 38.1%.57.1% 。見表6。

表6水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

這是因?yàn)榇蠛穸仍嚰虏繅簩?shí)不充分導(dǎo)致其內(nèi)部可能存在較多微裂縫或細(xì)小裂縫；厚度的增加還可能導(dǎo)致粗細(xì)集料分布不均勻，產(chǎn)生較多的斷面空隙，降低了其整體的劈裂強(qiáng)度。

2.1.3彎拉強(qiáng)度

大厚度水泥穩(wěn)定碎石試件彎拉強(qiáng)度略小于常規(guī)成型試件。大厚度試件與常規(guī)成型試件90d的彎拉強(qiáng)度比僅為0.893。見表7。

表7水泥穩(wěn)定碎石彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

這是由于大厚度試件中下部區(qū)域水化反應(yīng)不充分，存在較多大空隙和裂縫，導(dǎo)致材料黏結(jié)力和強(qiáng)度發(fā)展較慢，降低試件的彎拉承載能力。

2.1.4動(dòng)態(tài)模量

大厚度水泥穩(wěn)定碎石試件的動(dòng)態(tài)模量小于常規(guī)成型試件。見圖2。

力鏈在厚度方向上衰減，大厚度試件中下部壓實(shí)不充分，存在較多斷面空隙，因此在抗壓回彈的過程中大厚度試件會(huì)出現(xiàn)一個(gè)壓實(shí)的過程，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)剛度和抗變形能力略遜于常規(guī)成型試件。

綜上可知，大厚度水泥穩(wěn)定碎石試件的基礎(chǔ)路用性能指標(biāo)略低于常規(guī)成型試件，但兩者之間差異較小，從宏觀層面無法繼續(xù)探究其壓實(shí)特性。

2.2微觀結(jié)構(gòu)分析

圖3三維重構(gòu)

進(jìn)行工業(yè)CT掃描，結(jié)合圖像處理技術(shù)，從微觀層面深人研究分析大厚度水泥穩(wěn)定碎石材料的結(jié)構(gòu)組成及壓實(shí)機(jī)理。

2.2.1 CT圖像分析

選擇養(yǎng)護(hù)90d后的試件進(jìn)行圖像處理和三維建模，發(fā)現(xiàn)試件內(nèi)部空隙主要表現(xiàn)為獨(dú)立空隙、細(xì)長條狀或不規(guī)則狀，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。見圖3和圖4。

圖4水泥穩(wěn)定碎石二維切片

2.2.2不同成型方式下水泥穩(wěn)定碎石細(xì)觀空隙分布

采用ImageJ圖像處理軟件對(duì)試件二維切片進(jìn)行分析，每 1mm 厚度獲取一張 X-Z 平面圖像，為減小試件成型和切割時(shí)對(duì)試件產(chǎn)生的影響，去除試件端部各5mm ，對(duì)共計(jì)40張二維切片數(shù)字圖像進(jìn)行處理。分別統(tǒng)計(jì) 150mm 和 100mm 高度成型試件中部、底部斷面的空隙數(shù)量及面積，分析水泥穩(wěn)定碎石混合料的細(xì)觀空隙分布特征。

1）斷面空隙率分布。由于成型及切割等因素影響，試件空隙率呈現(xiàn)兩端較高、中間較低的特點(diǎn)。具體來說，010-D的斷面空隙率基本維持在 1.75% 左右，隨著斷面深度的增大，空隙率逐漸上升；015-Z的斷面空隙率中間部分基本維持在 1.60% 左右，與010-D的斷面空隙率非常相似；015-D的斷面空隙率隨斷面深度而逐漸增大，并且高于前兩者的空隙率。見圖5。

圖5斷面空隙率分布

注：015-Z為 150mm 厚度試件的中部， 015-D 為 150mm 厚度試件的底部，010-D為 100mm 厚度試件的底部

首先，在混合料壓實(shí)的過程中，試件下部由于深度較大，壓力衰減大、壓實(shí)功獲得不足，局部混合料不能充分填充，體現(xiàn)為局部孔隙率偏大；其次，在試件靜壓過程中，由于力鏈從上至下傳導(dǎo)，壓頭對(duì)上部做功較多，隨著斷面深度的增加，顆粒向下移動(dòng)過程中，混合料受到側(cè)向摩阻力影響，所做功逐漸減弱，能量逐漸散失，不能很好地重新排列顆粒，導(dǎo)致密實(shí)度偏低。因此，只增大壓實(shí)功難以將力鏈有效地傳遞至底部。

注：015-Z為 150mm 厚度試件的中部，015-D為 150mm 厚度試件的底部，010-D為 100mm 厚度試件的底部

圖6斷面空隙分布

2）空隙數(shù)量及面積分布。空隙數(shù)量和面積分布的分析可以更全面地了解水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部空隙和裂縫特征的分布情況，有助于進(jìn)一步研究水泥穩(wěn)定碎石材料的壓實(shí)機(jī)理。

水泥穩(wěn)定碎石試件各部位的斷面空隙數(shù)量呈不規(guī)則分布，015-Z斷面空隙數(shù)量略高于010-D，015-D空隙數(shù)量起伏波動(dòng)較大。各部位斷面的微型空隙占比相對(duì)較大，隨著空隙面積的增大，與之對(duì)應(yīng)的空隙數(shù)量逐漸減少，015-D微型空隙和大面積空隙結(jié)構(gòu)占比最大，與斷面空隙率分布特點(diǎn)相符。見圖6。

3）空隙形狀分布。研究顯示，振動(dòng)成型試件和靜壓成型，材料內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)都呈不規(guī)則形狀。本文采用圓度 （R） 來評(píng)價(jià)二維空隙形狀特征。圓度為空隙周長相等的圓形面積與實(shí)際面積的比值

式中 ：A 為圓的面積； P 為圓的周長。

為了表征空隙的形狀規(guī)則程度，可以根據(jù)二維空隙的形狀參數(shù)圓度 （R） 將斷面空隙形狀分為3大類[9]：長條形空隙（ 0

015-D的長條狀空隙高達(dá) 66.44% ，規(guī)則形空隙低至 8.94% ，因?yàn)榇箢w粒在插搗和自重作用下，多數(shù)集中在中下部區(qū)域，導(dǎo)致粗集料之間的接觸變多，而細(xì)集料和水泥砂漿所占比例較少，導(dǎo)致出現(xiàn)較多的長條狀空隙，由于靜壓的能量傳遞作用，底部的顆粒受到摩擦和水泥砂漿的膠結(jié)作用，更不易于發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。015-Z較010-D的長條狀空隙增加，因?yàn)槌尚透蠛穸鹊乃喾€(wěn)定碎石試件需要更大的壓實(shí)功來保證其壓實(shí)度，超大作用力會(huì)使得試件中上部的大顆粒發(fā)生破碎，繼續(xù)壓實(shí)產(chǎn)生更多了長條狀裂縫。見圖7。

圖7空隙類型

4）空隙分形。引用分形理論2，定量描述水泥穩(wěn)定碎石混合料空隙的復(fù)雜程度及其分布特征。分形維數(shù)與復(fù)雜程度呈正相關(guān)：分形維數(shù)越小，代表空隙形態(tài)越單一；分形維數(shù)越大，空隙形狀越無序。

計(jì)算分形維數(shù)最常見的方法是計(jì)盒維數(shù)法[21-22]，簡單且準(zhǔn)確率較高。用相等方格來填充空隙結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)方格的尺寸計(jì)算覆蓋空隙結(jié)構(gòu)所需的方格數(shù)。記錄大于指定半徑的空隙數(shù)量 N（d） ，數(shù)量和指定半徑長度呈線性相關(guān) N（d）∝d^-D ，水泥穩(wěn)定碎石試件二維CT掃描圖像切片中的空隙形狀分布

N（d）=Ad^-D

同時(shí)取對(duì)數(shù)，即有

式中： d 為所研究的分形集合中小方格的尺寸； D 為水泥穩(wěn)定碎石內(nèi)部空隙的分形維數(shù)。

計(jì)算得到整體空隙結(jié)構(gòu)所占用的總方格數(shù)，繪制出幾者關(guān)系的坐標(biāo)圖，圖中直線傾斜程度即為 D 。試件的分形維數(shù)呈不均勻分布狀態(tài)，但它們的均值相差較小。015-Z和010-D的分形維數(shù)均值僅相差0.007，而015-D的分形維數(shù)均值比015-Z高出0.026，015-D的變異系數(shù)較另外兩個(gè)部位更大，這與斷面空隙率、數(shù)量、面積和形狀特征結(jié)果一致。見表8和圖8。

表8不同部位的空隙分形維數(shù)均值及變異系數(shù)

注： C_ε 為樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差 σ 與平均值x的比值。

圖8分形維數(shù)分布

由于力的傳導(dǎo)從上到下逐漸減弱，導(dǎo)致試件下部顆粒克服摩擦并重新排列的難度更大。如果顆粒不能很好地排列和填充，會(huì)形成更多的不規(guī)則空隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致分形維數(shù)增大。

3結(jié)論

1宏觀試驗(yàn)表明，大厚度水泥穩(wěn)定碎石試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)模量均略低于常規(guī)試件，反映了增大單層水穩(wěn)壓實(shí)厚度會(huì)導(dǎo)致整體密實(shí)度和強(qiáng)度特征存在差異。

2）微觀試驗(yàn)表明，大厚度水泥穩(wěn)定碎石（015-D）的斷面空隙率、空隙數(shù)量和空隙面積均高于常規(guī)厚度試件（010-D）；尤其在底部區(qū)域，表現(xiàn)出更高的空隙率和更復(fù)雜的空隙形狀，主要為長條狀和不規(guī)則形空隙。大厚度試件底部因壓實(shí)能量衰減而出現(xiàn)的壓實(shí)不足的現(xiàn)象，導(dǎo)致強(qiáng)度不均勻。

3）基于壓實(shí)機(jī)理分析，隨著壓實(shí)厚度的增大，壓實(shí)能量在傳遞過程中衰減明顯，同時(shí)側(cè)壁摩擦的影響進(jìn)一步削弱了能量的傳遞效果，底部顆粒難以有效排列與填充，導(dǎo)致空隙分形維數(shù)增大，空隙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜；壓實(shí)能量的不足導(dǎo)致底部水化反應(yīng)不夠充分，密實(shí)度不足。

4）簡單提高壓實(shí)功（遍數(shù)）難以解決大厚度試件壓實(shí)不足的問題，簡單壓實(shí)功的線形增加難以滿足大厚度試件底部的要求，需要進(jìn)一步探討大厚度級(jí)配設(shè)計(jì)理論，優(yōu)化壓實(shí)能量傳遞路徑，開發(fā)新型壓實(shí)工藝及壓實(shí)機(jī)具，提出適合評(píng)價(jià)大厚度壓實(shí)工藝的室內(nèi)試驗(yàn)方法。

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收稿日期：2025-03-19

基金項(xiàng)目：天津市自然科學(xué)基金（20JCQNJC00930）

作者簡介：張勝雨（1982一），男，高級(jí)工程師，從事道路工程技術(shù)研究工作。通信作者：肖慶一（1979一），男，教授，研究方向?yàn)榈缆凡牧稀?/p>