高性能混凝土技术论文

对现代混凝土的施工及应用技术的一些研讨

2011年海南省

专业技术人员继续教育培训班

题 目：专 业：姓 名：指 导：

（论文）

高性能混凝土技术及其可持续发展的探讨

施 工 管 理

陈 士 良

姜 博

日 期：2012年 1 月

对现代混凝土的施工及应用技术的一些研讨

[摘 要] 介绍了高性能混凝土的发展过程，阐明了高性能混凝土的特征，例举出我国关于高性能混凝土的施工技术，并对其发展趋势作出展望，指出要降低高性能混凝土的强度界限，重视提高其工作性、耐久性，加快向绿色高性能混凝土的转化。

[关 键 词] 高性能混凝土；可持续发展；强度；耐久性；技术途径；环境

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引 言

混凝土作为重要的建筑材料，经历了普通混凝土——高强度混凝土——高性能混凝土的发展过程。最初，混凝土技术的优劣是以强度作为主要依据的。特别是上世纪70年代末，由于减水剂和高活性混凝土掺合料的开发和应用，使高强混凝土的制备进入了一个新阶段，采用普通混凝土施工工艺，已能较容易配制出80～100 MPa的高强混凝土。但是，随着破坏造成的结构崩塌事故在各地接连发生，使人们意识到混凝土强度增加带来的脆性问题已影响到高强混凝土的使用安全。特别是诸如海洋、核电站、高层、大跨度建筑工程领域提出的各种苛刻的要求，迫使混凝土朝着高性能化方向发展。目前，混凝土的高性能化已引起各国土木建筑与材料工程界的高度重视。据预测，今后的100～200 a内，混凝土将成为最主要的工程结构材料，而高性能混凝土将占主导地位。

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1.1. 高性能混凝土的定义及特征

1990年5月，美国国家标准与技术研究院（NIST）与美国混凝土协会(CAI)召开会议，首次提出高性能混凝土（HPC）这个名词。对高性能混凝土至今国际上没有一个公认的定义，美国和加拿大的学者强调并侧重的是硬化后混凝土的性能，特别是耐久性；而日本学者则重视混凝土在新拌状态的高流动性与自密实性。综合各国学者的意见，高性能混凝土既然名之为“高性能”，就意味着能体现工程设计和施工所要求的综合的优异的技术特性。具体体现在：1、具有高抗渗性（高耐久性的关键性能）。2、具有高体积稳定性（低干缩、低徐变、低温度应变率和高弹性模量）。3、具有适当的高抗压强度。4、具有良好的施工性能（高流动性、高粘聚性、达到自密实）。

1.2. 高性能混凝土的研究现状与热点

长期以来，混凝土一直被认为是坚固耐久的材料，但实践证明普通混凝土并

不总是耐久的。许多国家当初修建的一些基础设施工程已进入老化期，其维修和更新不仅耗资巨大而且影响社会生产和生活秩序。以美国为例，美国1992年在这方面的维修费用已高达2580亿美元，为当年造价的4倍。因此，如何改善混凝土的耐久性和解决混凝土的脆性问题，配制出工作性能优良、使用寿命长于100a 甚至达到200～300a 的高性能混凝土，成为非常迫切的重要课题。

2.1.混凝土裂缝防治技术

（1） 主要技术内容

混凝土裂缝已成为混凝土工程质量通病，如何防治混凝土裂缝是工程技术人员迫切希望解决的技术难题。然而防治混凝土裂缝是一个系统工程，包括设计、材料、施工中每一个技术环节。本技术主要是叙述防治裂缝的一些关键技术，提高混凝土抗裂性能，从而达到防治混凝土裂缝的目的。本技术的主要内容包括：设计的构造措施、混凝土原材料（水泥、掺合料、细骨料、粗骨料）的选择、混凝土配合比对抗裂性能影响因数、抗裂混凝土配合比设计以及抗裂混凝土配合比优化设计方法以及施工中的一些技术措施等。 （2） 技术指标

对于如何评价混凝土原材料及混凝土抗裂性能，本技术提供了相应的试验方法和评价指标，使其具有可操作性。 （3） 适用范围

本技术是用于具有较高抗裂要求的混凝土结构的设计、原材料的选择、抗裂混凝土配合比的设计和施工以及混凝土抗裂性能的评价。 （4） 已应用的典型工程

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已在试点工程中应用，取得良好的效果。并给出具体的工程实例。

2.2.自密实混凝土技术

（1）主要技术内容

混凝土在自重的作用下，不采取任何密实成型措施，能充满整个模腔而不留下任何空隙的均质的混凝土称之为自密实混凝土。本技术提供的主要技术内容：对混凝土原材料的技术要求、自密实混凝土设计要点即流动性、充填性、抗离析性以及保塑性和自密实混凝土配合比设计等。

（2）试验方法及评价指标

本技术给出了相应的试验方法和评价指标，并给出如何在工地控制自密实混凝土拌合物性能的具体规定。

（3）使用范围

适用于难以用机械振捣的混凝土的浇筑。由于自密实混凝土细分含量较大，更应重视混凝土抗裂性能。在采取抗裂措施的情况下，自密实混凝土抗裂性能相对较差。不适用于连续墙、大面积楼板的浇筑。

（4）工程应用实例

本技术给出了自密实混凝土在深圳赛格广场钢管混凝土应用实例。从混凝土原材料的选择、混凝土配合比设计、混凝土拌合物验证性试验、现场模拟试验直至现场施工，叙述了自密实混凝土技术的全过程，并制订了《自密实混凝土质量标准》、《生产技术规程》和《施工技术规程》以确保自密实混凝土的施工质量。

2.3.混凝土耐久性技术

（1）主要技术内容

在以往的混凝土配合比设计中，主要考虑的是强度指标，对耐久性考量较少。高性能混凝土以高工作性、高强度、高耐久性为特征，区别于普通混凝土。对于海洋工程、喷洒化冰盐的公路与桥梁工程、盐渍池区的工程，由于氯盐侵入混凝土导致钢筋锈蚀，引起混凝土膨胀开裂，严重影响了建筑物使用寿命。提高其耐久性的最重要的技术措施就是采用高抗氯离子渗透性的高性能混凝土，从根本上提高混凝土本身的护筋性能。采用常规材料、常规工艺可以在常温下配制出抗氯离子渗透能力和抗冻融能力都较强的高性能混凝土。配制的关键在于选用与水泥相匹配的高效减水剂，在水胶比不大于0.35的条件下，是用粉煤灰、磨细矿渣粉、硅粉等矿物掺和料替代部分水泥作胶凝材料。这些磨细矿物掺和料在拌制的混凝土中发挥填充效应和火山灰反应，使混凝土变得更加致密，从而降低混凝土的渗透性。降低混凝土拌合物的用水量，采用低水胶比是提高混凝土耐久性的关键。

（2）技术指标

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抗氯盐污染高性能混凝土耐久性的检验应符合现行水运行业标准《水运工程混凝土质量控制标准》JTJ269的有关规定，且表征其氯离子渗透性的电通量不应大于1000库伦。我国行业标准《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》JTJ275-2000对海港工程混凝土结构要求的高性能混凝土提出了如下技术指标：

对混凝土原材料也提出了相应技术要求。减水性的减水率不低于20%。掺合料应选

用细度不小于4000cm2/g的磨细高炉矿渣、Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰和硅粉等。细骨料细度模数在2.6-3.2之间。粗骨料最大粒径不宜大于25mm。在进行配合比设计时应通过降低水胶比和调整掺和料的掺量使抗氯离子渗透性指标达到规定要求。混凝土搅拌应采用强制搅拌机，搅拌时间应比常规混凝土延长40S以上。混凝土抹面后，应立即覆盖。终凝后，混凝土顶面应立即开始持续潮湿护养，在常温下，至少养护15d。

（3）适用范围

适用于海洋工程、冬季撒除冰盐的公路与桥梁工程、盐渍地区和距离海洋较近的岸上建筑物等处于氯盐污染环境下的建构筑物。

（4）已应用的典型工程

该技术性价比较高，原材料容易获得，配制工艺简单。所以近几年来已经在南北方的各类港口和跨海大桥工程中应用。如上海洋山深水港工程、东海大桥、杭州湾大桥、盐水港集装箱码头、援巴基斯坦瓜达尔码头工程等。采用抗氯盐污染的高性能混凝土较普通混凝土的单价提高相当有限，但与其耐久性寿命成倍提高的效果相比，大大降低了建筑物的服务周期成本，经济效益和社会效益十分显著，应用前景十分广阔。

2.4.清水混凝土技术

清水混凝土是指结构混凝土硬化后不再对其表面进行任何装饰，以混凝土本色直接作为建筑物的外饰面。以清水混凝土作为装饰面，对美观、色差、表面起泡等方面都有很高要求，因此在混凝土配制、生产、施工、养护等方面都应采取相应的措施。

（1） 主要技术内容 ① 混凝土配制

混凝土应使用同一种原材料和相同的配合比，混凝土拌合物应具有良好的和易性、不离析、不沁水。矿物掺合料作为混凝土不可缺少的组分，在考虑掺合料活性的同时，充分利用各种掺合料的不同粒径，在混凝土内部形成紧密充填，增强混凝土的致密性，在外加剂方面应进一步重视解决外加剂和水泥的适应性，减少混凝土的沁水率，减少混凝土坍落度的经时损失。除了不同水胶比将导致硬化后混凝土颜色变化

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外，骨料对外观的影响也不可忽视，因此同一个视觉面的混凝土工程，应采用相同类型的骨料。

② 混凝土模板

为了使清水混凝土表面光滑无气泡，应根据不同强度等级混凝土选用不同材质的模板，而脱模剂除了起到脱模作用外，不应影响混凝土的外观。

③ 混凝土施工

混凝土浇注时，混凝土下料口与浇筑面之间距离不能过大，否则混凝土易离析，振捣时以混凝土表面出浆为宜，同时应避免漏振和过振。

④ 混凝土养护

混凝土的养护应确保混凝土表面不受污染，充分合理的养护是保证混凝土硬化后表面和内在质量的关键。

（2） 技术指标

① 混凝土表面无裂缝、无明显气泡、无明显色差、无明蜂窝麻面。 ② 混凝土表面平整、光滑，轴线、体型尺寸准确。 ③ 大截面、变截面结构线条规则，棱角分明。 ④ 梁柱接头通顺，无明确槎痕。 （3） 使用范围

清水混凝土以其古朴稳重、自然、清纯的质感为建筑物增添了独特的装饰效果。一般多用于市政、交通、水利、航空等工程，近年来在住宅建筑上也逐渐被采用。

（4） 已应用的典型工程

① 杨浦和南浦大桥主塔清水混凝土 ② 上海广播电视塔斜筒体清水混凝土 ③ 磁浮列车工程墩身部分清水混凝土 ④ 东方明珠电视塔

⑤ 浦东国际机场及首都国际机场新航站楼等。

2.5.超高泵送混凝土技术

超高泵程混凝土技术一般是指泵送高度超越200m的现代混凝土泵送技术。改革开放以来，高层超高层建筑已达数千座，超高泵程混凝土技术已成为超高层建筑施工技术不可缺少的一个方面，并且已成为一种发展趋势受到各国工程界的重视。

（1） 主要技术内容

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① 原材料品质

配制超高泵程混凝土，其原材料较一般泵送混凝土有很大的区别。作为最基本的胶结材料——水泥，除了用量以外，还应充分考虑水泥的流变性，即水泥与高性能减水剂的相容性问题，两者相容性好才可获得低用水量大流动性、且坍落度经时损失小的效果。对于细集料其品质除了应符合《普通混凝土用砂量标准及检验方法》

（JGJ52）外，对于不同强度等级的混凝土应选用不同细度模数的中砂。而掺合料作为高性能高泵程混凝土的重要组成材料更需从活性、颗粒组成、减水效果、水化热、泵送性能等诸方面加以平衡选择。作为外加剂，单一成分的外加剂已不能很好发挥其作用，而单纯以减水为目的外加剂也不能达到超高泵程的混凝土的使用目的，外加剂的多组份复合，以及针对具体工程配制特定要求的外加剂已成为外加剂生产厂家加强现场服务的重要方面。

② 混凝土配制

超高泵程混凝土的配制同时也要研究新拌混凝土的整体性、流动性与泵送性的互相关系。要研究混凝土泵送性的直接衡量指标。

③ 泵送设备

泵送混凝土离不开混凝土输送泵，因此高压力、大排量、耐磨损，适应性强的泵送设备也是必不可少的。此外泵送管道的设计，如何减小阻力，缩短路线也是泵送技术研究的一个方面。

（2） 技术指标

① 混凝土泵送高度>200m。 ② 硬化混凝土性能符合设计要求。

③ 混凝土扩展度>600m，倒锥法混凝土下落时间<20S （3） 适用范围

超高泵程混凝土适用于泵送高度大于200m的各种超高层建筑。

（4） 已应用的典型工程

① 金茂大厦。泵送高度382.5m，一次泵送174m3。

② 恒隆广场。泵送高度388m，主楼标准层每层1000多m3混凝土量。

2.6.改性沥青路面施工技术

（1）主要技术内容

① 在配合比设计方面：是用沥青混凝土配合比设计及图标制作计算机辅助系统，自动计算矿料配合比，生成并调整级配曲线图；自动绘制马歇尔试验各项指标与沥青用量的关系图，计算最佳沥青用量；提供砂筛分记录表和筛分曲线图。计算速度较人工提高20倍以上。

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② 施工技术及施工工艺方面：

A 面层各层结构应根据该层在使用中要求的性能与作用选择，路面三层均应选用骨架密实结构，不宜选用悬浮结构。

B 混合料最佳出料温度、摊铺温度、压实温度；改性沥青混合料在运输、摊铺、压实过程中的温度损失规律；有效防止在运输、摊铺、碾压过程中的温度损失的措施，最大限度地控制了摊铺、碾压成型过程中的温度差异造成的压实度不均匀性；混合料碾压设备的合适组合和碾压控制。

C 对于改性沥青SMA路面，改变传统的碾压工艺，采用增大压实功，使混合料在高温下成型，压实度高，石料不被压碎，玛蹄脂不上浮，表面构造深度达到标准高限要求。

（2）技术指标

①改性沥青混合料施工过程中工程质量控制标准

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③ 改性沥青施工温度控制对照表

适用于高等级公路、厂矿道路、机场跑道等热拌改性沥青路面单层、双层结构的铺筑施工。

（5） 已应用的典型工程

该技术已在河北石黄高速辛沧路面三合同（SAC 结构表面层），江苏连徐高速AB-24 标、汾灌高速OPQ23 标、汾灌高速OPQ21 标，徐宿高速21 标（改性沥青SMA 结构），浙江杭金高速8标（AK 抗滑结构），山西大运高速7 标，福建宁德高速B1 标（AC 结构），京珠高速湖北二合同（Superpave12.5 结构）等工程成功应用。从2000年起到2003年底，累计修改性沥青路面267.821km。这些工程都已完工，交工时均为优良工程，投入使用后，使用性能得到业主和社会认可，有良好社会信誉。 改性沥青路面施工技术是由中国路桥集团第一公路工程局研究开发的，是中国路桥集团重点资助的科技开发项目。

3.1.可持续发展高性能混凝土概念

（1）高性能混凝土的时代性、相对性

高性能混凝土（HPC），是指对混凝土的性能有着更高的使用要求。关于高性能混凝土研究与应用，是在近几年始于西方发达国家及日本。首次公开报道是在1981年，到了1990年才得到广泛关注，国内最早提到（HPC）是在1992年。由于生产建设的需要，大跨度结构的桥梁、高层钢筋混凝土结构楼房、海洋钻井平台、大型水利工

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程的堤坝、核反应堆及有毒废物处理用结构工程等，与一般的工业与民用建筑对混凝土的要求有所不同，除了在恶劣的工作环境下承受外部作用，耐久性能高外，还要求使用寿命达到几百年。形成高性能混凝土概念初期，不少西方学者认为就是高强度混凝土。因为高强度可以减少构件几何尺寸，减轻结构自重，从而使结构获得较大跨度和建筑高度。而混凝土的耐久性不像强度那样得到重视，一般认为不会有问题。日本学者则认为，混凝土的高性能，应该是包括方便混凝土工程施工在内及混凝土结构使用过程中的高性能。混凝土高空输送的可泵性、浇注成型过程中的免振捣和试用阶段的耐久性能等。

什么是高性能混凝土，赞同的观点如下：

高性能混凝土，首先应该是优良的工作性能。在工程施工中具有合适的流动性、可泵性，正常施工中满足混凝土成型的条件，保证混凝土构件的密实性、均匀性。减少振捣带来的公害及能源消耗。其次应是在获得较高强度的同时，而很少增加水泥的用量，使得在相同使用条件下，混凝土构件的尺寸较小。三是高耐久性，在长期荷载、疲劳荷载及腐蚀的条件下达到较长的预期寿命。再其次是满足特殊使用功能的需要。

事实上，混凝土的高性能，与混凝土技术发展密切相关。由于混凝土技术的发展随着所出经济、历史条件的不同而不同。因此，处于不同的历史时期，对混凝土的高性能要求也不一样。所谓高性能，是指在一定历史阶段与工程实际最相适应的可能实现的性能、是通过工程措施可以达到的某一性能指标。“凡具有人们所希望的但用传统材料或传统设计思想较难达到的性能的混凝土称为高性能混凝土（HPC）”，也就是说高性能具有明显的不同时代的相对性和同时代的相对性。

（2）混凝土材料发展带来的问题

资料表明，从公元前2世纪采用天然火山灰、石灰、碎石拌制天然混凝土开始，用于一般的民用建筑，到1824年，英国人JAspdin发明了波特兰水泥，即烧制硅酸盐水泥、1861年，法国花匠J.Manier发明了制造钢筋混凝土结构的方法，1867年出现钢筋混凝土结构构件，1940年开始采用了预应力混凝土技术，从此混凝土技术有了突飞猛进的发展，为建造高层建筑和大跨度桥梁提供了物质基础。这个时期的混凝土性能，大多以满足强度要求和如何获得较高强度的混凝土，作为科研和生产的主要工作目标。

进一步的研究成果表明，如今，尚且没有能够完全取代混凝土作为结构材料的其它材料，混凝土材料在今后50年内还将是应用最广、用量最大的建筑材料。目前，全世界水泥年产量达15亿吨以上，我国水泥年产量达5.1亿吨，占世界产量的三分之一。

由水泥作为主要胶凝材料的混凝土，其特殊的性能及施工工艺的简单易行，已成为现代工程建设、影响人们生活方式的主要建筑材料。然而，工业技术的发展源于它的发展基础、且由于同时存在着它自身发展过程的缺欠，存在着人们认识能力的原因等，使得混凝土材料在给我们带来现代文明的同时，也造成许多问题。如资源的无节制的消耗和生产带来的环境污染问题。不能不引起各方面的极大关注和重视。 混凝土结构的耐久性能与其工作环境有关，工程实践表明，在长期环境因素作用下，混凝土构件远低于设计寿命，这不仅是原设计理论估计的不足，也反映了环境变化的复杂性。因此，混凝土构建过早的出现裂缝甚至倒塌。混凝土耐久性达不到要

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求，要花费大量财力用于工程维修和重建，如在美国，今后混凝土工程维修和重建费用高达3000亿美元。配制新的混凝土和拆除建筑废弃的混凝土，都将增加能源消耗和环境负担。仅美国每年大约有6000万吨废弃混凝土，日本每年约有1600万吨废弃混凝土，我国的情况也未必乐观。可见废旧建筑材料的数量之大，令人惊叹。 综上所述，发展高性能混凝土，必须综合评价和协调混凝土对原材料、土地、水和劳动力等资源消耗、能源消耗和环境付出的代价与经济社会效益和人类生存的长远利益，走可持续发展道路。

笔者认为，高性能混凝土，其意义不单单是对产品自身的性能要求，还包括了产品对环境功能的影响、生产过程的资源消耗和环境约束，这就是在现代人类文明意义下，高性能混凝土概念的深刻内涵之所在，可持续发展为高性能混凝土赋予了更科学、更丰富的内容。

3.2.问题的解析

可持续发展是人类社会发展中的重要认识成果，其本质是努力应用科学的、技术的和经济的知识，去消除由于无节制的技术发展所造成的负面影响。可持续发展的主要方面是通过保护和不必要的消耗来更有效地利用资源，控制使用资源，使其可达到良性循环，或利用消耗材料的数量达到最小限度。因此，高性能混凝土材料的可持续发展，其出路在于应用现代混凝土的科学技术来增加混凝土的使用寿命，同时提高材料和构件的耐久性，尽量减少造成修补或拆除的浪费，尽可能的利用工业副产品和废弃物，尽量减少自然资源和能源消耗，减少对环境的污染。

可见，高性能混凝土技术的核心，是在获得混凝土高性能的同时，必须坚持其可持续发展的发展原则，无论是科研还是生产都必须遵守这一原则。如何求得高性能混凝土技术的科学发展，保持其旺盛的生命力，使我们科研工作者要回答的问题。 首先，保持和加强环境系统的生产和更新能力才有可能可持续发展。发展高性能混凝土必然要消耗一定的资源，包括原材料如水、矿藏和能源，尽管有些资源是不可再生的，但是应该能够通过技术研究，提高混凝土的使用性能，使其重复再消耗的周期延长，即使是消耗也应该在人类能够接受的水平以内。我们不奢望完全不消耗，这也不是可持续发展的本意。但是有了这样一个原则，至少对人类的未来展示了较乐观的前景。

其次，人们只能在生存于不超出维持生态涵容能力的情况下改善自身的生活品质。如果不改造粗放型的水泥生产企业，不改造混凝土的传统生产工艺，那么高性能混凝土技术的发展，必将带来它的负面效应，严重的资源浪费和环境的破坏，终有一天会出现超出维持生态涵容能力的情况，这将严重的危害人类的生存！教训是深刻的。

再次，“在保持自然资源的质量及其所提供服务的前提下，使经济发展的净利益增加到最大限度。今天的经济发展，不是传统意义上的以牺牲资源和环境为代价的经济发展，而是不降低环境质量和不破坏自然资源基础的经济发展。”也就是，如果说历史上混凝土的发展是简单的求得保证使用性能“能够”的话，那么高性能混凝土则是要求得某一使用方面的“最佳”，这是一个系统优化，是包含着整个生产过程及其产品本身性能的“最佳”。

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最后，“可持续发展就是转向更清洁更高效的技术——尽可能的做到‘零排放’或‘密闭式’的工艺方法。”也就是说高性能混凝土是绿色高性能混凝土。它应满足（1）混凝土所用的水泥应该是绿色水泥。即是指生产水泥的企业是绿色型的企业。（2）最大限度的节约水泥，减少水泥生产中的废气、粉尘的污染排放。（3）更多的掺入工业废料，节约水泥，改善环境、保护环境。（4）改善混凝土施工手段，建立混凝土集中搅拌站，发展商品混凝土，减少由于施工带来的机械噪声和环境污染。（5）对大量废旧混凝土采取回收利用措施，最大限度的处理废旧建筑材料。

4.结 语

（1）高性能混凝土，其性能与所处时代的发展相适应，又随着社会生产、生活的发展需要而发展，它有着鲜明的时代特征，即不能超越现实的可能，又必须按照时代的需要而发展。（2）高性能可持续性发展，是人们使生产和生活更加科学化为我们工作提出了一个行为准则。（3）混凝土的高性能不仅是产品自身的高性能，还包括生产的全过程。实现高性能必须有高性能的生产保证。可持续发展的要求要保护资源和环境，这不仅是要求产品自身、同时也要求生产的全过程都需要面临资源消耗和环境保护的问题，这是一个全行业的系列化问题，也就是关于绿色高性能混凝土的研究、生产与应用。如果说现实的高性能混凝土的自身发展尚存在问题的话，那就是它必须受到可持续发展大前提的约束。

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参考文献：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fndm.html