农村家用水压式沼气池的建造与施工.docx
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农村家用水压式沼气池的建造与施工
农村家用水压式沼气池的建造与施工
一、池型结构 农村家用沼气池,一般可按照以下四种方式进行分类:
①按储气方式可分为水压式、浮罩式和气袋式,在实际应用中,水压式最为普遍,浮罩式次之;②按发酵池的几何形状分为圆筒形池、球形池、长方形池、方池、拱形池、圆管形池、椭球形池、纺锤形池、扁球形状池等,其中,圆筒形池和球形池应用最为普遍;③安建池材料分为砖结构池、塑料(或橡胶)结构池、抗碱玻璃纤维水泥结构池、钢结构等,在实际应用中,最为普遍的是混凝土结构池;④按沼气池埋设位置分为地上式、半埋式和地下式,在实际应用中,以地下式为主。
除此以外,也有按照发醇工艺进行分类的。
实际应用最广的水压式沼气池,是指地下埋设、混凝土结构、圆筒形 (或球形)的水压式沼气池。
水压式沼气池具有构造合理、施工简单、造价较低、管理使用方便等优点,但是,气压不稳定,对产气不利,对燃烧器具的设计也带来困难,同时,对防漏要求很高。
(一)组成与功能 家用水压式沼气池一般由进料口、进料管、发醇间、活动盖、导气管、出料管、出料间(水压间)等组成(见图)。
图3-1农村家用圆筒形水压式沼气池示意图
1、进料口;2、进实管;3、发酵间;4、储气部分;5、出料管;6、进料间(水压间);7、活动盖;8、导气管 1.进料管一般采取直管斜插方式,在池盖支座附近斜插于料液中, 或者以1:
0.9坡度斜插于池墙1/2高度处,这样做施工方便,进料顺畅,搅拌方便。
2.发醇间这是沼气池的主题,又可分为发醇部分和储气部分。
按一定配料比发醇原料的发醇部分进行发醇,其液面上的空间为储气部分。
3.活动盖设备在池盖的顶部,呈瓶塞状,上大下小。
活动盖可以按需要开启或关闭,是一个装配式的部件。
其功能主要有:
(1)在进行沼气池的维修和清除沉渣时,打开活动盖以排除池内有害气体,并便于通风、采光,使操作安全;
(2)在沼气池大换料时,活动盖口可起到吞吐的作用;(3)当采用土模法施工时,可作为挖取芯土的入口;(4)当遇到导气管堵塞、气压表失灵等特殊情况,造成池内气压过大时,活动盖即被冲开,从而降低池内气压,使池体得到保护;(5)另外,当地内发醇表面严重结壳,影响产气时,可以打开活动盖,破碎浮渣层,搅动料液。
近年来,随着小型高效沼气池技术的发展,有些采取底层出料且设有较大出料口的沼气池,施工简单,便于出料,因而不再设置活动盖,其出料口已基本取代了池盖的功能。
4.出料间是为储存沼气、维持正常气压和便于出料而设置的,其大小及高度由沼气气压和储气量决定。
出料间与发醇间的连接,一般随着出料方式的不同而存在两种方式:
①当满足沉降、杀灭寄生虫卵的需要,采取中层出料时,出料间通过安装于其下部的出料管,与发醇间连接;②为便于出料、免除一年一度的大换料,采取底层出料时,出料间通过其下部的出料口,与发醇间直接相通。
(二)工作原理 在水压式朝气池中,当发醇产生沼气逐步增多时,气压随之增高(沼气气压的大小可由安装于输气管线路上的压力表或压力计显示),出料间液面和池内液面形成压力差,因而将发醇间内的料液压到出料间,直至内外压力平衡为止。
当用户使用沼气时,池内气压下降,出料间中的料液便压回发醇间内,一维持内外压力新的平衡。
这样,不断的产气和用气,使发醇间和出料间的液面不断地升降,始终维持压力平衡的状态。
(三)圆筒形池的优点
(1)结构受力性能良好,受力各阶段在池内外轴对称载作用下,池体各部位大部分处于受压状态,池墙下部虽有少部分受拉区,但拉力并不大,便于采用砖、石、混凝土等,其抗压强度远大于抗拉强度的脆性圬工材料,使结构厚度大大减薄,沼气池的土建造价相应降低。
(2)同一容积的沼气池,在相同受力条件下,圆形池的表面积比较小,仅次于球形池。
(3)池"死角"少,有利于甲烷菌的活动,且容易解决密闭问题。
二、现场施工建造方法 对于沼气池这样一个密闭装置,到达到结构牢靠、不漏水、不漏气的目的,除了合理设计以外,沼气池的施工是极其重要的一环。
应按设计图纸或标准图集,任职细致地进行施工,确保施工质量。
家用沼气池质量的好坏,结构和布局是否合理,直接关系到产气的多少和产气质量的好坏。
因此,建修沼气池要做到设计合理,机构简单,施工方便,坚固耐用,造价低廉。
保证建池质量,做到不漏气、不漏水。
现以最普遍的水压式沼气池加以说明。
(一)保证建池的基本技术要求 1.合理的池体结构 ①采用"三结合"建池,即将沼气池有猪圈、厕所建在一起,并相连通,使人、畜粪尿随时流入沼气池, 以达到能经常进料的目的,节省劳动力。
同时能利于改善农村的环境卫生;②要求"圆、小、浅"。
"圆"指建造圆筒形或球形沼气池。
因球体的表面积最小,省工省料。
"浅"指沼气池的埋置深度要浅,一般是指池盖拱顶的最小埋置深度为30cm左右,上面覆土,由于埋得较浅可充分利用阳光照晒拱顶和水压箱, 以提高池温,增加产气量;同时也可使填土荷载与池内基本处于平衡状态。
"小"指能满足一户家庭使用的前提下,应尽量缩小池容,不但可节省建池材料,同时还易解决发醇原料的不足;③有合理的活动盖。
它安装在沼气池拱顶部活动盖口上,其大小为65-75cm; ④直管进料。
用直水泥管斜插入发醇间,不应拐弯,有利于发醇原料进的主池体的发醇间,也便于人工搅拌;⑤中层出料。
进出料间的下口上沿位置,应在同一水平线上,即设在池墙的1/2处比较合适;⑥进出料口加盖。
盖的大小要与进出料口大小相适宜。
加盖可保温又能保持卫生、安全;⑦进、出料间的上口水平位置,应高于池盖,这样可使进、出料间起到水压箱的作用,避免产生较多时,发醇液溢到池外;⑧沼气池削球壳体的矢跨比一定要合理。
矢跨比,即弧形拱盖和池底的矢高(拱弧高)与池内的直径比(见图)。
3-2矢跨比示图矢跨比=F:
D 根据无弯矩薄膜内力计算,削球壳体的池盖矢跨比为1:
5,池底矢跨比为1:
8;这是池盖的环向内力,由压力变为拉力的分界线。
因此,要求沼气池的矢跨比等于或大于这个数值,一般池盖矢跨比取值为1/5~1/4,池底矢跨比取值为1/10-1/8;⑨在高水位地区建池,池底要求建成锅底形(即反拱形)。
锅底形池承受的地下水压力大,而且省工省料。
地下水位不高的地区,可建成平底形池底。
2.正确合理选择及使用建筑材料①选择建筑材料要因地制宜;②要正确使用建池材料。
如石灰。
须先用水发透,过筛除去杂块方可使用。
砂子不能混有杂草、泥土,用前一定要过筛。
水泥要防潮湿,若水泥结块,应降低标号使用。
碎石一定要洗净后再使用③要保证建池材料的标号和质量,建池用的胶凝材料,必须上水硬性的。
(a)水泥标号325或425号皆可;(b)砖应在75号以上,同时要求平整、无裂纹、翘曲等;(c)石块应经过修整,一般修成15cm厚即可;(d)石灰要用块石灰,使用前必须用水熟化,过滤成石灰膏,并经储存7天左右可用;(e)砂子要用中砂;(f)石子要用卵石或碎石,料径为0.5-2cm;(g)混凝土一般用100号或150号,其水泥、砂子、石子之比为1:
3:
5或1:
2:
4。
3、沼气池设计的几何尺寸现以圆筒形沼气池为例作一介绍。
为了便于施工时查阅,现将圆筒形沼气池不同容积的主要设计尺寸如下(见表):
池型容积(m3)用地范围埋置深度(H)池内直径(D)池墙高(H)削球形池盖削球形池底出料时间(水压箱)
长宽曲率半径(P1)矢高(f1)曲率半径(P2)矢高(f2)长(d1)宽(d2)
64.582.882.142.401.01.740.482.550.301.00.8
84.883.182.242.701.01.960.542.860.341.21.0
105.183.482.343.001.02.180.603.180.381.31.0
125.383.782.403.201.02.320.643.400.401.41.0
(二)建池材料目前,我国农村建池用材料有:
混凝土:
、砖、料石,这里主要介绍上述几种材料及制品的材性、配制和使用,对有关胶凝材料的硬化机理只作一般性的阐述。
1、普通粘土砖普通粘土:
砖采用粘土制成砖坯,经过干燥、入窑、高温(900~1000f)焙烧而成的地方性材料。
建池用的砖无特殊要求,青砖、红砖,手工砖或或机制砖均可使用。
普通粘土砖从强度划分为50、75、100、150、200号五种。
任一一项强度指标达不到者,应降低标号使用:
50号砖只限于手工砖使用。
其质量符合下列主要技术要求:
几何尺寸:
240mm×ll5nlm×53mm;容量:
1600~1800kg/m3;外观:
尺寸应整齐,各平面应平整,无过大翘曲,一般应无裂纹;敲击声脆,断面组织均匀。
建池用砖,一般选用50号、?
5号、100号二种,其几种尺寸可不受上述限制,但不得用欠火砖。
池盖用砖,棱角应完整无缺,否则影响砌筑质量。
2、石材在山区、丘陵或盛产石材的地区建造沼气池,可用石材加工正成板石或条石砌筑发酵间和出料间。
用于建造沼气池的石料,多选用组织紧密、均匀、无裂纹、无风化或弱风化的砂岩或石灰岩。
这样的岩石易于加工。
石材的抗压强度是用5cm×5cm×5cm的立方试件用标准试验方法所得的抗压极限强度。
按抗压强度,石材的标号划分为100,150、200、300、400、500,600、800、1000九种。
抗压强度的大小取决于岩石的矿物成分,结晶粗细,胶结物质的种类及均匀性、荷重与节理方向等因素。
用于建造沼气池的石材,有耐水性要求。
石材的耐水性,用软化系数表达(石材浸入水中后的抗压强度和干燥状态下的抗压强度比值称为石材软化系数)。
高耐水性的石材,软化系数大于0.9;中耐水性者,软化系数为o.7~0.9;低耐水性者为0.6~0.?
。
用于沼气池的石材,-般取软化系数为0.7~0.9,已能保证建池质量。
3、石灰石灰是山石灰岩经高温煅烧而成。
凡含氧化镁小于7%的称为钙石灰,大干7%的为镁石灰。
(1)石灰的熟化:
施工现场,石灰在使用前,一般都浇-定数量的水,使之熟化。
熟化后的石灰称为熟石灰或消石灰,其主要成分是氢氧化钙。
熟化过程中加少量水,生成粉状熟石灰,随着加水量的增加,则成石灰膏或石灰浆。
石灰熟化的速度与石灰岩的成分和煅烧质量有关。
过火石灰的表面有玻璃状硬壳,但熟化速度慢,而且未熟化颗粒也多。
当石灰未彻底熟化前用于混凝土或砂浆中,由于它能继续熟化,体积膨胀导致混凝土发生裂缝或局部脱落,危害很大。
欠火石灰中心有石灰石硬块,熟化后往往渣子较多。
钙质石灰熟化速度较镁质石灰快,施工现场适于采用。
(2)石灰的硬化:
石灰的硬化包括以下两种反应:
由于石灰浆内水分的蒸发,使氢氧化钙从饱和溶液中析出胶体,以后又从胶体转化为结晶体,这一过程称为石灰的结晶。
在丧表面与空气相接触的氢氧化钙吸收空气中的碳酸气(二氧化碳)生成碳酸钙。
这-过程称为石灰的碳化。
由于空气中碳酸气(二氧化碳)含量稀薄,又由于面层结成的碳酸钙薄层阻碍碳酸气的深入也阻碍内部水分的燕发,因此,石灰的硬化速度是相当缓慢的。
(3)块灰的外观检查:
块状生石灰、碎屑、粉末越少越好,-般不得超过总重的30%;煤渣、石屑等杂质含量不得大于8%。
过火、欠火块灰要少。
(4)石灰的等级划分:
石灰的活性、产浆量及未熟化颗粒含量是划分石灰等级的依据。
活性,以氧化钙和氧化镁的含量表示,含量越多,活性越高、质量越好。
活性用化学分析法测定。
产浆量:
以每千克块灰产浆的升数表示。
欠火、过火或杂质含量过多的石灰,其产浆量都较低。
未熟化颗粒含量:
指石灰中不能熟化的渣子(干重)所占的百分比。
未熟化颗粒越多的石灰,其质量越差。
(5)石灰的应用;在建造沼气池的工程中,熟石灰被用作砌筑砂浆和密封砂浆的改性材料。
石灰掺入水泥砂浆中可以增加砂浆的韧性、保水性、和易性。
必须指出,由于石灰是气硬性材料.又能溶解于水,而埋设在地下的沼气池长期处于潮湿环境,因此,石灰不得单独作为胶凝材料建造沼气池,而且,即使石灰作为改性材料用于砂浆中,也应加以控制。
使用过程中,石灰膏应过筛,消除石灰膏中未熟化的颗粒,否则将造成隐患。
4、水泥建池用水泥有普通硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥。
(1)普通硅酸盐水泥:
普通硅酸盐水泥的主要矿物成分有四种:
一是铝酸三钙:
水化速度最快,水化时放热量最高,硬化时体积收缩也最大,强度的发展是早期快而不高,后期强度却有下降趋势。
如果这种成分在水泥中含量过多,会使水泥很快边硬,产生急凝,无法施工。
这种矿物占水泥总重的7%~15%。
二是硅酸三钙:
水化速度较快,体积收缩较小,水化时放热量及放热速度次于铝酸三钙,强度发展也较快,且不断增长,是决定硅酸盐水泥强度的主要成分,这种矿物占水泥总重的37%~60%。
三是铁铝酸四钙:
水化速度也很快,仅次于铝酸三钙,其早期强度发展较慢,后期强度发展较快,体积收缩较大,这种矿物成分占水泥总重的10%~18%。
四是硅酸二钙:
水化速度、水化放热与体积收缩都最慢、最低和最小。
强度发展是早期较慢、后期较快,是保证水泥后期强度的主要成分。
这种矿物占水泥总重量的15%~37%。
普通水泥的硬化,水泥加入适量的水,调整塑料性浆体,产生物理、化学反应,浆体逐渐变浓、失去塑性、称为初凝。
随着时间的延长,达到开始具有强度时称为终凝。
终凝后继续增长成为硬化。
凝结和硬化总称为硬化过程。
由此,水泥硬化过程也就是水泥颗粒与水作用的过程,故水泥的凝结和硬化速度与下述主要因素有关:
①水泥颗粒的矿物组成,铝酸三钙和硅酸三钙含量大的水泥,凝结硬化快;②水泥的细度:
水泥颗粒越细,总表面积越大,与水接触面积越大,则水化越快,凝结硬化也越快;③硬化时的温湿度:
湿度越大温度越高,则水化越快,凝结硬化也越快。
反之,凝结硬化越慢,温度低于0℃,凝结硬化停止;④水泥中加水的比例:
加水太多,水泥并不能马上吸收,反而变稀,增大颗粒间距,凝结硬化减慢。
(2)火山灰质硅酸盐水泥:
火山灰质水泥的抗蚀和抗水性都较强,可用于在下,水中及有侵蚀的工程;水化热低;在常温下,凝结硬化较慢,但在较高温度(75~85℃)和较高湿度(相对湿度95%~100%条件下)强度发展较快;低温时,强度增长很慢,故不宜低温(8℃以下)施工。
硬化时需水量多,应保持充分的温湿度。
(3)渣硅酸盐水泥:
矿渣水泥的主要性质与火山灰质水泥相似,故使用范围及应用特点也与它基本相同。
但其抗蚀和耐水性普通水泥好而次于火山灰质水泥,矿渣水泥的泌水性较大而耐热性较好。
5、普通混凝土
(1)混凝土的组成材料:
①水泥:
(a)品种选择,沼气池内发醇液的pH值一般为7-8,故水泥可采用一般水泥的任何品种。
但地下水含硫酸盐类、碳酸盐类等有害物质超过规定值时,对普通书你有腐蚀作用,应选用矿渣水泥或火山灰质水泥。
(b)标号的选择,中小型沼气池的池墙和圈梁所用的混凝土标号一般均在200号以下,故水泥号一般选用325、425号,不需采用包标号水泥。
②细骨料:
在混凝土中凡粒径为0.15~0.5mm的骨料称为细骨料。
一般以天然砂(包括河砂、海砂、山砂)为细骨料砂的质量要求:
砂的有害杂质含量:
(a)含泥量不应超过砂重的3%;(b)云母含量不超过砂重的3%;(c)硫化物及硫酸盐:
折成三氧化硫不应大于砂重的1%。
(d)有机杂质:
有机杂质一般以比色法测定其含量,规定在砂的样品上部的氢氧化钠溶液的颜色不得深于标准的淡黄色。
有害杂质含量多而又必须使用时,可用清水或石灰水冲洗,并重做实验。
如其合格,即可使用。
砂的颗粒粗细和级配:
在混凝土拌合物中,水泥浆包裹在砂粒表面并填充砂粒间的空隙。
因此,当砂的总表面积小和空隙率小撕,所需的水泥浆就少。
这不但能节省水泥用量,且由于水泥浆的中间层薄,游离水相对减少,粘结力得以发挥,混凝土的强度耐久性及其技术性得以提高。
为了使砂的总表面积和空隙率减少,就需要具有优良的级配的砂和按具体情况选择较粗的砂。
砂的颗粒级配指砂中各级颗粒的搭配关系;优良的颗粒级配则是指砂的大小颗粒搭配已经使砂的空隙率达到了最小的程度。
砂的级配以筛分法测定,标准筛的孔径分别为5、2.5、1.2、0.6、0.3、0.15mm。
砂的颗粒粗细,经细度模数表示。
细度模数在2.5以上者为粗砂,在1.8~2.5者为中砂,1.8以下者为细砂。
砂的选择,首先选用中砂和粗砂。
如当地无粗砂和中砂,只有细砂时,则须控制混凝土的砂率及用水量,以降低水泥用量。
③粗骨料:
在混凝土中,凡粒径大于5mm的骨料称为粗骨料,粗骨料一般采用卵石和碎石。
卵石质量要求:
有害物质含量,含泥量不应大于2%;有机物质含量用比色法测定,应不深于标准色,硫化物及硫酸盐含量,以三氧化硫计,不应大于1%。
颗料粗细和级配,卵石的颗粒级配,亦用筛分法测定。
标准筛的孔径分别为80、40、20、5mm的圆孔筛。
级配好的卵石,空隙率小,容重大。
此外,针片状颗粒含量不应大于15%;软弱颗粒含量不应大于10%。
碎石:
碎石的强度应大于混凝土强度的1.5倍,其质量要求与卵石相同。
碎石的优点是原岩强度均匀,表面粗糙,与水泥浆结合力强,较纯洁;其缺点是混凝土的和易性小,施工时不如卵石那样易于浇灌和捣实。
但石子的选择,必须根据就地取材、经济合理的原则,综合考虑。
④水:
一般用饮用水(如自来水、井水、河水)拌合混凝土。
其它如泉水、沼泽水、海水等可能含有对水泥有害的物质,应当通过化学分析以检验其酸碱度、硫化物等,也可以用质量好的水做混凝土强度的对比试验,如结果一致,即可使用。
(2)建池用混凝土的质量要求:
建造沼气池的混凝土,应考虑混凝土拌合物的易性和强度,其它如混凝土的抗渗性、抗冻性、耐热性以及胀缩性等也应符合有关要求。
①混凝土拌合物和易性是指混凝土拌合物在保证质地均匀,各组成成分不离析的条件下,适于施工要求的综合性质。
和易性好的混凝土拌合物,易于搅拌均匀;浇灌时不发生离析、泌水现象,有一定的流动性,易于充满模板,也易于捣实,使混凝土内部质地均匀致密,强度和耐久性得到保证。
由于施工要求的不同,混凝土可分为塑性混凝土和干硬性混凝土,其和易性以坍落度或工作度表示。
对于塑性混凝土,可用坍落度测定。
对于低流动性或干硬性混凝土用工作度来测定。
②混凝土的强度:
混凝土强度的主要指标为抗压强度。
混凝土拌合物用20cm×20cm×20cm的立方体试模成型,在标准条件下(温度20±3℃、相对湿度90℅以上)养护28天进行抗压试验,以所得强度(N/cm2)划分等级(标号)。
混凝土抗压强度、除与粗、细骨料的质量有关外,水泥标号、水灰比、养护龄期、 养护温度以及密实度等与混凝土强度有很大关系。
水泥标号和水灰比是影响混凝土强度的主要因素。
当其他条件相同时,水泥标号越高,则泥混凝土强度越高;水灰比越大,则混凝土强度越低。
试验表明,当水泥、粗细骨料相同的条件下,混凝土28天的抗压强度与水灰比的关系是非线性的,但为了计算方便,多采用直线关系。
普通混凝土,在无外加剂而又标准养护的条件下,其强度的增长是初期快,后期缓慢。
混凝土7天龄期的强度为5.88~6.86N/cm2、28天为9.807N/cm2、3个月为1.25N/cm2、6个月为1.5N/cm2、1年为17.16N/cm2、2年为19.6N/cm2、4-5年为22.07N/cm2......。
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(3)养护温度、湿度与混凝土强度的关系:
水泥硬化时,在水分充足的情况下, 温度越高、混凝土强度发展越快;当水分不足,温度高时,强度发展边慢,到零度时,硬化不但停止,还可能因结冰膨胀导致混凝土强度降低或破坏。
(4)混凝土捣实与强度的关系:
浇灌混凝土时,必须充分捣实。
机械振捣,最宜于干硬性和低流动混凝土施工。
对流动性较大的混凝土拌合物,应致意掌握振捣时间,如其振捣时间过长,往往产生泌水或分层,使混凝土质量不均,强度降低。
(5)混凝土的配合比:
配合比设计,在于正确选择混凝土各组成材料的用量,以满足设计与施工要求。
目前,一般采用理论计算与试验相结合的简易方法。
在实际运用时,以最常见的建池材料为例,配制150克混凝土时,水、325号水泥、中砂、碎石的重量比一般为0.65:
1:
2.34:
4.53;配置50号混凝土时,水、石灰粉、325号水泥、砂、石的重量比一般为1:
1:
1:
3.76:
8.77。
6、砌筑砂浆砂浆由胶凝材料、细骨料和水调制而成。
砌筑沼气池砂浆常用水泥砂浆。
池盖部位由于施工的需要加少量的石灰膏。
(1)砂浆的性质:
砂浆的组成材料经充分拌合,在初凝前应具有良好的和易性,使其不仅在运输和施工过程中拌合物不易产生分层、析水现象,而且易于在砖、石或砌块面上铺成均匀的薄层,能与底面很好的粘结,既能保证工程质量,也能提高劳动生产率。
和易性不良的砂浆施工困难,强度、密实度和耐久性能都较差。
砂浆的和易性以流动性和保水性表示。
流动性;砂浆的流动性亦称稠度,是用标准圆锥体在砂浆内的沉入深度表示,以厘米为单位。
保水性:
保水性是指砂浆拌台后经过运输到使用,砂浆分层离析快慢的性质。
(2)砂浆的强度:
砂浆的强度以抗压极限强度为主要指标,即以每边长为7.07cm的立方体试块,在温度为20±3℃、相对湿度90%少;以上、室内不通风处养护28天后的平均抗压极限强度,定为砂浆的标号。
砌筑沼气所用砂浆的标号常用50、75两种。
当砂浆用于砖上时,砂浆中的水大部分被砖石所吸收,但砂浆具有一定的保水能力,当水泥用量不变时,即使用水量改变,最后砂浆中的水灰比仍基本不变,所以砂浆强度主要取决于水泥活性和水泥用量。
水泥用量、水泥标号和砂浆强度之间的关系见表3-2。
表3-2水泥用量、水泥标号和砂浆强度之关系表
Rc水泥标号Qc水泥
300320340360380400420440460480500
Rs砂浆
1001516171819202122232425
1101718202122232425262729
1201921222325262728303132
1302223252628293l32333536
1402426282931333436373941
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30081869297102108113119124130135注:
Qc-1m3砂浆中水泥用量(kg),Rs-一砂浆养护2
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