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?？喜牧侠w維水泥實(shí)驗(yàn)室 林震 張沂
摘要：上個(gè)世紀(jì)80年代以來(lái)，石棉被越來(lái)越多的國(guó)家禁止使用，越來(lái)越多的國(guó)家從石棉水泥制品的生產(chǎn)和使用逐步轉(zhuǎn)向了非石棉纖維水泥制品。在歐洲及日本，很多企業(yè)使用木漿纖維及硅微粉來(lái)生產(chǎn)無(wú)石棉纖維水泥制品。實(shí)踐表明，硅微粉是一種對(duì)于改善纖維水泥制品的生產(chǎn)和性能非常有效的輔助材料。多年以來(lái)，挪威埃肯材料公司的纖維水泥部門(mén)一直與很多企業(yè)密切合作，尤其是在硅微粉應(yīng)用于纖維水泥制品方面積累了豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。本文對(duì)于纖維水泥工業(yè)的產(chǎn)業(yè)變革及發(fā)展方向作了簡(jiǎn)單的介紹，同時(shí)對(duì)于埃肯材料及其在纖維水泥制品當(dāng)中的作用也作了介紹。
.關(guān)鍵詞：纖維水泥，非石棉，?？喜牧希栉⒎?。
1. 非石棉纖維水泥制品的發(fā)展
上世紀(jì)80年代初以來(lái)，石棉有害人體健康的問(wèn)題受到高度重視，國(guó)際上一直致力于研發(fā)和推廣非石棉纖維水泥制品。目前絕大多數(shù)歐盟國(guó)家、以及美國(guó)、日本與澳大利亞等國(guó)己經(jīng)禁止生產(chǎn)和使用石棉水泥制品，取而代之的是非石棉纖維水泥制品。一些發(fā)展中國(guó)家如中國(guó)、巴西等也在積極從事非石棉纖維水泥制品的研發(fā)與應(yīng)用推廣，特別是近年來(lái)東南亞地區(qū)的越南、泰國(guó)等國(guó)家的纖維水泥制品的發(fā)展更為活躍。韓國(guó)也在積極從中國(guó)尋找能夠生產(chǎn)出口非石棉纖維水泥制品的企業(yè)與伙伴。國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的企業(yè)也逐步從石棉水泥制品轉(zhuǎn)向非石棉纖維水泥制品，其中一些企業(yè)已經(jīng)在大量生產(chǎn)和出口非石棉纖維水泥產(chǎn)品。
下表中列出了一些國(guó)家禁用石棉的時(shí)間[1]。
丹麥 (Danmark) 1986
瑞典 (Swdeen) 1986
奧地利 (Austria) 1990
荷蘭 (Netherlands) 1991
意大利 (Italy) 1992
德國(guó) (Germany) 1993
法國(guó) (France) 1996
比利時(shí) (Belgium) 1998
英國(guó) (England) 1999
愛(ài)爾蘭 (Ireland) 2000
盧森堡 (Luxemburg) 2002
西班牙 (Spain) 2004
越南 (Vietnam) 2004
韓國(guó) (Korea) 2005
日本 (Japan) 2005
目前關(guān)于石棉的安全使用問(wèn)題在國(guó)內(nèi)仍然有不同的觀(guān)點(diǎn)，但綜觀(guān)國(guó)際上的發(fā)展趨勢(shì)，從石棉水泥制品 終走向非石棉纖維水泥制品的方向已不可逆轉(zhuǎn)。關(guān)于禁用石棉的國(guó)家信息，可以參考以下網(wǎng)站：（http://www.btinternet.com/~ibas/Frames/f_asbestos_ban_list.htm）。
在從石棉水泥轉(zhuǎn)向非石棉纖維水泥制品的發(fā)展轉(zhuǎn)型過(guò)程中，挪威?？喜牧瞎竞茉缇团c歐洲主要的纖維水泥企業(yè)進(jìn)行合作。在研究采用木漿纖維及維綸纖維作為主要增強(qiáng)纖維的抄取法生產(chǎn)工藝中，?？瞎栉⒎凼?普遍被采用的輔助材料之一。
2. 纖維水泥生產(chǎn)工藝技術(shù)
1890年左右，奧地利人Ludwig Hatschek從造紙技術(shù)獲得啟發(fā)，萌生了將水泥和石棉纖維混合在一起制造石棉水泥制品的想法。Hatschek在1893年從英格蘭購(gòu)買(mǎi)了石棉松解機(jī)，安裝在了位于奧地利的Lend-Gastein的工廠(chǎng)，并于1898年開(kāi)始生產(chǎn)石棉水泥制品。直至1900年，首個(gè)關(guān)于石棉水泥制品的專(zhuān)利在奧地利誕生，專(zhuān)利中所用的商品名稱(chēng)就是今天大家熟知的“Eternit”。
上世紀(jì)70年代，澳大利亞的James Hardie公司首次在抄取法（Hatschek）生產(chǎn)線(xiàn)上采用以纖維素纖維（木漿纖維）為基礎(chǔ)生產(chǎn)非石棉纖維水泥制品，從此開(kāi)始了非石棉纖維水泥的發(fā)展。
2.1 非石棉纖維水泥制品的成型工藝
根據(jù)制造工藝的特點(diǎn)，非石棉纖維水泥制品的生產(chǎn)可以分為以下幾種[2]：
(1) 抄取法生產(chǎn)工藝（Hatschek process）
以原先生產(chǎn)石棉水泥制品的濕法工藝為基礎(chǔ)，加以改造用來(lái)生產(chǎn)非石棉纖維水泥制品。抄取法目前仍然是國(guó)際上用得 多的工藝。
(2) 流漿法（flow-on process）
采取這一技術(shù)路線(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)在于可降低投資費(fèi)用。在中國(guó)的廣東地區(qū)有些企業(yè)采用該方法生產(chǎn)非石棉纖維水泥制品。
(3) 擠出法（Extruding process）
以原先生產(chǎn)某些石棉水泥制品的擠出法工藝（extrusion process）為基礎(chǔ)，進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)而形成的。該生產(chǎn)方法在拌合料中摻有高分子增塑劑，以滿(mǎn)足拌合料擠出成型時(shí)的可塑性要求。而此種增塑劑在原材料成本中占很高的份額，目前在國(guó)際上只有少數(shù)企業(yè)采用此法制造非石棉纖維水泥制品。在國(guó)內(nèi)，北新建材目前也采用此種工藝生產(chǎn)纖維水泥制品。
(4) 噴射法 （spray process）：
該方法目前為止僅限于制造玻璃纖維增強(qiáng)水泥（GRC）制品。
(5) 干法/半干法 （Dry process and Semi-dry process）
此種方法為日本某企業(yè)獨(dú)創(chuàng)，目前國(guó)際上只有該企業(yè)采用此種工藝。其工藝特點(diǎn)是，所用水泥、纖維及其它摻和料等原材料采用干混或在很少水量的情況下進(jìn)行攪拌，然后采用壓力成型的方法生產(chǎn)產(chǎn)品，整個(gè)過(guò)程中的用水量以水泥水化所需要的理論水量為基礎(chǔ)，用水量很少，故筆者稱(chēng)為干法或半干法生產(chǎn)。該法生產(chǎn)的產(chǎn)品性能質(zhì)量高，在日本有很高的市場(chǎng)份額。
2.2 非石棉纖維水泥制品的養(yǎng)護(hù)工藝
根據(jù)養(yǎng)護(hù)方法的不同，纖維水泥制品的生產(chǎn)可以分為以下幾種：
(1) 常溫養(yǎng)護(hù)（air-cure）
主要用于以木漿纖維（纖維素纖維）取代石棉纖維，再輔以合成纖維，如維綸纖維（PVA）作為增強(qiáng)纖維的制品。水泥基材由普通波特蘭水泥與某些礦物摻合料所組成。制品成型后經(jīng)常溫養(yǎng)護(hù)。主要產(chǎn)品為非石棉水泥波瓦與屋面板。
(2) 壓蒸養(yǎng)護(hù)（autoclaving）
壓蒸養(yǎng)護(hù)適用于以較高摻量、經(jīng)適度打漿的木漿纖維作增強(qiáng)材，用普通波特蘭水泥或石灰與磨細(xì)石英砂等組成基材的纖維水泥制品。主要生產(chǎn)隔墻板、外墻掛板與天花板等。此種產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)及臺(tái)灣地區(qū)又被稱(chēng)為硅鈣板。
無(wú)論是生產(chǎn)常溫養(yǎng)護(hù)制品還是壓蒸養(yǎng)護(hù)制品，目前在國(guó)際上 為廣泛使用的仍然是抄取法（Hatschek process）生產(chǎn)工藝。抄取法的主要優(yōu)勢(shì)是料漿均勻性好，易于控制，產(chǎn)品質(zhì)量較高也較穩(wěn)定。
3. 非石棉纖維水泥制品的原材料選擇
在從石棉水泥制品向非石棉纖維水泥制品轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，許多代用纖維和礦物填料都被用于試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多年嘗試，逐步形成穩(wěn)定的非石棉纖維水泥生產(chǎn)技術(shù)路線(xiàn)。表1描繪出了發(fā)展歷程中所試驗(yàn)過(guò)的一些原材料以及目前被企業(yè)普遍采用的的原材料。
表1 纖維水泥制品發(fā)展歷程
在 初的生產(chǎn)階段，為了沿用石棉制品的使用習(xí)慣，非石棉纖維水泥制品仍然被生產(chǎn)成與石棉水泥制品相似的產(chǎn)品。如圖2中所示，無(wú)論從外觀(guān)還是顏色上， 初的非石棉纖維水泥制品都與傳統(tǒng)的石棉水泥制品沒(méi)有什么區(qū)別，應(yīng)用領(lǐng)域也仍然存在于傳統(tǒng)的石棉水泥制品的應(yīng)用領(lǐng)域，如糧倉(cāng)，工業(yè)廠(chǎng)房的屋面材料、簡(jiǎn)易工棚等。
隨著技術(shù)進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，纖維水泥制品邁向了更高檔次和高附加值的市場(chǎng)領(lǐng)域。如今的纖維水泥制品已經(jīng)被應(yīng)用于在各級(jí)商業(yè)建筑及民用住宅中。在歐美及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，纖維水泥制品已不僅僅作為簡(jiǎn)單的屋面材料，同時(shí)也被賦予了更多的裝飾效果被用于住宅當(dāng)中，如可以仿木紋裝飾效果及彩色制品等（圖2，圖3）。在Dansk Eternit等一流的纖維水泥企業(yè)的產(chǎn)品中，纖維水泥制品的規(guī)格及花色已經(jīng)達(dá)到數(shù)百種之多。
4. 硅微粉在纖維水泥制品當(dāng)中的應(yīng)用
硅微粉是一種灰色的球狀顆粒粉末?；绢w粒形狀是球狀，平均粒徑0.15μm。圖4表示的是硅微粉在透射電子顯微鏡（TEM）下的堆積狀態(tài)，以及典型的XRD特征圖譜和顆粒尺寸分布特征（PSD分析結(jié)果）。
硅微粉對(duì)于提高和改善非石棉纖維水泥制品的性能有很好的作用，這主要源于硅微粉的兩個(gè)突出的作用[3，4]。一是高火山灰活性，即與水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2 發(fā)生反應(yīng)生成更多的水化硅酸鈣凝膠，導(dǎo)致強(qiáng)度增加。另外是優(yōu)異的填充性能，因?yàn)楣栉⒎垲w粒的粒徑非常小，平均粒徑為0.15μm, 相對(duì)于水泥顆粒來(lái)講非常細(xì)小。據(jù)研究資料，如果摻加10%的硅微粉，每顆水泥顆粒周?chē)鷮⒂薪?/span>100,000顆硅微粉顆粒 [1]。 圖 5所示的是一個(gè)簡(jiǎn)單解釋硅微粉在纖維水泥制品當(dāng)中的作用機(jī)理示意圖。當(dāng)摻有硅微粉時(shí)，在硅微粉分散良好的情況下，纖維與水泥基材之間的握裹力得到明顯的改善。從而 終制品的纖維增強(qiáng)效果得到顯著提高。同時(shí)，由于硅微粉的摻入，制品會(huì)變得更為致密，孔結(jié)構(gòu)也會(huì)向小孔增加的致密化方向發(fā)展[5]。硅微粉分散效果的好壞對(duì)于 終的貢獻(xiàn)效果有顯著的影響。對(duì)于分散性的影響，?？喜牧侠w維水泥實(shí)驗(yàn)室在美國(guó) 8屆“國(guó)際纖維增強(qiáng)無(wú)機(jī)復(fù)合材料會(huì)議”上發(fā)表的文章作了詳細(xì)論述 [6]。
5. 部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果及生產(chǎn)實(shí)例：
5.1 部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖6所示為摻有5%硅微粉及其他對(duì)比試樣的抗折強(qiáng)度。（MS：硅微粉。MK：偏高嶺土。RHA：稻殼灰。FA：粉煤灰。DMt：硅藻土。LM：石灰石粉）
由圖6中可以看到，摻5%硅微粉的E2樣品具有 高的抗折強(qiáng)度，與不摻任何填料的參比樣品E0相比，抗折強(qiáng)度從9.32MPa增加到了12.37MPa, 增加了近 3MPa。每1%的硅微粉帶來(lái)了近 0.6MPa的增強(qiáng)貢獻(xiàn)。
圖7所示為分別摻有采用不同輔助填料的抗凍融及抗?jié)駸嵩囼?yàn)的結(jié)果。
凍融試驗(yàn)條件：+20℃à -20℃à+20℃à-20℃…….，每4小時(shí)一循環(huán)。
濕熱養(yǎng)護(hù)條件：室溫下噴淋樣品 20分鐘，升溫至 60℃，然后保溫330分鐘（含升溫時(shí)間），然后自然冷卻10分鐘，重復(fù)該循環(huán)。每循環(huán)需時(shí)間6小時(shí)。
從圖7可以看出，經(jīng)過(guò)132次的凍融循環(huán)后，不摻有任何輔助填料的樣品E7，與凍融前相比，其強(qiáng)度保留率為89%。而摻有7% 硅微粉的樣品E8，其強(qiáng)度并沒(méi)有下降；摻有7% 偏高嶺土的樣品E9，與凍融前相比，其強(qiáng)度保留率為65%；摻有10%石灰石粉的樣品E10，與凍融前相比，其強(qiáng)度保留率為86%。
經(jīng)過(guò)60次的濕熱循環(huán)后，不摻有任何輔助填料的樣品E7，與濕熱循環(huán)養(yǎng)護(hù)前相比，其強(qiáng)度保留率為71%。而摻有7% 硅微粉的樣品E8，其強(qiáng)度保留率為89%；摻有7% 偏高領(lǐng)土的樣品E9，其強(qiáng)度保留率為60%；摻有10% 偏石灰石粉的樣品E10，其強(qiáng)度保留率為74%。
從以上的結(jié)果表明，硅微粉對(duì)于提高制品的抗凍融及抗?jié)駸嵝阅苡兄苊黠@的改善作用。
5.2 生產(chǎn)案例:
基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以表明硅微粉對(duì)于提高無(wú)石棉纖維水泥制品的強(qiáng)度及耐久性能有明顯作用。另外，在抄取法（Hatschek）生產(chǎn)工藝當(dāng)中，硅微粉也有助于改善小料層之間的層間結(jié)合力，從而改善料胚的分層現(xiàn)象。以下所示的案例是東南亞某廠(chǎng)利用硅微粉進(jìn)行無(wú)石棉纖維水泥制品試生產(chǎn)的一個(gè)例子。該廠(chǎng)原來(lái)是一家石棉水泥瓦生產(chǎn)企業(yè)，鑒于國(guó)際形勢(shì)的變化，他們希望將來(lái)能夠生產(chǎn)無(wú)石棉纖維水泥制品。通過(guò)與?？喜牧瞎镜暮献?，5%的硅微粉被用于生產(chǎn)配方當(dāng)中。作為對(duì)比試驗(yàn)，同時(shí)也生產(chǎn)了摻加5%偏高嶺土的樣品。表2中列出了這兩種制品的物理性能測(cè)試結(jié)果。
表 2 摻硅微粉與摻偏高嶺土的產(chǎn)品性能對(duì)比
性能 EX1(5% metakaolin) EX2(5% Elkem Microsilica＠)
尺寸(mm)-長(zhǎng)度-寬度-厚度 1,5729206.2 1,5159195
抗彎強(qiáng)度 (N/m) 3,709 3,822
不透水性 >24hours >24hours
根據(jù)當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)，這兩種制品的性能均達(dá)到了當(dāng)?shù)匾罂拐蹚?qiáng)度>3000N/m的標(biāo)準(zhǔn)。從表2中的結(jié)果可以看出，含有5%硅微粉的制品EX2具有更高的抗折強(qiáng)度；同時(shí)制品的厚度更薄。
同時(shí)，對(duì)這兩種制品也做了抗凍融性能的測(cè)試。樣品取自于生產(chǎn)線(xiàn)上成波之前的平板樣品。該平板制品在戶(hù)外自然養(yǎng)護(hù)28天后，被切成適合于凍融試驗(yàn)用的小樣品。然后根據(jù)前文所述的實(shí)驗(yàn)方法在?？侠w維水泥實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了抗凍融試驗(yàn)，凍融循環(huán)次數(shù)為150次?？拐蹚?qiáng)度結(jié)果如表3所示，樣品外觀(guān)如圖8及圖9所示。
表 3 摻硅微粉與摻偏高嶺土的產(chǎn)品抗凍融性能對(duì)比
Sample ID 抗折強(qiáng)度MOR (MPa)
凍融前（before Freeze-thaw test） 150凍融循環(huán)后（150 Freeze-thaw cycles） 強(qiáng)度保留率（Reservation ）
EX1 10.75 Delamination -
EX2 15.54 7.90 51%
從圖8中可以看到，摻有5%偏高嶺土的樣品EX1，在經(jīng)過(guò)150次凍融循環(huán)后，已經(jīng)明顯分層，無(wú)法再進(jìn)行抗折強(qiáng)度的測(cè)試。而摻有5%埃肯硅微粉的EX2樣品并無(wú)明顯破壞的跡象，仍然有51% 的強(qiáng)度保留率（表3）。
基于以上的結(jié)果，對(duì)于硅微粉在非石棉纖維水泥制品當(dāng)中的作用，我們可以得出以下結(jié)論：
（1）對(duì)于非石棉纖維水泥制品生產(chǎn)，硅微粉是一種非常有效的輔助添加材料；.
（2）硅微粉可以顯著提高無(wú)石棉纖維水泥制品的 終強(qiáng)度以及抗凍融和抗?jié)駸嵝阅埽?/span>
（3）硅微粉可以有效改善抄取法生產(chǎn)無(wú)石棉纖維水泥制品中的分層問(wèn)題。
6. 我國(guó)纖維水泥制品的發(fā)展
我國(guó)纖維水泥制品工業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，產(chǎn)品種類(lèi)及檔次還有較大的差距。尤其是波瓦制品仍然是以石棉水泥制品為主，應(yīng)用也僅限于簡(jiǎn)單的工棚及農(nóng)村畜棚等低端市場(chǎng)。平板制品的形勢(shì)也比較單一。另外，普遍采用的抄取法生產(chǎn)工藝裝備水平也較低，單條生產(chǎn)線(xiàn)的年生產(chǎn)能力一般只有3~4百萬(wàn)平方米，甚至更低。皮帶速度一般在60~70米/分鐘；而在發(fā)達(dá)國(guó)家則超過(guò)100米/分鐘，單條生產(chǎn)線(xiàn)的年生產(chǎn)能力均在數(shù)百萬(wàn)到一千萬(wàn)平方米。
可喜的是，近年來(lái)我國(guó)纖維水泥的發(fā)展非常迅速。不斷有企業(yè)成功地從石棉水泥制品轉(zhuǎn)向了非石棉纖維水泥制品，盡管產(chǎn)能不高，但產(chǎn)品的定位都逐步轉(zhuǎn)向了出口市場(chǎng)。同時(shí)也有個(gè)別的大型企業(yè)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。如在中國(guó)浙江新投資建設(shè)的兩條非石棉纖維水泥板生產(chǎn)線(xiàn)，采用是抄取法生產(chǎn)工藝，引進(jìn)了高度自動(dòng)化控制水平的德國(guó)裝備，單條生產(chǎn)線(xiàn)的設(shè)計(jì)產(chǎn)能均達(dá)到每年1千萬(wàn)平方米，現(xiàn)在已進(jìn)入正常生產(chǎn)階段。北新建材等一批國(guó)內(nèi)一流企業(yè)，其纖維水泥產(chǎn)品的質(zhì)量及規(guī)模也都達(dá)到了較高的水平。而且，一些國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)于產(chǎn)品的深加工，如表面軋花及著色等提高產(chǎn)品檔次及設(shè)計(jì)品質(zhì)的需求也越來(lái)越多。2006年以來(lái)，國(guó)外擁有該技術(shù)裝備的公司與國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)進(jìn)行了技術(shù)交流。
7. 纖維水泥制品的國(guó)際交流平臺(tái)
關(guān)于纖維水泥制品，在國(guó)際上并無(wú)一個(gè)專(zhuān)門(mén)致力于纖維水泥制品工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)交流工作的組織或機(jī)構(gòu)。纖維水泥制品一般都被包含于混凝土制品或是其他水泥基材料制品當(dāng)中。1988年由美國(guó)愛(ài)達(dá)荷大學(xué)（University of Idaho）的Al Moslemi教授發(fā)起、每二年召開(kāi)一次的“國(guó)際纖維增強(qiáng)無(wú)機(jī)復(fù)合材料會(huì)議” (International Inorganic-Bonded Fiber Composites Conference，縮寫(xiě)IIBCC) ，旨在建立一個(gè)國(guó)際交流平臺(tái)，對(duì)各種纖維增強(qiáng)無(wú)機(jī)復(fù)合材料（包括纖維水泥制品、纖維石膏制品、纖維陶瓷制品等）的研發(fā)、制造、應(yīng)用以及市場(chǎng)開(kāi)拓進(jìn)行學(xué)術(shù)探討和技術(shù)交流。自 一屆會(huì)議以來(lái)，每屆均有不少制造商、銷(xiāo)售商、原材料供應(yīng)商以及用戶(hù)參加。該會(huì)議比較側(cè)重于纖維水泥制品的新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝以及市場(chǎng)進(jìn)展的討論，已經(jīng)成為纖維水泥制品工業(yè)的一個(gè)重要國(guó)際交流平臺(tái)（http://www.iibcc.org/）。
2006年11月，我國(guó)首次有代表參加了在巴西圣保羅舉辦的 十屆“國(guó)際纖維增強(qiáng)無(wú)機(jī)復(fù)合材料會(huì)議”，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院的代表在會(huì)議上介紹了中國(guó)纖維水泥制品工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r。中國(guó)建材院的沈榮熹教授與筆者對(duì) 十屆國(guó)際會(huì)議撰寫(xiě)了介紹文章[2]。中國(guó)準(zhǔn)備組團(tuán)參加2008年在西班牙馬德里舉辦的 11屆會(huì)議，并期望將來(lái)能在中國(guó)舉辦該會(huì)議。
伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)的持續(xù)高速發(fā)展，中國(guó)工業(yè)在世界工業(yè)舞臺(tái)上扮演著越來(lái)越重要的角色。可以預(yù)見(jiàn)，中國(guó)纖維水泥制品工業(yè)也必將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。
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[7] Internal report, Elkem AS Materials Fibre cement Lab
[作者簡(jiǎn)介] 林 震（1972-），男，碩士，挪威埃肯材料纖維水泥實(shí)驗(yàn)室主管。長(zhǎng)期從事水泥基材料科學(xué)研究等工作。
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