天然火山灰清水混凝土的配制及性能研究

候敏，瞿東明，喻江武，宋普濤，李濤，周永祥，夏京亮

（1.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中交第二公路工程局有限公司海外事業(yè)部，陜西西安 710065；3.中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京 100013）

天然火山灰清水混凝土的配制及性能研究

候敏1，瞿東明2，喻江武2，宋普濤3，李濤2，周永祥3，夏京亮3

（1.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中交第二公路工程局有限公司海外事業(yè)部，陜西西安 710065；3.中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京 100013）

采用肯尼亞天然火山灰，研究了研磨時(shí)間對(duì)天然火山灰細(xì)度、活性和流動(dòng)度比的影響，天然火山灰與粉煤灰不同摻配比例及機(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土拌合物性能、抗壓強(qiáng)度、耐久性及抗裂性能的影響，并從機(jī)理方面進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明：雙摻天然火山灰與粉煤灰可以改善混凝土的性能，細(xì)度為10%的天然火山灰與粉煤灰分別按照20%、10%的比例取代水泥，在機(jī)制砂石粉含量為13%時(shí)，可以配制出綜合性能最優(yōu)的高性能清水混凝土。

天然火山灰；粉煤灰；機(jī)制砂；高性能清水混凝土；粘度

0 引言

天然火山灰質(zhì)材料作為天然的礦物摻合料在國(guó)內(nèi)外工程中的研究與應(yīng)用已有多年的歷史。然而，由于火山噴發(fā)的年代及噴發(fā)時(shí)期周邊的氣候、地址狀況不同，所形成的天然火山灰在物理力學(xué)性能、化學(xué)成分方面存在較大差異[1]。因此，不同地區(qū)天然火山灰的應(yīng)用需要以一定試驗(yàn)研究作為基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于天然火山灰質(zhì)材料在混凝土工程中的應(yīng)用研究多集中于普通混凝土領(lǐng)域，部分用于生產(chǎn)保溫材料、空心砌體等墻體材料以及瀝青混凝土[2-4]，對(duì)天然火山灰質(zhì)材料水化機(jī)理及強(qiáng)度發(fā)展方面研究較多，關(guān)于天然火山灰質(zhì)材料與其它礦物摻合料復(fù)合對(duì)混凝土耐久性方面也有一定研究，然而，天然火山灰質(zhì)材料在高性能清水機(jī)制砂混凝土中的應(yīng)用研究尚少。本文采用東非肯尼亞國(guó)內(nèi)天然火山灰，研究天然火山灰的摻入對(duì)高性能清水機(jī)制砂混凝土拌合物性能、力學(xué)性能、耐久性及抗裂性的影響，拓展了天然火山灰質(zhì)材料的應(yīng)用研究空間。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：采用肯尼亞當(dāng)?shù)谺amburi水泥廠生產(chǎn)的CEM I 42.5水泥，符合EN 197-1：2011標(biāo)準(zhǔn)要求，細(xì)度（80 μm篩篩余）2.5%，基本物理力學(xué)性能見表1。

表1 水泥的基本物理力學(xué)性能

（2）粉煤灰：采用國(guó)內(nèi)某電廠的Ⅰ級(jí)粉煤灰，細(xì)度（45 μm篩篩余）5%，需水比92%，流動(dòng)度比109%，化學(xué)成分見表2。

表2 粉煤灰的化學(xué)成分%

（3）天然火山灰：采用肯尼亞境內(nèi)天然火山灰，微觀形貌如圖1所示，化學(xué)成分見表3。

圖1 天然火山灰的微觀形貌

表3 天然火山灰的化學(xué)成分%

（4）碎石：采用5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，表觀密度2610 kg/m3。

（5）機(jī)制砂：采用石灰?guī)r中砂，石粉含量分別為7%、10%、13%、15%，對(duì)應(yīng)細(xì)度模數(shù)為3.1、3.0、2.9、2.9。

（6）減水劑：采用國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的聚羧酸系高性能緩凝減水劑，減水率大于30%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 天然火山灰細(xì)度試驗(yàn)

為選擇合適的研磨細(xì)度，天然火山灰經(jīng)顎式破碎機(jī)初步破碎后，由小型球磨機(jī)研磨成粉末，研磨時(shí)間分別控制為20、40、60 min。參照J(rèn)G/T 315—2011《水泥砂漿和混凝土用天然火山灰質(zhì)材料》測(cè)試不同細(xì)度火山灰的流動(dòng)度比以及7 d、28 d活性指數(shù)。

1.2.2 混凝土試驗(yàn)

（1）混凝土坍落度及1 h坍落度、壓力泌水率、倒置坍落度筒排空試驗(yàn)參照GB 50080—2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

（2）混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度參照GB 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

（3）混凝土拌合物的粘度參照GB 10247—2008《粘度測(cè)量方法》進(jìn)行測(cè)試。

（4）混凝土耐久性及抗裂性參照GBT 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。抗裂性試驗(yàn)主要測(cè)試混凝土的早期收縮率、長(zhǎng)期收縮率、早期開裂等級(jí)（約束刀口法）；耐久性試驗(yàn)主要測(cè)試混凝土抗氯離子滲透擴(kuò)散系數(shù)（RCM法）。

（5）采用化學(xué)結(jié)合水、壓汞（MIP）分析的方法探究火山灰與粉煤灰的復(fù)摻效應(yīng)對(duì)復(fù)合膠凝材料微觀結(jié)構(gòu)形成機(jī)理的影響，具體試驗(yàn)方法見文獻(xiàn)[5]。

2 配合比及性能要求

2.1 混凝土的配合比

試驗(yàn)用C35清水高性能混凝土的基準(zhǔn)配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（機(jī)制砂）∶m（碎石）∶m（水）∶m（減水劑）=425∶767∶1059∶149∶4.25，機(jī)制砂中石粉含量為13%。在基準(zhǔn)配合比的基礎(chǔ)上，研究了天然火山灰按10%、20%、30%等質(zhì)量取代水泥，天然火山灰和粉煤灰按1∶2、2∶1質(zhì)量比復(fù)摻后等質(zhì)量取代水泥以及機(jī)制砂石粉含量（7%、10%、13%、15%）對(duì)清水高性能混凝土物理力學(xué)性能的影響，并探究了石粉含量13%時(shí)天然火山灰和粉煤灰的摻入對(duì)混凝土耐久性及抗裂性的影響，具體試驗(yàn)配合比見表4。

表4 清水高性能混凝土的試驗(yàn)配合比

2.2 清水高性能混凝土性能要求

為滿足清水高性能混凝土泵送施工要求，混凝土拌合物初期坍落度控制為（180±20）mm，1 h坍落度損失不大于20 mm；為保證清水混凝土結(jié)構(gòu)物的飾面效果，混凝土拌合物應(yīng)具有良好的和易性，不泌水、不離析，在振搗作用下能完整地填充模板，且粘度適中容易排出氣泡；混凝土抗壓強(qiáng)度也應(yīng)滿足C30混凝土設(shè)計(jì)要求，即28 d抗壓強(qiáng)度不小于43.2 MPa；混凝土應(yīng)具有良好的耐久性和優(yōu)良的抗裂性能。

3 結(jié)果及討論

3.1 天然火山灰細(xì)度選擇

不同粉磨時(shí)間天然火山灰粉末的細(xì)度、流動(dòng)度比、7 d及28 d活性指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 天然火山灰細(xì)度選擇試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知：（1）隨著粉磨時(shí)間的延長(zhǎng)，天然火山灰細(xì)度不斷降低，在60 min內(nèi)，細(xì)度和粉磨時(shí)間負(fù)相關(guān)。但是在40 min前，粉磨時(shí)間延長(zhǎng)可顯著降低天然火山灰細(xì)度；40 min后，細(xì)度降低幅度減小。（2）天然火山灰細(xì)度逐漸降低過(guò)程中，流動(dòng)度比呈先增加后減小的趨勢(shì)，細(xì)度大于10%時(shí)，細(xì)度的降低可以提高漿體流動(dòng)度；細(xì)度小于10%后，漿體流動(dòng)度隨細(xì)度的減小反而降低。（3）細(xì)度的降低可以提高天然火山灰的活性，細(xì)度大于10%時(shí)，細(xì)度的降低對(duì)天然火山灰活性的提高更為顯著；細(xì)度小于10%后，隨細(xì)度降低，天然火山灰7 d活性指數(shù)降低，28 d活性指數(shù)稍有增加。

一定細(xì)度天然火山灰的微填充作用降低了漿體的需水量，提高了漿體的流動(dòng)比。而隨著細(xì)度進(jìn)一步減小，微填充效果削弱，逐漸減小的細(xì)度使得天然火山灰粉體比的比表面積急劇增大，需水量增加，流動(dòng)度降低。同時(shí)，過(guò)度粉磨也使得細(xì)小顆粒因表面產(chǎn)生的大量粉磨電荷而聚集，大量自由水被聚集的細(xì)小顆粒包裹也是其流動(dòng)度降低的原因。

粉磨類物理激發(fā)的方式可以細(xì)化天然火山灰顆粒，在一定程度上提高天然火山灰微填充作用，同時(shí)細(xì)度的增大加快了SiO2、Al2O3的溶出和水化速度，兩方面共同作用提高了天然火山灰的活性。細(xì)度達(dá)到10%后，隨著細(xì)度進(jìn)一步減小，7 d活性指數(shù)下降的原因是，細(xì)度為10%時(shí)粉體體系達(dá)到最佳堆積，相對(duì)更密實(shí)，而且7 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)大部分天然火山灰顆粒未充分水化，微填充作用對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)要大于水化產(chǎn)物的凝膠作用。

因此，天然火山灰粉磨40 min、細(xì)度為10%時(shí)，活性指數(shù)和流動(dòng)度比最佳，此后試驗(yàn)均采用細(xì)度為10%的天然火山灰。3.2清水高性能混凝土的物理力學(xué)性能

天然火山灰單摻及與粉煤灰復(fù)摻對(duì)清水高性能混凝土物理力學(xué)性能的影響見表6。

表6 天然火山灰單摻及與粉煤灰復(fù)摻對(duì)清水高性能混凝土物理力學(xué)性能的影響

由表6可知：

（1）天然火山灰的摻入降低了混凝土拌合物的初始坍落度，但減小了坍落度經(jīng)時(shí)損失；與單摻天然火山灰相比，復(fù)摻粉煤灰既提高了混凝土拌合物的初始坍落度，又減小了坍落度的經(jīng)時(shí)損失；天然火山灰與粉煤灰按2∶1質(zhì)量比復(fù)摻時(shí)，混凝土坍落度較大，1 h坍落度損失較小。

（2）天然火山灰單摻及與粉煤灰復(fù)摻均降低了混凝土拌合物的壓力泌水率；相比之下，天然火山灰的摻入更能有效地降低混凝土拌合物的壓力泌水率；天然火山灰與粉煤灰按2∶1質(zhì)量比復(fù)摻時(shí)，混凝土壓力泌水率最小。

（3）單摻天然火山灰使混凝土拌合物粘度增加，倒置坍落度排空時(shí)間增長(zhǎng)；復(fù)摻粉煤灰可以降低混凝土拌合物粘度，減少倒置坍落度排空時(shí)間。

（4）天然火山灰單摻及與粉煤灰復(fù)摻均降低了混凝土的7 d抗壓強(qiáng)度，但28 d抗壓強(qiáng)度有所提高；摻量相同時(shí)，粉煤灰混凝土抗壓強(qiáng)度高于天然火山灰混凝土；天然火山灰與粉煤灰按2∶1質(zhì)量比復(fù)摻時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度最大。

雙摻天然火山灰與粉煤灰可更大程度地提高二者的微集料填充效應(yīng)，降低混凝土拌合需水量，從而提高混凝土拌合物的流動(dòng)度，降低坍落度損失；雙摻天然火山灰及粉煤灰還可以提高混凝土的密實(shí)度，更進(jìn)一步改善界面過(guò)度區(qū)微結(jié)構(gòu)，提高混凝土力學(xué)性能及后期耐久性；在一定的摻配比例下，雙摻天然火山灰與粉煤灰可使混凝土拌合物和易性達(dá)到最優(yōu)，既能發(fā)揮二者均能降低泌水的優(yōu)勢(shì)，也可消除單摻導(dǎo)致混凝土粘度過(guò)大與過(guò)小的缺陷。

石粉含量對(duì)清水高性能混凝土性能的影響見表7。

表7 機(jī)制砂石粉含量對(duì)清水高性能混凝土物理力學(xué)性能的影響

由表7可知：石粉含量小于13%時(shí)，隨著石粉含量的增加，混凝土拌合物坍落度增大，坍落度經(jīng)時(shí)損失增加；石粉含量超過(guò)13%后，需要增加減水劑用量才能達(dá)到相同的坍落度及坍落度經(jīng)時(shí)變化量。隨著石粉含量增加，壓力泌水率先減小后增大，石粉含量為13%時(shí)壓力泌水率最低；石粉含量增加，粘度增大，倒置坍落度筒排空時(shí)間增加?？箟簭?qiáng)度隨石粉含量增大先提高后降低，石粉含量為13%時(shí)，混凝土的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度均最大。

石粉含量為13%時(shí)，混凝土最密實(shí)、空隙率更低，需水量最小，配制的混凝土拌合物流動(dòng)性最佳、泌水率最低、粘度適中，混凝土抗壓強(qiáng)度最高。

3.3 清水高性能混凝土的耐久性和抗裂性

研究了石粉含量為13%時(shí)，不同粉煤灰與天然火山灰配合比清水高性能混凝土的耐久性及抗裂性，并從微觀方面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了機(jī)理分析。

3.3.1 耐久性（見表8）

表8 不同粉煤灰與天然火山灰配合比清水高性能混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)和單位面積內(nèi)總開裂面積

由表8可知：

（1）天然火山灰及粉煤灰摻入后，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)降低；（2）同樣摻量粉煤灰的摻入對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的降低更明顯；（3）養(yǎng)護(hù)齡期越長(zhǎng)，混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)越低；（4）粉煤灰與天然火山灰按1∶2質(zhì)量比復(fù)摻時(shí)，混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)最低。

粉煤灰及天然火山灰的二次水化吸收大量水泥水化產(chǎn)物Ca（OH）2，可有效降低混凝土界面過(guò)渡區(qū)定向排列的Ca（OH）2的數(shù)量，改善混凝土界面過(guò)渡區(qū)形貌，提高混凝土的密實(shí)性，增大氯離子遷移難度。天然火山灰與粉煤灰的微形貌效應(yīng)可改善混凝土微觀孔結(jié)構(gòu)，細(xì)化毛細(xì)孔徑，減小有害孔數(shù)量，降低氯離子遷移速度，從而提高混凝土的長(zhǎng)期耐久性[6]。粉煤灰與天然火山灰的顆粒粒徑不同，二者按照一定的摻配比例可使微填充效應(yīng)疊加，進(jìn)一步增加混凝土的密實(shí)性，使混凝土結(jié)構(gòu)耐久性提高。

3.3.2 抗裂性

不同天然火山灰及粉煤灰摻配比例混凝土的早期開裂試驗(yàn)結(jié)果見表8，早期收縮和干燥收縮測(cè)試結(jié)果分別見圖2、圖3。

由表8可知：純水泥組混凝土單位面積內(nèi)開裂面積最大；與天然火山灰相比，粉煤灰的摻入更能有效減小混凝土早期開裂；粉煤灰與天然火山灰按1∶2質(zhì)量比復(fù)摻并等質(zhì)量取代30%水泥時(shí)，可使混凝土早期開裂程度降到最低。

圖2 混凝土的早期收縮

圖3 混凝土的干燥收縮

混凝土表面及內(nèi)部濕度的降低是導(dǎo)致混凝土早期塑性收縮產(chǎn)生的主要原因，天然火山灰及粉煤灰的摻入延緩了膠凝材料體系的水化速率，延緩了因化學(xué)結(jié)合水的減少而導(dǎo)致的混凝土內(nèi)部濕度降低的趨勢(shì)。天然火山灰與粉煤灰按照一定比例摻配，優(yōu)化了混凝土的工作性，減少了混凝土的離析、泌水，增加了混凝土的保水性，使混凝土內(nèi)部濕度能夠保持更長(zhǎng)時(shí)間。因此，在相同的外部濕度條件下，雙摻粉煤灰與天然火山灰可顯著改善混凝土的早期開裂性能。

圖2表明：天然火山灰與粉煤灰的摻入降低了混凝土的早期收縮；粉煤灰與天然火山灰按1∶2質(zhì)量比復(fù)摻并等質(zhì)量取代30%水泥時(shí)，混凝土早期收縮率最低。

早期收縮包括塑性收縮、干燥收縮和自收縮[7]。天然火山灰與粉煤灰的微集料效應(yīng)改善了混凝土的和易性，減少了混凝土拌合物的沉降、泌水，從而降低了混凝土的塑性收縮；兩者的火山灰效應(yīng)，延緩了早期水化反應(yīng)速度，減少了對(duì)化學(xué)結(jié)合水的需求，混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度增加，降低了干燥收縮。天然火山灰與粉煤灰早期水化程度低，兩者對(duì)水泥的取代，使得膠凝材料體系有效水膠比增大，毛細(xì)孔內(nèi)自由水含量增多，臨界半徑增大，毛細(xì)管負(fù)壓作用降低，自收縮減小[8]。

圖3表明：相同試驗(yàn)齡期，混凝土的干燥收縮隨天然火山灰及粉煤灰的摻入而降低。摻量相同時(shí)，粉煤灰比天然火山灰配制的混凝土干縮率更低。相對(duì)而言，粉煤灰與天然火山灰按1∶2質(zhì)量比復(fù)摻并等量取代30%水泥時(shí)，可使混凝土的干燥收縮率較低。

粉煤灰與天然火山灰的火山灰效應(yīng)，延緩了膠凝材料體系的水化速度，從而抑制了混凝土的干燥收縮。粉煤灰更高的流動(dòng)度比使得混凝土體系有效自由水含量較高，這是粉煤灰對(duì)混凝土干燥收縮有更好的抑制作用的原因[9]。雙摻粉煤灰與天然火山灰的微填充疊加效應(yīng)、形貌效應(yīng)等降低了混凝土結(jié)構(gòu)有害孔的數(shù)量，細(xì)化了毛細(xì)孔孔徑，增加了混凝土內(nèi)水分遷移的難度，進(jìn)一步降低了混凝土的干燥收縮。

3.3.3 機(jī)理分析

復(fù)合膠凝材料的組成見表9。

表9 復(fù)合膠凝材料組成

復(fù)合膠凝材料在不同齡期的化學(xué)結(jié)合水含量見圖4。

圖4 復(fù)合膠凝材料在不同齡期的化學(xué)結(jié)合水含量

由圖4可知，3 d時(shí)A1與A2的化學(xué)結(jié)合水含量均低于A0，但之后兩者的化學(xué)結(jié)合水含量均有更大幅度的增長(zhǎng)；28～56 d齡期內(nèi)，A0組化學(xué)結(jié)合水幾乎不再增加，而A1、A2仍有小幅度增加。56 d時(shí)化學(xué)結(jié)合水含量由高到低依次為：A4＞A1＞A0。

天然火山灰與粉煤灰的“火山灰效應(yīng)”延緩了復(fù)合膠凝材料的早期水化進(jìn)程，但是隨著水泥水化的進(jìn)行，復(fù)合膠凝材料水化速度加快?？傮w而言，粉煤灰與天然火山灰的摻入促進(jìn)了水泥的水化程度，使得復(fù)合膠凝材料最終水化程度更高，且粉煤灰對(duì)復(fù)合膠凝材料水化程度的提升具有更明顯的效果。

復(fù)合膠凝材料的MIP分析見圖5。

圖5 復(fù)合膠凝材料的MIP分析

圖5表明：純水泥組細(xì)孔孔隙量在70 nm左右時(shí)出現(xiàn)峰值，天然火山灰與粉煤灰摻入后峰值右移，且按照2∶1質(zhì)量比雙摻天然火山灰與粉煤灰的復(fù)合膠凝材料峰值出現(xiàn)在最右側(cè)。因此，天然火山灰與粉煤灰的摻入具有細(xì)化孔徑的作用，雙摻時(shí)可進(jìn)一步細(xì)化孔徑，且當(dāng)二者按照2∶1質(zhì)量比摻配時(shí)達(dá)到最優(yōu)。

4 結(jié)論

（1）合適的粉磨時(shí)間可使天然火山灰的細(xì)度、流動(dòng)度比和活性指數(shù)達(dá)到最佳。

（2）雙摻粉煤灰與天然火山灰可以提高混凝土拌合物的坍落度，降低坍落度損失及壓力泌水率，獲得合適的粘度。

（3）雙摻粉煤灰與天然火山灰可以提高混凝土的強(qiáng)度，特別是后期強(qiáng)度。

（4）按照一定比例摻配天然火山灰與粉煤灰可以提高混凝土的抗?jié)B性能、抗裂性能，同時(shí)也可降低混凝土的早期收縮與長(zhǎng)期收縮。

（5）采用細(xì)度為10%的天然火山灰與粉煤灰按照2∶1的質(zhì)量比復(fù)摻并等量取代30%的水泥，在機(jī)制砂石粉含量為13%時(shí)，可以配制出工作性好、抗壓強(qiáng)度高、抗?jié)B性能好、收縮小，具有良好抗裂性能的清水高性能混凝土。配制混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)為：初期坍落度180 mm，1 h坍落度無(wú)損失，28 d抗壓強(qiáng)度46.9 MPa，84 d氯離子遷移系數(shù)3.39×10-12m2/s，單位面積上的總開裂面積193.13 mm2/m2，3 d早期收縮率661.2×10-6，150 d干燥收縮率284.1×10-6。

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Preparation and property study of manufactured sand fair-faced concrete based on nature pozzolan

HOU Min1，QU Dongming2，YU Jiangwu2，SONG Putao3，LI Tao2，ZHOU Yongxiang3，XIA Jingliang3
（1.China Road and Bridge Corporation，Beijing 100011，China；2.CCCC Second Highway Engineering Co.Ltd Overseas Business Division，Xi'an 710065，China；3.China Academy of Building Research，Beijing 100013，China）

The effect of fineness，liveness，mobility ratio of nature Kenya pozzolan that prepared by different milling time was investigated.The workability，the compressive strength，the durability，as well as the cracking of concrete which prepared with fly ash and pozzolan that mixed with different proportion was investigated，the influence of manufactured sand content was also studied. And correlation analysis was carried out from the aspects of the mechanism.The result indicated that the properties can be enhanced by adding fly ash and pozzolan，and the fair-faced high performance concrete can obtain a best performance when be prepared with ordinary Portland cement that replaced by fly ash at 10%and pozzolan at 20%in mass，and the optimal fineness of pozzolan is 10%，the optimal content of manufactured sand is 13%.

nature pozzolan，fly ash，manufactured sand，fair-faced high performance concrete，viscosity value

TU528

A

1001-702X（2016）07-0029-06

2015-11-11；

2015-12-20

侯敏，男，1974年生，安徽碭山人，高級(jí)工程師。