DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.04.023

BFRP网格-PCM薄面黏贴加固钢筋混凝土板抗弯性能

丁里宁¹,贺卫东^{2, 3},汪昕^{2, 3},程方^{2, 3},吴智深^{2, 3}

（1. 南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京，210037；

2. 东南大学 土木工程学院，江苏 南京，210096；

3. 东南大学 城市工程科学技术研究院，江苏 南京，210096）

摘要:针对老旧桥梁桥面板出现结构损伤与材料老化，结合玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)网格与聚合物砂浆(PCM)提出一种新的加固技术以提升钢筋混凝土板的抗弯性能。首先，采用双剪试验研究BFRP网格与混凝土界面的黏结荷载，共制备18个试件，试验变量包括网格种类、网格厚度、PCM种类以及界面剂；其次，浇筑6块钢筋混凝土板，通过四点弯曲试验系统地分析网格种类、网格厚度、网格布置方式以及PCM种类对加固板抗弯性能的影响。研究结果表明：界面剂能有效提高BFRP网格与混凝土之间的黏结荷载；当BFRP网格与混凝土表面的黏结长度大于有效黏结长度时，BFRP网格强度利用率达到90%以上，黏结荷载高于相同情况下玄武岩纤维布/BFRP板与混凝土的黏结荷载；BFRP网格与PCM形成的薄面加固层能显著提高钢筋混凝土板的开裂荷载、屈服荷载以及极限荷载，同时减小最大裂缝宽度并改善裂缝分布；在整个加载过程中，BFRP网格-PCM薄面加固层与混凝土板协同变形，加固板最终发生混凝土压碎或FRP网格断裂破坏，并未出现剥离破坏；传统钢筋混凝土构件抗弯承载力计算方法适用于预测BFRP网格加固后板的抗弯承载力。

关键词:BFRP网格；PCM；黏结性能；钢筋混凝土板；抗弯加固

中图分类号:TU528.572     文献标志码:A          开放科学(资源服务)标识码(OSID)

文章编号:1672-7207（2020）04-1085-12

Flexural behavior of reinforced concrete slabs strengthened with BFRP grids and PCM

DING　Lining¹, HE　Weidong^{2, 3}, WANG　Xin^{2, 3}, CHENG　Fang^{2, 3}, WU　Zhishen^{2, 3}

(1. School of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China；

2. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China；

3. International Institute for Urban Systems Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract: In view of the old bridge decks which suffer from structural damage and material degradation, a new strengthening technique for improving the flexural behavior of reinforced concrete(RC) slabs was proposed by combining basalt fiber reinforced composite(BFRP) grid and polymer cement mortar(PCM). Firstly, the bond load was studied according to double-lap shear test with 20 specimens, and the variable parameters included the grid type, grid thickness, PCM type and interface treating agent. Secondly, 6 slabs were fabricated and tested in the four point flexural experiments. The effects of the grid type, grid thickness, grid layout and PCM type on the flexural behavior of strengthened slabs were systematically analyzed. The results show that the interface treating agent can effectively improve the bond load between the BFRP grid and concrete. When the bond length is larger than the effective bond length, the strength utilization ratio of the BFRP grid is more than 90%, and the bond load is higher than that of the basalt fiber sheet/BFRP plate under the same condition. The thin strengthening layer formed by the BFRP grid and PCM can significantly increase the cracking load, yield load and ultimate load of the strengthened slabs, reduce the maximum cracks width and improve the distribution of cracks. During the whole loading process, the strengthening layer and the slabs deform in coordination, and the slabs finally suffer from concrete crushing or FRP grid rupture without debonding. In addition, the traditional calculation method of flexural capacity for RC members is suitable for that of slabs strengthened with BFRP grid.

Key words: basalt fiber reinforced composite(BFRP) grid; polymer cement mortar(PCM); bond behavior; reinforced concrete(RC) slab; flexural strengthening

对于老化或因外力损伤的混凝土结构，通过加固恢复结构承载力并延长使用寿命具有较大经济效益。传统混凝土结构加固方法通过增大截面、外贴钢板和体外预应力等存在施工困难或耐久性差等不足，而采用纤维增强复合材料(FRP)加固法加固的混凝土结构耐久性好、承载力提升大，在结构加固工程领域已被广泛认可^[1]。FRP加固以外贴FRP片材为主，常使用环氧类胶黏剂黏结片材与混凝土。对长期在暴露环境下的结构，胶黏剂易发生老化，同时，胶黏剂透气性较差，水分容易滞留在FRP与混凝土黏结界面而导致黏结界面性能劣化^[2]。此外，外贴FRP片材外露在环境中，其抗冲击性与耐火性差。因此，对防火等级高的结构，加固完成后还需要进行专门的防火处理。FRP网格是连续纤维按一定工艺生产的网格状复合材料制品，一般为正交双向形式^[3]。采用FRP网格-PCM薄面黏贴加固可以克服上述外贴FRP片材加固的缺点。该方法采用PCM作为黏结材料，具有良好的抗老化性、透气性、抗冲击性以及耐火性能，特别适用于恶劣环境。目前，FRP网格作为新建结构的配筋，部分或完全替换钢筋的研究较多^[4-6]，而作为结构加固材料的研究较少^[1,7]。国内外研究以碳纤维复合材料(CFRP)网格为主，系列研究钢筋混凝土构件抗弯加固^[8-11]。但现有研究并未系统分析加固技术中各个变量对加固效果的影响，且CFRP网格价格较高，极大地限制了FRP网格-PCM薄面黏贴加固技术的应用推广。由于桥面板结构在承受车辆荷载和腐蚀介质侵蚀作用下发生结构损伤与材料老化，本文采用性价比较高的绿色材料BFRP网格作为加固材料，研究BFRP网格与混凝土界面的黏结荷载，并对桥面板的缩尺结构钢筋混凝土单向板进行抗弯加固试验，系统探讨BFRP厚度、布置方式以及PCM种类等因素对加固效果的影响。

1 试验方案

1.1　BFRP网格与PCM力学性能测试

BFRP网格-PCM薄面黏贴加固技术中包含BFRP网格与PCM这2种材料，材料的力学性能直接影响结构加固效果。首先，对2种材料力学性能进行测试。FRP网格由江苏绿材谷新材料公司提供，其相邻两肢间距为50 mm，单肢宽度为4 mm，如图1(a)所示。依据FRP网格拉伸试验方法^[3]，分别对厚度为1，3和5 mm的BFRP网格和厚度为3 mm的玻璃纤维(GFRP)网格进行测试，结果如图1(b)所示。

在前期PCM制备研究的基础上，本研究以水泥、砂、水、聚合物乳液、901胶粉、硅灰、U型膨胀剂、减水剂、消泡剂最优质量配合比为100.0:100.0:20.0:30.0:1.0:10.0:6.0:0.4:0.5制备PCM，其中水泥为P.O52.5，聚合物乳液为丙烯酸酯共聚乳液(NBS)。试验同时选用湖南固特邦公司提供的代号HPM-S的PCM，在该砂浆中掺入少量短纤维。依据文献[12]对2种PCM分别进行抗折、抗压与正拉黏结测试，如图2所示。

1.2　BFRP网格-混凝土界面黏结荷载试验

BFRP网格-PCM薄面加固层与混凝土黏结界面协同变形是保证结构性能提升的关键。依据文献[13]，采用改进的双剪试验测试BFRP网格与混凝土界面之间的黏结荷载。每个试件包括2个混凝土块，分别作为试验端与锚固端，BFRP网格在两端的黏结长度均为600 mm，如图3所示。为保证黏结破坏发生在试验端，BFRP网格与锚固端之间采用黏结力更大的TSL-401黏钢胶。试验端BFRP网格布置7个应变测点，试验加载速度为0.2 mm/min。

图1　FRP网格制品与性能测试

Fig. 1　FRP grid product and mechanical properties test

图2　PCM力学性能试验

Fig. 2　Mechanical properties test of PCM

表1所示为双剪试验试件设置。所用混凝土抗压强度为49.6 MPa，混凝土块与FRP网格黏结的两面经凿毛处理。用于增强FRP网格与混凝土界面黏结的界面剂由粉料和乳液按3:1的质量比配置，其中粉料中水泥、粗砂与细砂的质量配比为2:2:1，乳液中水、丙烯酸酯共聚乳液与901胶的质量配比为2.0:0.5:0.9。界面剂涂刷厚度约为0.5 mm。

图3　双剪试验试件及其横截面

Fig. 3　Double-lap shear test specimen and its transversal section

表1　双剪试验试件设置

Table 1　Specimens set for double-lap shear test

1.3　FRP网格加固钢筋混凝土单向板抗弯性能试验

试验共浇筑6块长度为2 000 mm、宽度为500 mm以及高度为100 mm的钢筋混凝土单向板，如图4所示。板底部配置4根直径为8 mm的纵向钢筋，并配置7根直径为6 mm的横向钢筋，保护层厚度为15 mm。8 mm钢筋屈服强度为412.6 MPa，极限强度为535.8 MPa，弹性模量为211.9 GPa。6 mm钢筋屈服强度为319.3 MPa，极限强度为447.4 MPa，弹性模量为212.7 GPa。混凝土抗压强度为33.6 MPa。各板加固方案如表2所示，基于界面黏结试验结果，纯弯段两侧黏结长度取600 mm。使用3层1 mm BFRP网格加固板时，为保证每层网格与PCM都较好地黏结，相邻网格间距设置为10 mm，因此，PCM厚度为 30 mm，其余加固方式FRP网格为1层且PCM厚度为20 mm，加固的主要工艺如图5所示。纵向钢筋中部、板跨中底部与顶部混凝土表面以及跨中FRP网格表面均设置应变测点。试验采用四点弯曲加载，加载速度为0.2 mm/min，板开裂前每级荷载为1 kN，开裂后每级荷载为2 kN。

图4　钢筋混凝土板加载与加固方法

Fig. 4　Loading and strengthening methods of RC slabs

图5　FRP网格加固钢筋混凝土板工艺流程

Fig. 5　Technological processes of RC slabs strengthened with FRP grid

表2　试验试件加固方案

Table 2　Strengthening schemes of test specimens

2 结果与讨论

2.1　FRP网格与PCM力学性能

FRP网格力学性能测试结果如表3所示。根据网格单肢横截面积可计算网格抗拉强度f_g与弹性模量E_g。为避免网格表面缺陷引起的单肢横截面积测量误差，也可根据网格单肢横截面纤维面积计算网格抗拉强度f_f与弹性模量E_f，从而更准确地表征网格的力学性能^[3]。由表3可见：随着BFRP网格厚度增加，抗拉强度不断降低，这是由于网格经纬向纤维纱含量随网格厚度增加而逐步增大，不同束纤维纱协同变形能力下降；与相同厚度的BFRP网格相比，GFRP网格抗拉强度与弹性模量较小，这是因为玻璃纤维本身强度与弹性模量低于玄武岩纤维，且单束玻璃纤维纱含丝多导致树脂基体难以浸润，因此，GFRP网格强度与弹性模量较低。表4所示为PCM的力学性能测试结果。由表4可见：2种PCM抗折与正拉黏结强度相近，但NBS抗压强度高于HPM-S的抗压强度。

表3　FRP网格的力学性能测试结果

Table 3　Mechanical properties test results of FRP grid

表4　PCM力学性能测试结果

Table 4　Mechanical properties test results of PCM     MPa

2.2　BFRP网格-混凝土界面黏结性能

2.2.1　破坏模式

FRP网格-混凝土界面破坏模式有3种：1) 整体PCM剥离(ED)；2) 部分PCM剥离(PD)；3) FRP网格断裂(GF)。图6所示为双剪试验试件典型破坏模式，表5所示为BFRP网格-混凝土界面黏结测试结果。由图6和表5可见：试件BN-1出现FRP网格断裂；试件BN-3与GN-3出现网格断裂，且荷载端部分PCM发生剥离；试件BH-3出现网格断裂，荷载端附近的PCM并未大面积剥离，仅出现多条细小的横向裂纹，这是由于PCM(HPM-S)中有短纤维而表现出更好的抗裂性能；试件BN-5与BN0-3均发生整体剥离，其中BN-5已基本发挥强度，而BN0-3剥离时应变仅为极限应变的59.3%，这表明虽然BFRP网格与混凝土表面有一定黏结强度，但并不足以使BFRP网格抗拉强度完全发挥。BN-3破坏时网格应变为极限应变的95.4%，因此，按照本研究配制的界面剂能增强FRP网格与混凝土界面之间的黏结，进一步发挥FRP网格的高强性能。

图6　双剪试验试件典型破坏模式

Fig. 6　Typical failure modes of specimens in double-lap shear test

2.2.2　有效黏结长度　

图7所示为应变与平均剪应力分布。由图7(a)可见：应变随着与荷载端距离增加而不断减小，直至趋近于零，因此，网格发挥作用的长度有限，即存在有效黏结长度。依据纤维布或FRP板与混凝土界面剪应力的求解方法(见式(1))，可得FRP网格与混凝土界面之间的平均剪应力分布^[14-15]。

(1)

式中：τ为2个应变测点间网格的平均剪应力；E_f为网格弹性模量；x为2个应变测点间的距离；△ε_f为2个应变测点的应变差。

表5　BFRP网格-混凝土界面黏结试验结果

Table 5　Interfacial bond test results of BFRP grid and concrete

极限荷载下界面平均剪应力与距荷载端距离的关系如图7(b)所示。由图7(b)可见：加载初期，平均剪应力随着与荷载端距离增加而不断减小，直至趋近于零；当PCM所受拉应力大于其抗拉强度时，砂浆表面出现垂直于受力方向的微裂纹，荷载增大微裂纹宽度逐渐扩大，形成贯穿裂缝后荷载端PCM发生剥离，平均剪应力峰值由荷载端向自由端移动；试件BN0-3因未涂刷界面剂而发生整体剥离，其界面平均剪应力峰值并未移动；随着BFRP网格厚度增加，网格的横截面刚度增大，平均剪应力传递长度增加。

本研究试验变量较少，仅能依据应变与平均剪应力分布分析FRP网格与混凝土间有效黏结长度。2种方法均以极限荷载下，荷载端到应变与平均剪应力减小为10%时对应位置的长度作为有效黏结长度^[16]，分析结果见表6。由表6可见：采用BFRP网格-PCM薄面黏贴加固法时，对1，3和5 mm BFRP网格的有效黏结长度可分别取200，400和500 mm，并根据需要取一定的安全系数，这能在充分发挥BFRP网格强度的同时获得最佳的经济效果。

与玄武岩纤维布/BFRP板-混凝土界面黏结相比^[17-19]，BFRP网格应变由荷载端到自由端下降更缓，应变传递范围更大且平均剪应力峰值更高。因此，在相同条件下，BFRP网格-混凝土界面可以承受更大荷载，从而表现出更好的黏结性能。

2.3　FRP网格加固钢筋混凝土单向板抗弯性能

2.3.1　破坏模式　

板达到极限承载力时破坏模式有2种：1) 板顶部混凝土压碎(CF)；2) FRP网格拉断(GF)。钢筋混凝土板破坏模式如图8所示，表7所示为钢筋混凝土板特征荷载与破坏模式。由表7可见：与未加固板B0相比，加固后板的各特征荷载都明显提升；BFRP网格与GFRP网格的弹性模量较低，依据等效截面计算构件开裂荷载的方法^[20]，BFRP网格与GFRP网格对提升板的开裂荷载贡献很小，开裂荷载提升的原因是PCM增大了板的刚度；板B1-3-N加固时PCM厚度为30 mm，而其他板加固时PCM厚度为20 mm，所以，板B1-3-N的刚度提升幅度最大，其开裂荷载相比未加固板增大2倍；极限荷载时，由于3 mm BFRP网格与GFRP网格均未发生断裂，而2种网格截面刚度相差不大，因此，板B3-1-N与板G3-1-N加固效果相近。

图7　双剪试件应力与平均剪应力分布

Fig. 7　Distributions of strain and average shear stress of double-lap shear test specimens

表6　BFRP网格-混凝土界面有效黏结长度

Table 6　Effective bond length of the interface between BFRP grid and concrete                   mm

2.3.2　板试件弯曲裂缝发展　

图9所示为钢筋混凝土板荷载-最大裂缝宽度曲线。由图9可见：加固后板的最大裂缝开展速度明显比对比板B0的小，这是由于加固板开裂后FRP网格抑制了裂缝的进一步发展。相比板B3-1-N与板B5-1-N，在同样荷载下，板B1-3-N的最大裂缝宽度最小，因此，分层布置3层1 mm BFRP网格比布置1层3 mm或5 mm的BFRP网格更有利于限制板的裂缝宽度。板B0，B1-3-N，B3-1-N，B5-1-N，G3-1-N和B3-1-H纯弯段内裂缝的平均间距分别为194，87，92，85，91和45 mm。其中使用PCM(NBS)加固的板裂缝平均间距为90 mm左右，而使用PCM(HPM-S)加固的板裂缝平均间距为45 mm，裂缝更加细小，这是因为PCM(HPM-S)中加入了许多短纤维，提高了PCM的抗裂性能。

2.3.3　荷载-挠度关系与截面刚度

钢筋混凝土板跨中荷载-挠度曲线如图10所示。由图10可见：板的开裂前荷载与跨中挠度呈线性关系；达到开裂荷载后，板纯弯段内开始出现弯曲裂缝，板的整体刚度逐渐减小；加载至屈服荷载时，板的整体刚度再次下降，刚度呈现明显的三段式变化。相比于板B0，由于板底部FRP网格发挥作用，加固板屈服后的刚度得到显著提升。

钢筋混凝土板作为受弯构件，其正常使用极限状态下挠度限值为跨度L₀的1/200^[21]，承载力极限状态下挠度限值为跨度L₀的1/50^[22]；当挠度为L₀/200时，板B1-3-N与板B5-1-N承载力分别提升148%与94%，而板B5-1-N屈服后刚度大于板B1-3-N屈服后刚度；当挠度为L₀/50时，板B1-3-N与板B5-1-N承载力分别提升266%与279%，但由于板B5-1-N加载至60 kN时单肢BFRP网格发生断裂，达到承载力极限状态后继续加载时，其承载力低于板B1-3-N的承载力。

板B5-1-N中5 mm BFRP网格断裂的原因主要为：1) 网格经向与纬向交点处纤维体积分数为其他部分的2倍，虽然5 mm BFRP网格与1 mm BFRP网格在交点处纤维体积分数均为90%，但纤维总体积分数更高的5 mm网格中的纤维丝更容易受力不均，产生应力集中而发生节点破坏；2) 相比于1 mm BFRP网格，5 mm网格厚度较大，具备更大截面刚度，在承受荷载时，网格中不同单肢较难协调而易引起单肢网格应力过大，使纤维提前断裂。

图8　钢筋混凝土板破坏模式

Fig. 8　Failure modes for reinforced concrete slabs

表7　钢筋混凝土板特征荷载与破坏模式

Table 7　Characteristic load and failure mode of RC slabs

图9　钢筋混凝土板荷载-最大裂缝宽度曲线

Fig. 9　Load-maximum crack width curves of RC slabs

图10　钢筋混凝土板荷载-跨中挠度曲线

Fig. 10　Load-midspan deflection curves of RC slabs

板B1-3-N的各特征荷载均比板B3-1-N的高，原因为3层1 mm的BFRP网格在PCM中分层放置，每层间距10 mm，与单层BFRP网格紧贴板底相比，放置3层BFRP网格合力作用点离中性轴更远，在同样的挠度下，3层BFRP网格应力应变更大，有利于进一步提升板的承载性能。

板B3-1-N、B3-1-H与G3-1-N在以挠度控制的正常使用极限状态L₀/200与承载力极限状态L₀/50时荷载-挠度曲线差异很小，这表明加固采用力学性能相近的PCM(NBS)与PCM(HPM-S)时，虽然PCM(HPM-S)加固后的板表现出更好的抗裂性能，但对承载性能影响不大。此外，在板破坏模式为顶部混凝土压碎时，弹性模量相近的BFRP网格与GFRP网格加固效果基本一致。

2.3.4　板跨中混凝土、钢筋和FRP网格应变

板跨中顶部混凝土应变与跨中钢筋应变随荷载的变化如图11(a)所示。由图11(a)可见：跨中顶部混凝土应变随荷载增加大致呈线性增大，极限荷载时顶部混凝土压应变在3 000~3 500 με。跨中钢筋在板受弯开裂前应变较小，屈服前钢筋应变缓慢增长，钢筋应变达到2 000 με左右时发生屈服后，应变增大速度加快，应变呈现三段式分布。

图11(b)所示为荷载与跨中FRP网格应变的关系。由图11(b)可见：板开裂之前FRP网格应变较小，开裂后FRP网格应变逐渐开始增大，所以，直接外贴FRP网格加固时存在加固效果滞后；当板达到屈服荷载时，FRP网格应变为5 000 με左右，约为极限应变(22 000 με)的23%；当达到极限荷载时，FRP网格应变为18 000 με左右，约为极限应变的82%，因此，板屈服前FRP网格贡献较小，对板正常使用状态下的性能提升少，这是BFRP网格和GFRP网格弹性模量低所致。采用预应力FRP网格加固技术，使FRP网格提前开始发挥作用，避免加固效果滞后的缺陷。

图11　混凝土、钢筋和FRP网格应变荷载-应变曲线

Fig. 11　Load-strain curves of concrete, reinforcement and FRP gird

2.3.5　FRP网格加固钢筋混凝土板抗弯承载力计算　

试验中仅板B5-1-N出现网格断裂现象，但所有板最终均为跨中顶部受压区混凝土压碎。以受压区混凝土压碎，且以纵向受力钢筋屈服计算钢筋混凝土板的正截面抗弯承载力，依据平截面假定与正截面受弯承载力计算简图，如图12所示。

图12　钢筋混凝土板截面等效应力分布图

Fig. 12　Equivalent stress distribution of RC slab section

由力平衡条件得

(2)

(3)

式中：f_c为混凝土抗压强度；b为板截面的宽度；x为等效矩形应力图形中混凝土受压区高度；f_y为钢筋抗拉屈服强度；A_s为钢筋截面面积；ε_g为FRP网格拉应变；E_g为FRP网格弹性模量；A_g为网格截面面积；α和β为系数，分别取1.0和0.8；x₀为混凝土受压区高度。

由几何关系得

(4)

式中：h_g为FRP网格形心到混凝土受压边缘的距离；ε_cu为混凝土极限压应变，取0.003 3。

结合式(2)~(4)得x和x₀。根据力矩平衡条件，板的极限弯矩M_u和极限荷载P_u计算公式分别为

(5)

(6)

式中：h₀为截面有效高度；L₀为板跨度。

表8所示为板极限荷载试验值与理论值对比，结果表明上述计算方法能较好预测加固后板的极限承载力，且具有一定安全储备。基于该计算方法，可以预测在保证界面可靠黏结时，增加网格用量能对大尺寸试件实现相同的弯曲性能提升。

表8　极限荷载试验值与理论值对比

Table 8　Comparisons between experimental and theoretical values of ultimate load

3 结论

1) 与玄武岩纤维布/BFRP板-混凝土界面黏结相比，在相同条件下，BFRP网格-混凝土界面黏结性能更好。1，3与5 mm BFRP网格的有效黏结长度分别为200，400和500 mm，利用有效黏结长度进行加固设计可充分发挥FRP网格的高强特性并获得最佳的经济效果。

2) 加固时应尽量选择厚度较小的网格，通过多层布置提升加固效果。但无论单层还是多层布置，BFRP网格加固钢筋混凝土板均存在加固效果滞后问题。

3) 在PCM中加入短纤维明显减小最大裂缝宽度与裂缝平均间距，但对正常使用状态与极限承载力状态下板的承载性能影响较小。此外，当PCM强度满足加固规范时，其抗压强度对极限承载力影响不明显。

4) BFRP网格加固钢筋混凝土板一般发生跨中混凝土压碎，在这种破坏模式下，传统钢筋混凝土构件抗弯承载力计算方法适用于BFRP网格加固后钢筋混凝土板的承载力计算，且具有一定安全储备。

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（编辑 秦明阳）

收稿日期： 2019 -06 -19; 修回日期： 2019 -07 -30

基金项目(Foundation item)：国家重点研发计划项目(2017YFC0702000)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20150886) (Project(2017YFC0702000) supported by the National Key Research and Development Program of China; Project(BK20150886) supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province)

通信作者：汪昕，博士，教授，从事高性能纤维增强复合材料研发与应用研究；E-mail：xinwang@seu.edu.cn