那些因素在影響砂石企業(yè)盈利？楊安民的這篇論文有啟發(fā)！

發(fā)布日期：2023-11-29   瀏覽次數(shù)： 135 次

那些因素在影響砂石企業(yè)盈利？楊安民的這篇論文有啟發(fā)！

編者按：中國砂石協(xié)會(huì)定于2023年12月5日—7日，在中國上海召開第八屆中國國際砂石骨料大會(huì)（點(diǎn)擊了解）。本次大會(huì)在砂石行業(yè)內(nèi)廣泛征集了學(xué)術(shù)論文，今日，中國砂石協(xié)會(huì)融媒體中心推出楊安民、李彬、熊浩撰寫的《砂石骨料在混凝土中的研究進(jìn)展》一文，以饗讀者。本文詳細(xì)介紹了人工機(jī)制砂代替天然砂石骨料制備環(huán)?；炷恋淖钚卵芯砍晒?，并從和易性、力學(xué)性能、耐久性和微觀結(jié)構(gòu)性能對(duì)環(huán)?；炷恋男阅苓M(jìn)行了闡述。本文還對(duì)砂石礦山的區(qū)域位置、產(chǎn)品的品質(zhì)及生產(chǎn)線的工藝等對(duì)企業(yè)盈利的影響進(jìn)行了探討。砂石骨料在混凝土中的研究進(jìn)展楊安民1，李彬2，熊浩2（1. 上海山美環(huán)保裝備股份有限公司，上海，201414 2.洛陽理工學(xué)院，洛陽 471023）

【摘要】河砂是用于制造混凝土和砂漿的細(xì)骨料的重要材料之一。由于河沙開采變得越來越困難，建筑行業(yè)砂石骨料的需求不斷增加。為滿足日益增長的需求和保護(hù)環(huán)境需要，在混凝土中使用機(jī)制砂代替細(xì)骨料將是一種十分有前景的方法。固體廢物經(jīng)粉碎后可以有效地替代混凝土中的天然砂石骨料。本文主要綜述了利用人工機(jī)制砂代替天然砂石骨料制造各種等級(jí)環(huán)?；炷恋南嚓P(guān)文獻(xiàn)，并從和易性、力學(xué)性能、耐久性和微觀結(jié)構(gòu)性能等方面報(bào)道了不同的環(huán)保混凝土的性能。這將很好地讓廣大讀者了解近期科研人員在混凝土中使用機(jī)制砂和再生骨料的相關(guān)研究工作。【關(guān)鍵詞】砂石骨料；再生骨料；固廢利用；混凝土

Research on the application of sand and stone aggregate in concrete

Yang Anmin1, Li Bin2, Xiong Hao2

(1. Shanghai Sanme Mining Machinery Corp., Ltd., Shanghai, 201414

2.Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023)

Abstract: River sand is one of the important materials used in the manufacture of fine aggregates for concrete and mortar. As river sand mining becomes more and more difficult, the demand for sand aggregate in the construction industry is increasing. In order to meet the growing demand and protect the environment, the use of manufactured sand instead of fine aggregate in concrete will be a very promising method. After grinding, solid waste can effectively replace natural sand and stone aggregate in concrete. This paper mainly reviews the relevant literature on the use of artificial sand instead of natural sand aggregate to produce various grades of environmentally friendly concrete, and reports the performance of different environmentally friendly concrete in terms of workability, mechanical properties, durability and microstructure properties. This paper will be a good way to inform readers of recent research on the use of manufactured sands and recycled aggregates in concrete.

Keywords: Sand and stone aggregate; Renewable aggregate; Utilization of solid waste; Concrete

1.引言砂石骨料是混凝土的重要組成部分，約占混凝土體積分?jǐn)?shù)的60%以上，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)工程建設(shè)中。隨著天然砂石的大量開采，河道里的沙石資源變得越來越少，而且開采成本也較高。因此，基于建筑固體廢棄物粉碎制備可再生砂石骨料用于混凝土的研究具有重要意義。本文結(jié)合近幾年砂石骨料在混凝土中的應(yīng)用情況，總結(jié)一些相關(guān)科研工作者的研究成果。將建筑垃圾、廢尾礦等固體廢物粉碎后得到的可再生砂石骨料在混凝土中的利用進(jìn)行歸納和總結(jié)。

2. 混凝土骨料發(fā)展現(xiàn)狀砂石骨料是第二大天然消耗材料。2019年全球的砂石骨料總產(chǎn)量約為500億噸，其中中國的砂石骨料約有200億噸，占全球總產(chǎn)量的進(jìn)一半。印度的砂石骨料總產(chǎn)量約為50億噸，排名第二。美國砂石骨料總產(chǎn)量約為25億噸，同比增長近5%，總產(chǎn)量排名世界第三[1]。2020年中國混凝土行業(yè)上半年產(chǎn)量約為12億立方米，前九個(gè)月的累積總產(chǎn)量約為20億立方米，全國混凝土總產(chǎn)量與2019年持平[2]。但是目前房地產(chǎn)不景氣，基建投資不如預(yù)期，混凝土企業(yè)開工率不足50%，部分區(qū)域甚至不足30%，市場競爭逐漸進(jìn)入白熱化。與此同時(shí)，大型水泥、建材、城投企業(yè)紛紛踏足砂石產(chǎn)業(yè)，砂石產(chǎn)能集中度不斷提高，眾多大型綠色砂石礦山項(xiàng)目相繼落地。面對(duì)砂石市場供需失衡、產(chǎn)能過剩，砂石價(jià)格一跌再跌的市場困境。決定企業(yè)是否具有競爭力的關(guān)鍵是保證品質(zhì)的情況下節(jié)約成本。

決定成本的首要因素是礦山的區(qū)域位置，在排除區(qū)域位置干擾的前提下，產(chǎn)品的品質(zhì)及生產(chǎn)線的工藝就會(huì)成為企業(yè)盈利的關(guān)鍵。

3. 砂石骨料生產(chǎn)成本控制

近年來，很多企業(yè)把重點(diǎn)放在綠色環(huán)保上，在礦山生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面投入巨額資金，忽視了砂石生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和建設(shè)不合理這一重要問題，導(dǎo)致項(xiàng)目生產(chǎn)運(yùn)營費(fèi)用過高。在施工過程中對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行控制，主要控制混凝土拌和、混凝土運(yùn)輸入倉、混凝土澆筑和混凝土振搗作業(yè)過程[3]。通過制定混凝土骨料的產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)和市場價(jià)格，可以有效提升混凝土砂石骨料的市場競爭力。采取的措施包括，粒徑尺寸控制、含砂量大小等[4]。對(duì)于不同類型的礦山和地域市場需求多樣化特點(diǎn)，制砂工藝的選擇尤為重要。有針對(duì)性的分析礦山母巖的物理化學(xué)性質(zhì)，再結(jié)合企業(yè)產(chǎn)品的市場定位，量身定制的工藝方案，既可以用技術(shù)來保障產(chǎn)品品質(zhì)，又可以在設(shè)計(jì)階段就做好生產(chǎn)成本的預(yù)設(shè)和把控。

對(duì)礦山母巖制備砂石骨料的生產(chǎn)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)礦山母巖進(jìn)行物理化學(xué)分析后，設(shè)計(jì)出有針對(duì)性的生產(chǎn)方案，通過兩級(jí)、三級(jí)，甚至四級(jí)破碎方案，保障各工藝段具有合理的破碎比，進(jìn)而保障合理的能耗值和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如圖1所示。還要對(duì)砂石骨料產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)高品質(zhì)骨料的級(jí)配、粒型等核心要求，工藝設(shè)計(jì)圍繞以上核心點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)，有選擇的“多篩少破”和整形，提升產(chǎn)品品質(zhì)。同時(shí)保證砂石骨料的破碎工藝簡潔，設(shè)備使用、維護(hù)方便，操作簡單、維修方便的“傻瓜機(jī)”是骨料生產(chǎn)線第一選擇。此外，還要求建材設(shè)備數(shù)量要少，型號(hào)盡可能統(tǒng)一。因?yàn)樵O(shè)備數(shù)量少，故障點(diǎn)減少，土建費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)降低。型號(hào)統(tǒng)一，備品備件費(fèi)用低，管理方便。最后還要求設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率高，對(duì)于砂石骨料生產(chǎn)線來說，最核心的指標(biāo)是運(yùn)行穩(wěn)定，高運(yùn)轉(zhuǎn)率高意味著高效能，低成本。

圖1 某建材項(xiàng)目機(jī)制砂工藝流程

Fig. 1 Sand aggregate production process of a building material project

4. 再生砂石骨料混凝土

王承軍等[5]在利用銅尾礦制備機(jī)制砂的過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)銅礦區(qū)域的廢石不需要進(jìn)行區(qū)分可直接利用，同時(shí)銅尾礦廢石還具有優(yōu)異的力學(xué)性能，用銅尾礦廢料制備的機(jī)制砂可滿足混凝土骨料的強(qiáng)度要求。唐迎杰等[6]用鐵尾礦廢石制備的機(jī)制砂完全代替天然砂石，制備了鐵尾礦砂石骨料的混凝土，并研究其工作性、力學(xué)性能和耐久性。研究結(jié)果表明：鐵尾礦骨料混凝土的抗氯離子滲透性能、抗碳化性能、抗凍性能及抗硫酸鹽侵蝕性能與天然砂石骨料混凝土都十分接近。張道平[7]嘗試用煤礦中的煤矸石替代天然砂石骨料，對(duì)煤矸石的骨料類型和替代比例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并對(duì)煤矸石骨料混凝土的物理特性、工作性能和流動(dòng)性進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：煤矸石粗骨料相比于其細(xì)骨料對(duì)混凝土產(chǎn)品的影響更加顯著。王衛(wèi)娟[8]用建筑垃圾制備再生砂制備綠色混凝土，建筑垃圾再生砂粉的含量占混凝土的比例為70%，其制備的輕質(zhì)混凝土及制品實(shí)現(xiàn)了節(jié)能低碳生產(chǎn)。申洪波等[9]對(duì)沙千水庫拱壩的混凝土砂石骨料進(jìn)行試驗(yàn)和分析，通過對(duì)壩址區(qū)巖屑石英砂巖的系列試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：采用沙千水庫當(dāng)?shù)厣皫r料加工大壩填筑混凝土砂石骨料的方案具有較高的合理性，而且大壩混凝土的技術(shù)參數(shù)、工程適應(yīng)性好，對(duì)拱壩進(jìn)行混凝土填筑后大壩整體安全性較高。

湯小文等[10]研究了水工混凝土中粗細(xì)骨料對(duì)混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)碎石骨料的粒型的均勻性、形狀、顆粒級(jí)配等因素可以提高混凝土中骨料的堆積程度，降低孔隙率，減少水泥砂漿的填充用量，這大大降低了水工混凝土的生產(chǎn)成本。吳躍文[11]也研究了砂石骨料對(duì)混凝土性能的影響，對(duì)砂石骨料的成分進(jìn)行分析，并對(duì)混凝土的組分、結(jié)構(gòu)、材料進(jìn)行了分析，闡述了提高砂石骨料品質(zhì)的要點(diǎn)和方法。申明娟[12]研究了砂石骨料中石粉的含量對(duì)混凝土工作性能、耐久性和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：混凝土中水泥砂漿的流動(dòng)性隨石粉含量的增加而降低，混凝土的干縮率和抗壓強(qiáng)度隨石粉含量的增加而增大。孟書靈等[13]設(shè)計(jì)了混凝土骨料級(jí)配優(yōu)化方案及評(píng)價(jià)方法，針對(duì)混凝土進(jìn)行細(xì)骨料級(jí)配優(yōu)化，有效地改善了混凝土的工作性能和力學(xué)性能。劉云鵬等[14]對(duì)特種骨料混凝土進(jìn)行了綜述分析，重點(diǎn)對(duì)輕骨料混凝土、重混凝土以及再生骨料混凝土三類特種骨料混凝土的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)，介紹了特種骨料的性質(zhì)、混凝土界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)與混凝土施工性能等方面的技術(shù)現(xiàn)狀。上述這些砂石骨料混凝土的研究對(duì)土工混凝土的未來發(fā)展方向具有一定的指導(dǎo)意義。Zhang等[15]制備的珊瑚-海水-海砂混凝土的形貌如圖2（a）所示，珊瑚-海水-海砂混凝土在壓剪復(fù)合作用下的力學(xué)性能如圖2（b）所示。設(shè)計(jì)了54個(gè)混凝土試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)，考慮了不同的正應(yīng)力比、養(yǎng)護(hù)齡期和不同骨料類型等參數(shù)。通過觀察試件在壓剪應(yīng)力聯(lián)合作用下的損傷形態(tài)，得到了珊瑚-海水-海砂混凝土的剪切應(yīng)力-位移曲線。此外作者分析了不同正應(yīng)力比對(duì)珊瑚-海水-海砂混凝土試件抗剪強(qiáng)度、峰值剪切位移和損傷演化模式的影響。Zhang等還提出了兩種更能反映壓剪聯(lián)合作用下CSSC抗剪強(qiáng)度的破壞模型，建立了不同法向應(yīng)力比下的珊瑚-海水-海砂混凝土的壓剪損傷本構(gòu)模型。

圖2 （a）珊瑚-海水-海砂混凝土的表面形貌[15];(b) 珊瑚-海水-海砂混凝土的剪切強(qiáng)度和位移關(guān)系圖[15]

Fig. 2 Surface disruption morphology of coral seawater sea sand concrete[15]; (b) Shear stress-displacement curves of coral seawater sea sand concrete under Normal stress ratio[15].

Graziano等[16]通過使用工業(yè)廢物陶瓷拋光渣、廢玻璃作為輕質(zhì)膨脹混凝料來生成輕質(zhì)混凝土骨料，如圖3所以。然后將這種輕質(zhì)骨料在中試規(guī)模實(shí)驗(yàn)中用作粗骨料制備輕質(zhì)混凝土和多孔混凝土，以實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)、隔熱和隔音方面的應(yīng)用。輕質(zhì)混凝土的技術(shù)性能符合輕量化結(jié)構(gòu)混凝土抗壓強(qiáng)度大于25MPa，實(shí)驗(yàn)中制備的泡沫混凝土測得的熱導(dǎo)率范圍在18~24 W*m-1K-1之間，滿足混凝土的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 工業(yè)廢陶瓷制備的輕質(zhì)混凝土骨料形貌

[16].Fig. 3 Morphology of lightweight expanded aggregates[16].

Jadon等[17]采用天然骨料設(shè)計(jì)了兩種設(shè)計(jì)混合料。用再生粗骨料代替天然粗骨料，用石粉代替天然河砂，得到了0~100%的等效混合料。通過添加不同劑量的高效增塑劑，不同混料的坍落度值大致相同。評(píng)估了混凝土在硫酸鹽侵蝕和高溫下的耐久性。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用這些廢棄物制備優(yōu)質(zhì)混凝土具有良好的前景。研究還發(fā)現(xiàn)，以再生混凝土骨料為粗骨料、石粉替代河砂40%的混凝土在強(qiáng)度和耐久性方面取得了較好的效果。Yang等[18]研究石粉摻量對(duì)機(jī)制砂混凝土碳化性能的影響，以提高機(jī)制砂混凝土的耐久性，促進(jìn)機(jī)制砂的應(yīng)用。用不同石粉含量的機(jī)制砂混凝土測試了碳化深度、孔隙溶液pH和鋼筋的半電池電位。利用掃描電鏡分析了機(jī)制砂混凝土碳酸化的機(jī)理，實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著石粉含量的增加，鋼筋碳化深度和腐蝕概率先減小后增大。機(jī)制砂混凝土孔隙溶液的碳酸化深度和pH可劃分為完全碳酸化帶、部分碳酸化帶和非碳酸化帶。當(dāng)石粉含量為7%時(shí)，在不同碳化年齡下，碳化深度達(dá)到最小值，螺紋鋼半胞電位達(dá)到最大值，部分碳化帶的末端深度和長度達(dá)到最小值。碳化年齡為120 天且石粉含量超過7%時(shí)，鋼筋半電池電位僅處于中概率腐蝕區(qū)，其余情況均處于低概率腐蝕區(qū)。電子顯微圖像表明，低石粉含量通過物理充填和化學(xué)反應(yīng)增加混凝土密度。然而，高石粉含量降低了混凝土的工作性能，增加了混凝土成型后的孔隙率。因此，綜合評(píng)價(jià)石粉的碳化性能時(shí)，石粉的最佳摻量為7%。

圖4 石粉摻量對(duì)機(jī)制砂混凝土碳化性能的影響研究概略圖[18].

Fig. 4 Study on the influence of stone dust content on carbonation performance of manufactured sand concrete[18].

Shen等[19]以河西-百色高速公路工程為例，對(duì)數(shù)字控制機(jī)制砂清潔生產(chǎn)和再生石粉生態(tài)利用進(jìn)行了研究。該新型生產(chǎn)系統(tǒng)不僅可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的制砂，還可以回收廢石粉，減少環(huán)境污染。與普通制砂相比，數(shù)字控制機(jī)制砂具有更合理的級(jí)配、可修改的顆粒形狀和可調(diào)節(jié)的石粉含量，這將大大簡化數(shù)字控制機(jī)制砂的生態(tài)應(yīng)用。對(duì)不同工程配合比下細(xì)骨料類型和石粉摻量的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:與普通機(jī)制砂混凝土相比，摻數(shù)字控制機(jī)制砂混凝土的工作性能平均提高16.19%，強(qiáng)度平均提高7.1%，并具有優(yōu)異的抗氯離子滲透性能。數(shù)字控制機(jī)制砂的應(yīng)用也降低了混凝土中水泥和補(bǔ)充膠凝材料的含量。再生石粉全面應(yīng)用于制砂的數(shù)字化控制清潔生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)了廢石、廢石、廢塵、廢漿等固體廢物的零排放，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。Miah等[20]用高達(dá)75%的廢輪胎細(xì)骨料代替砂制備的混凝土的機(jī)械強(qiáng)度、收縮率、耐久性和結(jié)構(gòu)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著廢輪胎細(xì)骨料含量的增加，坍落度、干密度和機(jī)械強(qiáng)度均降低。當(dāng)廢輪胎細(xì)骨料含量為75%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別降低了71~77%和59 ~62%。當(dāng)廢輪胎細(xì)骨料含量為75%時(shí)，楊氏模量下降約71~77%。相比之下，75% 廢輪胎細(xì)骨料的梁的抗彎承載力下降了約63-69%。100天的收縮率試驗(yàn)顯示，廢輪胎細(xì)骨料在20%以下時(shí)混凝土沒有明顯的收縮率。統(tǒng)計(jì)分析顯示，在混凝土中摻入廢輪胎細(xì)骨料對(duì)機(jī)械和耐久性性能沒有顯著影響。結(jié)果表明，在許多設(shè)計(jì)強(qiáng)度不高的結(jié)構(gòu)混凝土中，20%的廢輪胎細(xì)骨料可以用作河砂的替代品。Jeyanthi等[21]將廢鑄造砂和花崗巖廢料作為混凝土的替代材料。選擇了高強(qiáng)混凝土標(biāo)號(hào)M50，并確定了其配合比。將廢鑄造砂部分置換為細(xì)骨料。按細(xì)骨料重量計(jì)算，廢鑄造砂部分替代率分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%。研究者將廢花崗巖的比例固定為20%。以20%花崗巖廢料為原料，采用不同比例的廢鑄造砂澆筑混凝土立方體和圓柱體。對(duì)部分置換混凝土試件進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)?；旌虾蟮幕炷撂钚阅芘c市售混凝土相當(dāng)。因此，廢鑄造砂和花崗巖廢料可以作為建筑領(lǐng)域較好的建材替代品。Pavithra等[22]在機(jī)制砂中加入采石場石灰粉后，研究自固結(jié)混凝土的流變學(xué)、力學(xué)和耐久性性能。實(shí)驗(yàn)配制了五種不同的機(jī)制砂混合物，水灰比為0.40，水泥含量為490 kg/m3。這些混合物樣品中以不同的比例用破碎的石灰石代替破碎的沙子。利用流變儀對(duì)所獲得的機(jī)制砂混合料進(jìn)行坍落度流動(dòng)試驗(yàn)、漏斗流動(dòng)時(shí)間試驗(yàn)、抗偏析試驗(yàn)和流變?cè)囼?yàn)。在28天的養(yǎng)護(hù)期結(jié)束時(shí)，對(duì)機(jī)制砂混合物的抗壓、抗拉和抗彎強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明：提高細(xì)灰?guī)r在機(jī)制砂混合料中的替代量，可以降低坍落度流動(dòng)和屈服應(yīng)力，并對(duì)優(yōu)化配合比下的第7天和第28天立方體進(jìn)行了掃描電鏡和X射線衍射分析。通過圖像對(duì)混凝土的顯微結(jié)構(gòu)分析，并測試其抗壓強(qiáng)度。所有的機(jī)制砂組合混凝土試驗(yàn)品都具有較好的填充和通過能力，并且沒有發(fā)現(xiàn)任何分離現(xiàn)象。使用石灰石粉代替碎砂還可以減少混凝土內(nèi)部毛細(xì)血管吸收的水量，阻止氯離子的移動(dòng)，從而提高混凝土的性能。

5. 展望

與天然砂石充當(dāng)混凝土骨料相比，可再生砂石在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)兩方面都具有重要意義。大量的研究表明眾多固廢粉碎后作為可再生骨料在混凝土制品生產(chǎn)過程中都有著巨大的應(yīng)用潛力。

機(jī)制砂生產(chǎn)設(shè)備——樓站式機(jī)制砂生產(chǎn)系統(tǒng)，在生產(chǎn)加工機(jī)制砂過程中具有一定的代表性。以上海山美環(huán)保裝備股份有限公司為例，該公司開發(fā)設(shè)計(jì)的建材粉碎裝備，定制型S系列精品樓站式機(jī)制砂生產(chǎn)系統(tǒng)已用于2022年投產(chǎn)的華潤水泥的上思、田陽、武平骨料生產(chǎn)項(xiàng)目。該機(jī)制砂生產(chǎn)裝備采用干法生產(chǎn)工藝和樓站式全封閉布，集高效制砂、粒型優(yōu)化、石粉控制、級(jí)配調(diào)整、含水率控制、環(huán)保處理于一體，所得精品機(jī)制砂粒型佳、分計(jì)篩余合理，級(jí)配完全符合國標(biāo)《建筑用砂》（GB/T 14684-2022）II區(qū)中砂要求。該機(jī)制砂生產(chǎn)系統(tǒng)用于商品混凝土生產(chǎn)中，不僅可以改善混凝土性能，還能大幅降低混凝土的綜合生產(chǎn)成本。

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來源：第八屆中國國際砂石骨料大會(huì)論文集

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中國砂石協(xié)會(huì)

2023年11月29日