混凝土收缩开裂测试技术的研究现状与评述

文章编号：０５５９－９３４２（２００８）０３－００４０－０４

水力发电

第３４卷第３期２００８年３月

混凝土收缩开裂测试技术的研究

现状与评述

周世华，董芸，杨华全

（长江科学院，水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，湖北武汉４３００１０）

关键词：混凝土；收缩开裂；测试技术；抗裂性摘

要：收缩开裂是影响混凝土耐久性的重要因素。对国内外的混凝土收缩开裂测试技术，及目前普遍采用的平板法、圆环法、单轴法等混凝土开裂测试方法进行了评述，可供有关研究人员参考。

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中图分类号：ＴＵ５０２．６；ＴＵ５２８．１

文献标识码：Ａ

０

引言

近年来，混凝土的收缩开裂问题得到人们越来越多的关注，对如何正确地检测与评价混凝土开裂性能开展了一些研徐变、温湿究，但由于影响混凝土收缩开裂的因素，如强度、度等都是随时间不断变化的，相互间又彼此关联，对环境条件的影响也较为敏感，因此，目前在对受约束混凝土内应力测试和开裂评价的研究方面，仍处于探索阶段。混凝土开裂是由于应力超过材料的强度而引起的，除温度变化以外，所有影响应力和强度发展的因素，尤其是弹性模量、热膨胀系数以及松弛能力，包括它们在初期的变化，都必须考虑在内。为了更真切地反映工程现状，解决工程结构日趋严重的开裂问题，采用的混凝土抗裂性测试方法应能测目前，国内外检测得材料较真实的开裂参数，提供开裂预测。混凝土在约束状态下的抗裂性能的方法主要有圆环法、平板法和单轴法，这些方法也都存在着各自的优缺点。混凝土材料使用的普遍性以及在工程中的重要地位，要求混凝土应具备优越的耐久性，以满足建筑物长期使用的要求。研究证实［１，２］，导致混凝土劣化而使其耐久性降低的最主要原因是混凝土结构物在各种条件下的开裂及微裂缝的扩因此，如何防止混凝土结构物的开展，进而使有害介质侵入。裂，提高混凝土材料自身的抗裂性，是现代水泥混凝土工程技术中的一项重大课题。水分混凝土在凝结硬化和使用过程中，由于水泥水化、散失和温度降低等作用，体积通常是收缩的。收缩变形是非荷载作用引起混凝土开裂最常见的因素之一。正确地检测与评价混凝土的收缩与开裂趋势，是采取措施有效地减少或避免开裂的前提［３］。混凝土是由多种材料组成的复合体，各种材料均具有不同的物理力学性能，在温度及湿度变化和水泥硬化过程中，混凝土内部产生的局部收缩变形、水分转移和扩散是不同的。混凝土收缩受到约束时，便会产生应力，当应力增大到超过材料抗拉能力时就会出现裂缝。所以，在评价和预测混凝土收缩开裂趋势时，混凝土体积收缩变形和内部温升是研究其抗裂性能的两个主要参数，前者是导致受约束混凝土产生内生应力的主要因素，后者为混凝土现场应用时必须考虑的一个重要影响因素。１

平板式限制收缩开裂试验方法

平板式限制收缩开裂试验方法（以下简称“平反法”）中，试件为平板状，试件的变形受到底部或两端钢模板或钢架的收稿日期：２００７－０５－１５

作者简介：周世华（１９７９—），男，安徽东至人，硕士，工程师，主要从事水工混凝土的研究．

ＷａｔｅｒＰｏｗｅｒＶｏｌ．３４．Ｎｏ．３

第３４卷第３期周世华，等：混凝土收缩开裂测试技术的研究现状与评述

设计与施工

约束，平板法的主要特点是比较易于操作，能迅速有效地研究混凝土和砂浆的塑性干缩性能。但这种方法只能对混凝土收缩提供部分的、不均匀的约束，且测试结果的重复性不好。混凝土抗裂性的平板试验装置及测试方法由美国圣约瑟（ＳａｎＪｏｓｅ）大学的ｋｒａａｉ［４］提出。该试验装置的试模尺寸为平板法具有简单易操作的特点，能迅速有效地研究混凝土和砂浆的塑性干缩性能。但是它只能部分的、不均匀的约束混凝土的收缩变形，且实验结果对试件尺寸、材料特性、配筋情况、环境状况等的依赖性很大［６，７］，在裂缝的量化与后期处理方面存在不足，因裂缝产生的无规律性，使得无法精确地对混凝土开裂进行评价，而且平板试验方法只能提供部分的、不均匀的约束，不利于相互比较及标准化。６１０ｍｍ×９１４ｍｍ×１９ｍｍ，只适合用于研究砂浆和筛出石子后的混凝土。由放置在周边的Ｌ形钢筋网提供约束，试模内部底面上铺一层塑料薄膜，以减少对混凝土的约束（见图１）。试件浇注后，用太阳灯和电风扇让其快速脱水，收缩２４ｈ后测定裂缝长度和宽度。该方法在美国ＡＣＩ协会报告（ＡＣＩ５４４．２Ｒ－２

环式限制收缩开裂试验方法

为避免平板法约束不均匀的缺陷，目前也采用了一种圆环限制收缩开裂试验方法。圆环法最早由美国麻省理工学院的ＲｏｙＣａｒｌｓｏｎ［８］于１９４２年提出，当时是用来研究水泥净浆和砂浆的抗裂性的。试验装置由一个钢制圆环和聚氯乙烯外环模组成，两个环被固定于木制底板上，混凝土在两环中成型为环状试件，试样成型并拆除外模后，试件顶部用硅橡胶密封，只允许试件外表面收缩，裂缝宽度用专门设计的显微镜测定，所得结果是混凝土总收缩引起的开裂和裂缝宽度。后来，８９ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅ）中推荐为测试合成纤维混凝土抗裂性能的一种方法。Ｋａｒｌｗｉｅｇｒｉｎ［９］和ＭｃＤｏｎａｌｄ［１０］在研究混凝土的抗裂性时也借用了这套装置，但是由于不同粒径粗集料的使用，试模尺寸有了较大的改动。１９９９年，美国道路工程师协会推荐了标准ＡＡＳＨＴＯＰＰ３４－９９［１１］。混凝土环尺寸为：外直径４５７ｍｍ，内直径３０５ｍｍ，高度１５２ｍｍ，钢环厚度１２．７ｍｍ±０．４ｍｍ。浇注后，试件图１

ｋｒａａｉ法平板式试验装置（单位：ｍｍ）

的开裂时间通过贴在钢环上的４个应变计监测钢环的应变发展，每３０ｍｉｎ记录１次应变，并观测是否产生裂缝。应变计的应变值出现下降的时间为混凝土开裂的时间，记录开裂后裂缝的宽度及开裂模式。试件开裂后再观测１５ｄ，记录应变的发展过程和裂缝的宽度。然后用１００倍显微镜沿环高度方向观测裂缝宽度，将环的高度分为３等份，即沿环高度方向平均取３点，３个宽度读数的平均值为此裂缝的宽度。测定裂缝的长度和宽度，用裂缝的开裂面积（或宽度）表述混凝土的抗裂性能。为了改善试件开裂的敏感性和提高测试结果的精度，２００４年美国材料试验协会出台了一个类似ＡＡＳＨＴＯ在对混凝土因塑性收缩和干燥收缩而引起的开裂问题进行的研究中，美国密西根州立大学ＰａｒｖｉｚＳｏｒｏｕｓｈｉａｎ［５］等人采用了一种弯起波浪形薄钢板提供约束的平板式试验装置。该试模尺寸为５６０ｍｍ×３６５ｍｍ×１１４ｍｍ，可用于研究混凝土和砂浆因塑性收缩和干燥收缩引起的开裂。试验时，混凝土填充在模具中，上表面外露，风速为９．５ｍ／ｓ，温度为３７℃，相对湿度４０％，持续３ｈ，记录裂缝宽度和长度。该方法采用单槽诱导裂缝出现，使试验效果更加突出，能更加迅速地评价混凝土的抗裂性能，结合一些必要的图像分析和处理方法，能提供一套粗略定量评价混凝土抗裂性能的体系方法。该方法也被ＩＣＢＯ（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＯｆＰＰ３４的水泥砂浆和混凝土限制收缩开裂测试标准方法ＡＳＴＭＣ１５８１－０４［１２］（见图２）。ＢｕｉｌｄｉｎｇＯｆｆｉｃｉａｌｓ）推荐为检测合成纤维混凝土抗裂性能的标准方法。但这种方法仅设１道单槽刀口诱导裂缝，仅仅表征刀口处的混凝土的抗裂性能，另外考虑到骨料在混凝中的不均匀分布，可推断，单槽刀口诱导产生的裂缝影响因素较多，代表性较差。上述两种试验方法采用相同的开裂评价指标，即收缩裂缝指数。根据裂缝的宽度，将裂缝分为大（＞３ｍｍ）、中（２～３小（１～细（＜１ｍｍ）４种类型，定义其度量指数分２ｍｍ）、ｍｍ）、别为３、２、１、０．５，每一度量指数乘以其相应的裂缝长度，相加后即为该试件的收缩裂缝指数。在研究纤维或其他材料对混凝土和砂浆抗裂性改善程度时，常用裂缝控制率来评价。裂缝控制率Ｋ＝（１－ｍ／ｍ０）×图２

ＡＳＴＭＣ１５８１圆环法试验装置示意（单位：ｍｍ）

圆环法约束试验装置的约束程度普遍不高，这导致试样的开裂敏感性较低。研究表明［１３］，ＡＳＴＭＣ１５８１采用钢制内圆环的约束程度最高约为７５％，而ＡＡＳＨＴＯＰＰ３４圆环最高１００％。式中，ｍ为改性后砂浆的裂缝指数；ｍ０为基准砂浆的裂缝指数。ＷａｔｅｒＰｏｗｅｒＶｏｌ．３４．Ｎｏ．３

４１设计与施工

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２００８年３月

仅为６０％。因此，有学者提出了一些新的测试方法。如有人将圆环试件改制成椭圆环试件，椭圆环在长轴端点附近的应力较大，易产生裂缝。但此法虽便于裂缝的观测，却改变了圆环法完全均匀的约束状态［１４］，这使得该测试技术缺乏了对收缩应力和徐变松弛等因素的考虑。在圆环法试验装置中，试样内外环表面的平均拉应力相差很小，且环向拉应力远大于径向压应力，因此可以近似认为内钢环提供均匀约束应力，收缩沿厚度均匀分布［１５］。圆环法可用来研究由于收缩产生的自应力对混凝土抗裂性的影响。在研究水泥浆和砂浆的抗裂性时，由于水泥浆和砂浆环的收缩能沿环比较均匀地分布，所以试验效果明显。而混凝土中由于粗集料的存在，使混凝土环表面水分蒸发受到一定的阻碍，从而使试件干燥程度不同（如受约束的内表面和外表面间存在湿度梯度），外表面不能沿环均匀收缩；再加上粗集料对裂缝的限制分散作用，使混凝土表面推迟甚至不出现开裂，裂缝小且杂乱分散，不利于裂缝的观测和抗裂性的评价［１６］。总而言之，与平板法相比，圆环法给混凝土提供了近似完全的均匀约束，在很大程度上，体现了混凝土在约束条件下收缩和应力松弛的综合作用，能有效地评价混凝土的抗裂性能。但对于混凝土抗裂性试验来说，圆环法测试时间长，敏感性差；试件通常要经过较长时间才会出现初始裂缝，有时甚至因敏感性差而不出现裂缝。化等，而且可为建模计算混凝土开裂趋势和抗裂性能创造了条件。４

其他试验方法

为了对混凝土开裂测试有更好的灵敏度，同时能克服无规则分散裂缝带来的测量困难，ＦｒａｎｋＣｏｌｌｉｎｓ和Ｊ．Ｇ．Ｓａｎ－ｊａｙａｎ［２０］研究了一种内置钢筋约束法。该试件尺寸为１０００光滑，内配置２根直径２５ｍｍ×７５ｍｍ×１５０ｍｍ，上表面水平、ｍｍ的钢筋（见图３）。钢筋中部６００ｍｍ的范围被打磨光滑，并涂以油脂层，从而减小了与混凝土间的摩擦力；两端２００ｍｍ的部分为螺纹状，配合螺帽，以提供锚固力。试件浇注后立即覆盖聚乙烯膜，防止水分蒸发；并带模于２３℃条件下养相对湿度５０％。护２４ｈ；拆模后保持温度２３℃、３

图３内置钢筋约束法的试验装置示意（单位：ｍｍ）

棱柱体式限制开裂试验方法

２０世纪６０年代，德国慕尼黑技术大学建筑材料和构件Ｎ．Ｂａｎｔｈｉａ［２１］等认为，混凝土中的约束力只存在于与基础结构的界面上，约束力最初基本均匀，随后大小和分布逐渐发生改变，从而产生复杂的应力场；而只有当试验中的约束条件与此接近时，才能对收缩裂缝有比较准确的测量。在此理论基础上，Ｎ．Ｂａｎｔｈｉａ等提出了一种新的开裂试验方法（见图检测研究所的Ｓｐｒｉｎｇｅｎｓｃｈｍｉｄ［１７］，根据道路和水工工程建设的需要，研制了一套开裂试验构架来研究混凝土的开裂趋势，并且由ＲＩＬＥＭ－ＴＣ１１９制定了开裂试验架的推荐性标准。该试验方法中，最初所用的开裂试验框架由通过２根纵向钢筋相连的２块钢横头组成，纵向钢筋由热膨胀系数很低的钢材制成。该试验构架的控制约束程度问题在２０世纪８０年代得到了解决，它是一种以控制可调横梁的运动来保证试件长度绝对不变从而实现１００％约束的单轴约束试验装置。在此基础上，Ｓｐｉｎｇｅｎｓｃｈｍｉｄ等［１８］４）。该方法的唯一约束来自基础构件的粗糙表面。裂缝测定时，采用带有游标尺的显微镜记录试件上表面裂缝出现的时间和监控不同裂缝的长度和宽度随时间的变化。人进一步研究并开发了称为温度－应力试验机的装置，来研究１００％约束条件下水化热引起的约束应力及混凝土早期的开裂趋势，混凝土初龄期的弹性模量也能够通过这类装置进行测定。后来Ｂｌｏｏｍ和Ｂｅｎｔｕｒ［１９］在此基础上对试验装置进行了改进，用电脑控制拉应力的量测，从而可以明确知道混凝士的开裂时间。试验中，在开裂试验框架内浇注和振捣混凝土拌和物，硬化时防止水分蒸发，混凝土温度在半绝热条件下升高，４ｄ之后开始人工降温，直到纵向应力下降，表明混凝土己经开裂。单轴约束试验方法可以用于评估由于温度作用而引起的开裂，单轴约束试验结果能够为道路混凝土的配合比设计以及施工提供参考数据，以提高混凝土的抗裂性能。相对于被动约束条件的平板法和圆环法而言，单轴约束试验方法的可控程度高，适合定量分析早期混凝土的徐变、开裂软图４

Ｎ．Ｂａｎｔｈｉａ所采用的收缩试验装置示意（单位：ｃｍ）

除此以外，ＣｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒＫ．Ｙ．Ｌｅｕｎｇ［２２］在研究喷射混凝土开裂时，研发了一种类单轴约束法的开裂试验装置（见图５），试件尺寸为８００ｍｍ×１００ｍｍ×４０ｍｍ，养护拆模后，将试件放入限制开裂构架中，下表面和端部用环氧树脂分别与基础和角钢连接。约束由角钢提供，试件底部留有一空气间隙层，有利于试件中限制收缩应力的均匀发展和裂缝开裂的观测。ＷａｔｅｒＰｏｗｅｒＶｏｌ．３４．Ｎｏ．３

第３４卷第３期周世华，等：混凝土收缩开裂测试技术的研究现状与评述

４９５－５０４．［８］

设计与施工

Ｃａｒｌｓｏｎ，Ｒ．Ｗ．，ａｎｄＲｅａｄｉｎｇ，Ｔ．Ｊ．，Ｍｏｄｅｌｓｔｕｄｙｏｆｓｈｒｉｎｋａｇｅｃｒａｃｋｉｎｇｉｎｃｏｎｃｒｅｔｅｂｕｉｌｄｉｎｇｗａｌｌｓ［Ｊ］．ＡＣＩＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＪｏｕｒｎａｌ，１９８８，８５（４）：３９５－４０４．

［９］［１０］

图５

ＷｉｅｇｒｉｎｋＫ，ＭａｒｉｋｕｎｔｅＳ，ｅｔｃ．Ｓｈｒｉｎｋａｇｅｃｒａｃｋｉｎｇｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈｃｏｎｃｒｅｔｅ［Ｊ］．ＡＣＩＭａｔｅｒｉａｌｓＪｏｕｒｎａｌ，１９９６，９３（５）：４１０－４１５．ＭｃＤｏｎａｌｄＤＢ，ＫｒａｕｓｓＰＤ，ＲｏｇａｌｌａＥＡ．Ｅａｒｌｙ－ａｇｅｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｄｅｃｋｃｒａｃｋｉｎｇ［Ｊ］．ＣｏｎｃｒｅｔｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，１９９５，１７（５）：４９－５１．ＡＡＳＨＴＯＰＰ３４－９９，ＳｔａｎｄａｒｄＰｒａｃｔｉｃｅｆｏｒＥｓｔｉｍａｔｉｎｇｔｈｅＣｒａｃｋ－ｉｎｇＴｅｎｄｅｎｃｙｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅ［Ｓ］．ＡＡＳＨＴＯ，１９９９．

ＡＳＴＭＣ１５８１－０４，ＳｔａｎｄａｒｄＴｅｓｔＭｅｔｈｏｄｆｏｒｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇａｇｅａｔｃｒａｃｋｉｎｇａｎｄｉｎｄｕｃｅｄｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｏｒｔａｒａｎｄｃｏｎｃｒｅｔｅｕｎｄｅｒｒｅｓｔｒａｉｎｅｄｓｈｒｉｎｋａｇｅ［Ｓ］．ＡＳＴＭＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００４．

ＣｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒＫ．Ｙ．Ｌｅｕｎｇ采用的收缩试验装置示意

（单位：ｍｍ）

［１１］［１２］

５

结语

我国工程混凝土收缩开裂的测试方法主要采用中国土混凝土结构耐久性设计与施工指木工程学会标准ＣＣＥＳ０１《南》中介绍的平板法。虽然该测试方法具有简单易操作的特点，但由于重复性差，影响因素众多，且在裂缝的量化与后期处理方面也存在不足，因此急需国内研究人员进行深入的研究，建立相对统一的混凝土开裂趋势测试标准及评价方法，使混凝土裂缝问题真正实现可控、可预测。［１３］ＨｅａｔｈｅｒＴ．Ｓｅｅ，ＥｍｍａｎｕｅｌＫ．Ａｔｔｉｏｇｂｅ，ａｎｄＭａｔｔｈｅｗＡ．Ｍｉｌｔｅｎｂｅｒ－ｇｅｒ．Ｓｈｒｉｎｋａｇｅｃｒａｃｋｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏｎｃｒｅｔｅｕｓｉｎｇｒｉｎｇｓｐｅｃｉｍｅｎｓ［Ｊ］．ＡＣＩＭａｔｅｒｉａｌｓＪｏｕｒｎａｌ，２００３，１００（３）：２３９－２４５．

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［２０］ＦｒａｎｋＣｏｌｌｉｎｓ，Ｊ．Ｇ．Ｓａｎｊａｙａｎ．Ｃｒａｃｋｉｎｇｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆａｌｋａｌｉ－ａｃｔｉ－ｖａｔｅｄｓｌａｇｃｏｎｃｒｅｔｅｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｒｅｓｔｒａｉｎｅｄｓｈｒｉｎｋａｇｅ［Ｊ］．ＣｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｃｒｅｔｅＲｅｓｅａｒｃｈ，２０００，（３０）：７９１－７９８．

［２１］Ｎ．Ｂａｎｔｈｉａ，Ｃ．ＹａｎａｎｄＳ．Ｍｉｎｄｅｓｓ．Ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄｓｈｒｉｎｋａｇｅｃｒａｃｋ－ｉｎｇｉｎｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅ：ａｎｏｖｅｌｔｅｓｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅ［Ｊ］．Ｃｅ－ｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｃｒｅｔｅＲｅｓｅａｒｃｈ，１９９６，２６（１）：９－１４．

［２２］ＣｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒＫ．Ｙ．Ｌｅｕｎｇ，Ｍ．ＡＳＣＥ，ｅｔｃ．Ａｎｅｗｔｅｓｔｉｎｇｃｏｎｆｉｇｕ－ｒａｔｉｏｎｆｏｒｓｈｒｉｎｋａｇｅｃｒａｃｋｉｎｇｏｆｓｈｏｔｃｒｅｔｅａｎｄｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｓｈｏｔｃｒｅｔｅ［Ｊ］．ＣｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｃｒｅｔｅＲｅｓｅａｒｃｈ，２００６，３６（４）：７４０－７４８．

（上接第１３页）ｍｅｎｔ，ＡｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓ，２００６，１３２（３）：２１７－２２９．［５］［６］［７］［８］［９］

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ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ．ＩｎｓｅａｒｃｈｏｆＰａｒｔｎｅｒｉｎｇｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ［Ｍ］．ＴｈｅＵ．Ｓ．：ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＡｇｅｎｃｙ．１９９１．Ｔａｎｇ，Ｗ．，Ｄｕｆｆｉｅｌｄ，Ｃ．Ｆ．ａｎｄＹｏｕｎｇ，Ｄ．Ｍ．ＰａｒｔｎｅｒｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｓｍｉｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ：ＡｎＥｍｐｉｒｉｃａｌＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＭａｎａｇｅ－

Ｄａｆｔ，Ｒ．Ｌ．ＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎＴｈｅｏｒｙａｎｄＤｅｓｉｇｎ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＴｈｏｍｓｏｎＬｅａｒｎｉｎｇ，１９９８．

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ＷａｔｅｒＰｏｗｅｒＶｏｌ．３４．Ｎｏ．３

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