周衛(wèi)峰，李源淵，陳華鑫

(1.天津大學(xué)　管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部,天津　300073；2.天津市市政工程研究院，天津　300074；

3.長(zhǎng)安大學(xué)　材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西　西安　710064)

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瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)路面空隙率研究及應(yīng)用

周衛(wèi)峰1,2，李源淵2，陳華鑫3

(1.天津大學(xué)管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)部,天津300073；2.天津市市政工程研究院，天津300074；

3.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710064)

摘要：為克服目前瀝青路面空隙率檢測(cè)代表性及準(zhǔn)確性差的缺點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)直接實(shí)測(cè)瀝青路面芯樣最大理論相對(duì)密度及計(jì)算空隙率的瀝青介質(zhì)法，并應(yīng)用于實(shí)際工程的質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)定。研究結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方法相比，瀝青介質(zhì)法克服了溶劑法與真空法的缺點(diǎn)，以熱瀝青為介質(zhì)，更準(zhǔn)確地測(cè)定了瀝青芯樣的最大理論相對(duì)密度，因此準(zhǔn)確性更高；瀝青介質(zhì)法直接利用芯樣本身的毛體積密度及最大理論相對(duì)密度計(jì)算芯樣空隙率，因此代表性更強(qiáng)；工程中只要有瀝青路面芯樣，便可應(yīng)用瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)其空隙率，而不需查閱施工時(shí)的混合料最大理論密度，因此應(yīng)用更方便。利用瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)的芯樣最大理論相對(duì)密度的變異性可準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青路面的變異性；瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)的路面空隙率與滲水系數(shù)有很好的相關(guān)關(guān)系。實(shí)際工程中，可方便地利用瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)芯樣空隙率，其結(jié)果可作為路面質(zhì)量評(píng)價(jià)及質(zhì)量監(jiān)控的有效手段。

關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青路面芯樣；瀝青介質(zhì)法；空隙率；理論最大相對(duì)密度

0引言

空隙率是表征瀝青路面內(nèi)在質(zhì)量的核心指標(biāo)之一。瀝青路面所有性能如抗裂能力、抗車(chē)轍能力、抗水破壞及抗疲勞能力等，都與路面空隙率大小有密切關(guān)系[1-3]。研究表明，路面空隙率過(guò)大，將產(chǎn)生諸如唧漿、坑槽、推移、擁包等水破壞現(xiàn)象[4-7]?？障堵蔬^(guò)大同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致二次壓密產(chǎn)生車(chē)轍[8-9]?？障堵蔬^(guò)小又會(huì)出現(xiàn)泛油、車(chē)轍等破壞現(xiàn)象。因此在路面建設(shè)過(guò)程中，如能準(zhǔn)確方便地得到新鋪筑的瀝青混凝土路面的空隙率，并根據(jù)空隙率狀況及時(shí)調(diào)整下一步施工工藝，將對(duì)提高瀝青路面質(zhì)量起到積極作用。

但是目前施工中檢測(cè)得到的空隙率并不能客觀準(zhǔn)確地代表路面真實(shí)空隙率[10-12]，這主要是由于目前計(jì)算空隙率所用的最大理論相對(duì)密度的代表性差及難以準(zhǔn)確測(cè)定所致。

一方面，目前工程中計(jì)算空隙率所用的最大理論相對(duì)密度是實(shí)驗(yàn)室得到的一個(gè)固定值，代表了當(dāng)天所有混合料的最大理論相對(duì)密度。但是，施工中油石比、級(jí)配、集料品種的變異、攤鋪及碾壓離析等都會(huì)導(dǎo)致路面最大理論相對(duì)密度出現(xiàn)變異。因此，實(shí)際上，路面每一點(diǎn)處，即每個(gè)路面芯樣的最大理論相對(duì)密度都是不同的，因此用不變的理論最大相對(duì)密度計(jì)算的路面空隙率是不準(zhǔn)確的，難以代表路面真實(shí)空隙率。

另一方面，最大理論密度難以精確測(cè)定。目前最大理論相對(duì)密度的測(cè)定方法有溶劑法和真空法。溶劑法以三氯乙烯溶劑為介質(zhì)，將瀝青溶解，擬得到?jīng)]有空隙的混合料，但溶劑同時(shí)進(jìn)入了集料的開(kāi)口空隙，理論上其值偏大。真空法以水為介質(zhì)，擬通過(guò)真空負(fù)壓使得水進(jìn)入松散混合料中，從而得到?jīng)]有空隙的混合料，但松散的混合料亦有閉口空隙，水很難進(jìn)入，此法理論上其值偏小。

基于此，研究開(kāi)發(fā)了實(shí)測(cè)路面芯樣最大理論相對(duì)密度的瀝青介質(zhì)法。該法以熱瀝青為介質(zhì)代替三氯乙烯及水，直接測(cè)定能夠代表路面實(shí)際狀況的芯樣的最大理論密度并計(jì)算芯樣空隙率，因此更準(zhǔn)確、代表性更強(qiáng)。同時(shí)該法可作為工程質(zhì)量評(píng)價(jià)手段，對(duì)于評(píng)價(jià)路面施工質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并指導(dǎo)施工具有積極的意義。

1試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)方法原理

原理是將已完成相關(guān)試驗(yàn)的瀝青混凝土芯樣晾干后，先用蠟封法測(cè)其毛體積相對(duì)密度γM，然后將帶蠟的瀝青混凝土芯樣放入容量合適的容器(盆)中在烘箱中化開(kāi)，后加入大量熱瀝青淹沒(méi)混合料并攪拌排除氣泡，得到空隙率為零的狀態(tài)下芯樣的最大理論密度γL，后計(jì)算芯樣的空隙率VV。

1.2試驗(yàn)方法

(1)采用蠟封法測(cè)定干燥芯樣毛體積相對(duì)密度γM，具體試驗(yàn)方法見(jiàn)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》。

(2)瀝青介質(zhì)法測(cè)定芯樣最大理論相對(duì)密度。

(a)試驗(yàn)用具：鋼勺、瀝青混合料容器(碗、盆等均可)、水中重法全套儀器、烘箱。

(b)稱(chēng)量鋼勺和1#盆的空中質(zhì)量(M1)及水中質(zhì)量(M2)，稱(chēng)量測(cè)定瀝青密度用2#盆的空中質(zhì)量(M6)及水中質(zhì)量(M7)。

(c)將裝有鋼勺及芯樣的1#盆放入160 ℃的烘箱中，芯樣處于分散狀態(tài)后保溫30 min；同時(shí)用烘箱加熱155～160 ℃(改性瀝青)或135～140 ℃(基質(zhì)瀝青)2～3 kg。

(d)取出裝有鋼勺及芯樣混合料的1#盆，快速準(zhǔn)確稱(chēng)量鋼勺、1#盆、芯樣的總質(zhì)量(M3)。將準(zhǔn)備好的瀝青倒入1#盆中，直至淹沒(méi)芯樣混合料，并迅速用鋼勺攪拌約1 min，排出氣泡；同時(shí)將瀝青倒入2#盆中，不攪拌。后置于溫度160 ℃的烘箱中，每隔30 min攪拌一次以排除氣泡，共攪拌3次，工作完成后取出1#及2#盆，在室溫下放置12 h以上。

(e)稱(chēng)量裝有鋼勺、瀝青及芯樣混合料的1#盆的總質(zhì)量(M4)及水中質(zhì)量(M5)。

(f)稱(chēng)量裝有瀝青的2#盆的總質(zhì)量(M8)及水中質(zhì)量(M9)。

(g)計(jì)算瀝青混合料最大理論相對(duì)密度，公式如下：

(3)計(jì)算芯樣的空隙率VV。

2試驗(yàn)方法說(shuō)明

(1)瀝青介質(zhì)法的創(chuàng)新點(diǎn)是：首先該法能夠直接測(cè)定代表瀝青路面真實(shí)狀況的芯樣最大理論相對(duì)密度(不再是固定值)，解決了代表性差的問(wèn)題；同時(shí)以熱瀝青替代水或三氯乙烯，作為排除氣泡的介質(zhì)，理論上可得到真正的空隙率為零的混合料密度，解決了準(zhǔn)確性差的問(wèn)題。

(2)對(duì)瀝青介質(zhì)法與真空法試驗(yàn)結(jié)果的變異性、復(fù)現(xiàn)性進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，真空法實(shí)測(cè)結(jié)果的變異系數(shù)是瀝青介質(zhì)法的1.8倍，瀝青介質(zhì)法的復(fù)現(xiàn)性也更好。

(3)由于該法直接實(shí)測(cè)芯樣的最大理論相對(duì)密度，因此與傳統(tǒng)方法相比，計(jì)算得到的空隙率也是更準(zhǔn)確的芯樣空隙率，它準(zhǔn)確地代表了路面的空隙率狀況。

(4)由于路面空隙率差別較大，根據(jù)研究結(jié)果，空隙率在1%～14%之間，因此為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性及代表性，瀝青混凝土芯樣的毛體積密度用蠟封法測(cè)定。

(5)方法中瀝青的密度同時(shí)與其他樣品采用水中重法測(cè)定，試驗(yàn)條件相同，得到的瀝青密度結(jié)果真實(shí)可靠。

3應(yīng)用及結(jié)果

3.1利用芯樣即可方便準(zhǔn)確地測(cè)得已建路面的空隙率

已建路面出現(xiàn)損壞后，僅就路面及材料而言，以往的做法是需要調(diào)查施工中混合料的油石比、級(jí)配、壓實(shí)度及空隙率等是否合格。在需現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)而不是調(diào)查資料的情況下，油石比及級(jí)配可通過(guò)對(duì)路面混合料取樣進(jìn)行抽提篩分得到。但對(duì)于壓實(shí)度及空隙率，除需鉆芯并進(jìn)行芯樣密度試驗(yàn)外，還必須調(diào)查施工當(dāng)天的混凝土最大理論密度及擊實(shí)試驗(yàn)的試件密度。姑且不論數(shù)據(jù)的真實(shí)性，僅就其代表性而言，所得到的空隙率及壓實(shí)度對(duì)于評(píng)價(jià)路面的破壞原因也是不客觀的。

采用瀝青介質(zhì)法，則沒(méi)有必要調(diào)查施工資料，只需采用此法實(shí)測(cè)所取芯樣的最大理論相對(duì)密度，然后根據(jù)其毛體積密度計(jì)算空隙率，結(jié)果準(zhǔn)確代表了路面的空隙率狀況。一方面非常方便，避免了查閱數(shù)據(jù)的麻煩及由數(shù)據(jù)的真實(shí)性帶來(lái)的偏差;另一方面，準(zhǔn)確、客觀地評(píng)價(jià)了真實(shí)的路面空隙率狀況。

某快速路路面建成后半年約10 km的路面出現(xiàn)了嚴(yán)重的坑槽、唧漿、推移等水破壞現(xiàn)象，為確定破壞原因，現(xiàn)場(chǎng)共取芯5個(gè)，并根據(jù)查閱的施工檔案，計(jì)算了空隙率及壓實(shí)度，發(fā)現(xiàn)空隙率、壓實(shí)度等數(shù)據(jù)均合格，如表1所示：

表1空隙率及壓實(shí)度數(shù)據(jù)

Tab.1Data of air voids and compactness

蠟封法毛體積相對(duì)密度施工時(shí)最大理論相對(duì)密度施工時(shí)馬歇爾相對(duì)密度空隙率/%壓實(shí)度/%2.3462.5072.3656.499.22.3522.5122.3886.498.52.4012.5082.4154.399.42.3392.5082.3416.799.92.3582.5232.3916.598.6

根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，出現(xiàn)破壞路段的瀝青、集料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足要求，空隙率平均值為6.1%，代表值為7.7%，屬于較理想的空隙率。為深層次探究其破壞原因，對(duì)該路段的5個(gè)芯樣換用瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)了芯樣的空隙率，實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，換用瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)路面空隙率后，實(shí)測(cè)的芯樣空隙率平均值為7.9%，代表值達(dá)到9.9%，空隙率過(guò)大，因此可以判定，此段路面的水破壞現(xiàn)象主要由于壓實(shí)不足，空隙率過(guò)大造成的。

表2　瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)芯樣空隙率數(shù)據(jù)

3.2利用實(shí)測(cè)最大理論相對(duì)密度評(píng)價(jià)施工變異性

施工的變異是油石比的變異、集料種類(lèi)的變化、級(jí)配的離析、施工壓實(shí)的變異等等綜合形成的，而這種變異最終綜合反映到攤鋪后的路面上，這種施工的變異對(duì)路面造成的影響往往難以量測(cè)。而目前在施工過(guò)程中，只能在實(shí)驗(yàn)室定量監(jiān)控油石比和級(jí)配的變異，而這并不能準(zhǔn)確反映施工后的路面質(zhì)量情況并有效控制工程質(zhì)量。

根據(jù)瀝青介質(zhì)法測(cè)定的瀝青混凝土芯樣的最大理論密度的變化情況，可以綜合判定路面質(zhì)量的變異情況。

鉆取天津某高速公路的中、表面層的芯樣(每1 km鉆芯一個(gè))，采用瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)了芯樣的最大理論相對(duì)密度及空隙率,如圖1～圖4所示。

圖1　某高速公路表面層芯樣最大理論相對(duì)密度變化Fig.1　Change of theoretical maximum relative density of core samples from surface layer of an expressway

圖2　某高速公路表面層空隙率變化Fig.2　Change of air voids of surface layer of an expressway

圖3　某高速公路中面層芯樣最大理論相對(duì)密度變化Fig.3　Change of theoretical maximum relative density of middle layer of an expressway

圖4　某高速公路中面層空隙率變化Fig.4　Change of air voids of middle layer of an expressway

由圖1～圖4可以看出：

(1)如以小于等于6%作為施工后路面空隙率的標(biāo)準(zhǔn)，那么實(shí)測(cè)中面層空隙率的合格率明顯高于表面層，表面層樁號(hào)1～13及23～27兩段存在嚴(yán)重的水破壞隱患，后對(duì)此兩段在通車(chē)前采用霧封層進(jìn)行了預(yù)處理，以降低出現(xiàn)早期的水破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)假設(shè)中表面層施工時(shí)級(jí)配、油石比、攤鋪、集料等都是均勻的，即在理想情況下，芯樣實(shí)測(cè)的最大理論相對(duì)密度不變，可以根據(jù)最大理論相對(duì)密度的變化情況來(lái)綜合評(píng)價(jià)瀝青混凝土路面的施工變異性。

由圖4可以看出，中面層最大理論相對(duì)密度的值位于2.56～2.63之間，其標(biāo)準(zhǔn)差為0.018，變異系數(shù)為0.69%。表面層位于2.50～2.65之間，其標(biāo)準(zhǔn)差為0.034 8，變異系數(shù)為1.348%。表面層的最大理論相對(duì)密度的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)均為中面層的1.8倍以上。從變異的角度來(lái)看，中面層的施工質(zhì)量明顯優(yōu)于表面層。

3.3準(zhǔn)確評(píng)價(jià)路面質(zhì)量

空隙率是衡量瀝青路面施工質(zhì)量的重要指標(biāo)。通常在進(jìn)行瀝青路面質(zhì)量監(jiān)控時(shí)，將瀝青混合料的最大理論密度作為一個(gè)不變量，來(lái)計(jì)算施工后瀝青混合料的芯樣空隙率。由于施工離析等因素的影響，正如本研究所證明的，瀝青混合料的最大理論密度并不是一個(gè)常量，因此會(huì)造成實(shí)際空隙率計(jì)算上的誤差，以及對(duì)空隙率真實(shí)水平的誤判，對(duì)瀝青路面的使用壽命產(chǎn)生潛在的不利影響。

以本研究所取表面層芯樣為例，查閱施工資料，表面層施工中實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)的最大理論相對(duì)密度為2.560～2.562，據(jù)此計(jì)算的空隙率與瀝青介質(zhì)法計(jì)算的空隙率對(duì)比見(jiàn)圖5。其中細(xì)線為用瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)的空隙率。

圖5　表面層空隙率對(duì)比圖Fig.5　Comparison of air voids of surface layer

由圖5可見(jiàn)，傳統(tǒng)方法與瀝青介質(zhì)法測(cè)定的空隙率存在著較大的差別，其最大空隙率差值達(dá)到2.9%，27個(gè)芯樣空隙率平均差值達(dá)到1.8%，如此大的差值不可能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)路面質(zhì)量。用瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)的空隙率數(shù)據(jù)表明，樁號(hào)1～13路面空隙率大于8%，其質(zhì)量是不合格的，是需要進(jìn)行處理的段落，但傳統(tǒng)方法評(píng)價(jià)結(jié)果則表明此段路面空隙率是合格的，這無(wú)疑將留下質(zhì)量隱患。對(duì)于中面層，傳統(tǒng)方法與本方法得到的空隙率最大差值為1.5%，平均差值為0.8%，雖然這是由于中面層質(zhì)量控制較好，最大理論相對(duì)密度相差不大的原因，但此差值仍會(huì)對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)路面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

基于此，與傳統(tǒng)方法相比，瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)瀝青路面芯樣空隙率更能準(zhǔn)確反映路面質(zhì)量。

4瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)路面空隙率與滲水的關(guān)系

在某新建高速公路上進(jìn)行了空隙率與滲水系數(shù)關(guān)系的試驗(yàn)。先進(jìn)行滲水試驗(yàn)，后在滲水儀正下方取芯，用瀝青介質(zhì)法測(cè)芯樣空隙率?？障堵逝c滲水系數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖6。

1.要使每個(gè)海外員工了解將要去的國(guó)家的社會(huì)概況、風(fēng)俗習(xí)慣、地理環(huán)境氣候等相關(guān)知識(shí)及一定的防恐知識(shí)。每名赴馬來(lái)西亞項(xiàng)目施工的員工，出國(guó)之前都參加了國(guó)際工程分公司組織的HSE 培訓(xùn)班及集團(tuán)公司的防恐培訓(xùn)，了解了馬來(lái)西亞的風(fēng)土人情，具備了一定的緊急事件處理、生存自救能力。

圖6　滲水系數(shù)與空隙率關(guān)系Fig.6　Relationship between permeability coefficient and air voids

由圖6看出，滲水系數(shù)與空隙率有很好的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)空隙率大于6%時(shí)，滲水系數(shù)急劇增大。因此一方面驗(yàn)證了瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)空隙率的可靠性；另一方面，建議實(shí)體工程采用瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)空隙率時(shí)采用小于等于6%的標(biāo)準(zhǔn)。

5結(jié)論

(1)瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)瀝青混合料芯樣最大理論密度及空隙率方法簡(jiǎn)單，理論上可行，不需專(zhuān)門(mén)儀器設(shè)備，且試驗(yàn)條件固定，人為因素影響小，可以真實(shí)得出路面真正的空隙率，對(duì)于評(píng)價(jià)路面施工質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路面施工問(wèn)題具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

(2)瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)的瀝青混凝土的最大理論相對(duì)密度的變化情況可以較準(zhǔn)確地反映實(shí)體工程質(zhì)量的變異情況，可進(jìn)一步研究并提出標(biāo)準(zhǔn)，以控制瀝青路面的質(zhì)量。與傳統(tǒng)方法相比，瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)的空隙率能夠更準(zhǔn)確地反映路面空隙率真實(shí)狀況。

(3)瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)空隙率與滲水系數(shù)有很好的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)空隙率大于6%時(shí)，滲水系數(shù)急劇增大，建議實(shí)體工程采用瀝青介質(zhì)法實(shí)測(cè)空隙率時(shí)采用小于等于6%的標(biāo)準(zhǔn)。

(4)工程應(yīng)用中，可很方便地將瀝青介質(zhì)法作為路面質(zhì)量控制輔助手段。具體做法是，每天將完成密度試驗(yàn)的芯樣(過(guò)去廢棄不用)采用瀝青介質(zhì)法，實(shí)測(cè)芯樣空隙率，評(píng)價(jià)路面質(zhì)量及變異性。這樣既充分利用了廢棄芯樣，又方便地增加了一項(xiàng)評(píng)價(jià)路面質(zhì)量的指標(biāo)，對(duì)進(jìn)一步提高工程質(zhì)量具有積極的意義。

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Study and Application of Asphalt Medium Method for Measuring Pavement Air Void

ZHOU Wei-feng1，LI Yuan-yuan2，CHEN Hua-xin3

(1.College of Management and Economics, Tianjin University,Tianjin 300073,China;2.Tianjin Municipal Engineering Research Institute, Tianjin 300074,China;3. School of Materials and Engineering, Chang’an University, Xi’an Shaanxi 710064, China)

Abstract：In order to overcome the disadvantages of poor representation and the accuracy in current air voids of asphalt pavement testing, we researched and developed the asphalt medium method for direct measuring asphalt pavement core samples’ largest theory relative density and calculating air voids, and applied it for quality inspection and evaluation of practical projects. The research result shows that(1) Compared with traditional method, the asphalt medium method overcame the drawbacks of solvent method and vacuum method, using heat asphalt as medium, it can more accurately measure the largest theory relative density of asphalt core samples, so the accuracy is higher.(2) The asphalt medium method directly uses the core samples’ bulk density and largest theory relative density for core samples’ air voids calculation, it has stronger representation.(3) As long as there is core samples from asphalt pavement, the asphalt medium method can be used for measuring its air voids, and it does not need to consult the maximum theoretical density of mixture for construction, so the application is more convenient. The variability of the measured largest theory relative density of core samples using the asphalt medium method can accurately evaluate the variability of the asphalt pavement.(4) There is a good relationship between the measured pavement air voids and the water seepage coefficient measured by the asphalt medium method. In practical projects, the method can be easily used for measuring the air voids of asphalt core samples, the result can be used for pavement quality evaluation and quality control.

Key words：road engineering; asphalt pavement core sample; asphalt medium method; air voids; maximum theoretical relative density

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)04-0007-05

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.002

作者簡(jiǎn)介：周衛(wèi)峰(1971-)，男，陜西韓城人，正高級(jí)工程師，博士后.( zhouweifeng0000@126.com)

基金項(xiàng)目：教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(NCET-10-0277)

收稿日期：2015-05-06