楊陽，徐茂震

（1.中鐵十六局集團鐵運工程有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京 101309）

鐵路橋涵專用高聚物改性瀝青防水卷材的研究及應(yīng)用

楊陽1，徐茂震2

（1.中鐵十六局集團鐵運工程有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；
2.北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司，北京 101309）

簡要概述RWB-801鐵路橋涵專用高聚物改性瀝青防水卷材，系統(tǒng)深入分析了其在生產(chǎn)過程中對基質(zhì)瀝青、SBS、穩(wěn)定劑及胎基等原材料的選擇，高聚物改性劑與基質(zhì)瀝青配伍設(shè)計及其在鐵路橋涵防水工程中的應(yīng)用。

改性瀝青防水卷材；鐵路橋涵；工程應(yīng)用

0 前言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，鐵路隧道建設(shè)數(shù)量有了較快增長。然而全國鐵路隧道中有60%以上的隧道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲漏，不僅降低混凝土襯砌的耐久性，而且加速鋼軌和扣件銹蝕，損害道床和基礎(chǔ)，影響路基穩(wěn)定，惡化隧道環(huán)境。在寒冷地區(qū)，由于隧道漏水路面結(jié)冰，頂部產(chǎn)生冰柱，嚴重影響隧道的正常使用。在電氣化線路上，隧道滲漏水則是危及電力機車、車輛安全運行的隱患。因此，防水及滲漏水問題是目前鐵路建設(shè)最為突出的通病，也是鐵路工務(wù)工程部門較為棘手的問題之一。

鐵路橋涵防水是一個系統(tǒng)工程，防水材料的類型與質(zhì)量、防水結(jié)構(gòu)的設(shè)計形式、施工技術(shù)、配套材料、施工機具的性能以及地質(zhì)與環(huán)境條件都與最終的防水效果密切相關(guān)。鐵路隧道防排水基本上是基于三方面的要求，一是鐵路運營要求，二是外部環(huán)境要求，三是結(jié)構(gòu)自身耐久性要求。鐵路隧道防排水思想已由過去的“以排為主”轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺?、排、截、堵結(jié)合，因地制宜，綜合治理”。與土木建筑相比，鐵路橋面防水層將遭受到更多形式的破壞，最常見的缺陷是局部出現(xiàn)破損點。橋面防水層遭到局部破壞后，如果防水層與橋面混凝土的粘結(jié)附著經(jīng)不住水的長期浸潤而出現(xiàn)脫落，脫落面就會不斷地擴大而出現(xiàn)一定面積的空鼓，防水層下出現(xiàn)積水，在行車動荷載作用下，積水會產(chǎn)生脈沖水壓，這種往復(fù)作用的壓力會引發(fā)防水層的脫落面迅速擴大，對混凝土也極具溶蝕破壞作用[1-3]。因此，鐵路橋涵對防水材料提出了更高的防水要求。

鐵路橋涵用防水材料已從紙?zhí)ナ蜑r青油氈型單一產(chǎn)品，發(fā)展成檔次、品種、功能均較齊全的防水材料系列產(chǎn)品，包括改性瀝青防水卷材、高分子防水卷材、防水涂料、建筑密封材料、剛性防水堵漏材料等。其中增長較快的是改性瀝青防水卷材，目前已經(jīng)成功開發(fā)出鐵路橋涵專用的RWB-801高聚物改性瀝青防水卷材。本文將對該防水卷材的開發(fā)，從原材料的選擇、配方設(shè)計優(yōu)化及防水設(shè)計構(gòu)造等方面進行系統(tǒng)深入研究。

1 實驗

1.1 原材料

AH-90#基質(zhì)瀝青，錦州石化減三線油；線型SBS，星型SBS；紫外線吸收劑；穩(wěn)定劑；礦物粒料。

1.2 儀器與設(shè)備

高剪切混合乳化機BEM100L；876-1型真空干燥箱；LYY-9A型和LYY-8型調(diào)溫調(diào)速瀝青延伸度測定儀；WSY-025A智能型瀝青軟化點測定儀；WSY-026數(shù)顯式瀝青針入度測定儀；SD-0625瀝青布氏旋轉(zhuǎn)黏度計；DW-03A超級低溫恒溫器等。

1.3 性能測試與表征

軟化點：采用軟化點測定儀表征瀝青的耐高溫性能；延度：采用延度儀測定延度大小，表征瀝青的拉伸性能；針入度：采用針入度測定儀表征瀝青的強度及硬度；石油瀝青組分：采用瀝青四組分測定儀分析各組分，用于表征瀝青的物理性能；布氏黏度：采用布氏黏度儀測定黏度大小，用于表征瀝青的流動性能；彈性恢復(fù)：采用延度儀測定表征瀝青彈性恢復(fù)性能；熒光顯微鏡分析：用于表征改性瀝青中改性劑顆粒的分布狀態(tài)及相轉(zhuǎn)變濃度的定性分析。

2 結(jié)果與討論

RWB-801鐵路橋涵專用高聚物改性瀝青防水卷材是專門為鐵路混凝土橋梁防水層研究設(shè)計的特種產(chǎn)品，其以特殊加工的長纖聚酯無紡布為胎基，以SBS、特種高聚物改性劑及穩(wěn)定性復(fù)合配比制成的高聚物改性瀝青為浸漬和涂蓋材料，兩面覆以細砂隔離材料所制成的一種超高性能改性瀝青防水卷材，其物理性能如表1所示，與普通的改性瀝青防水卷材相比，具有優(yōu)異的抗剪切性能和抗疲勞性能。卷材特殊表面設(shè)計讓后期澆筑的水泥混凝土保護層獲得良好的改性瀝青-石英砂-硅酸鹽粘結(jié)結(jié)合界面，從而獲得良好的界面結(jié)合強度和抗剪切性能，具有與混凝土結(jié)構(gòu)基層粘結(jié)附著性能好，耐久穩(wěn)定的特點，能夠有效承受、傳遞交通荷載，能夠有效抵御施工過程、運行使用過程中的機械損傷，確保橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得到持久有效保護。

表1 RWB-801鐵路橋涵專用高聚物改性瀝青防水卷材的物理性能

2.1 原材料選擇

2.1.1 基質(zhì)瀝青

選擇用于改性瀝青防水卷材的基質(zhì)瀝青應(yīng)從以下2個方面進行考慮：（1）從原油組分上，最好選擇環(huán)烷基石油瀝青，其次選用混合基石油瀝青。在SBS改性瀝青過程中，SBS與基質(zhì)瀝青的配伍性很重要，其主要由基質(zhì)瀝青的組分決定。環(huán)烷基石油瀝青含蠟少，具有良好的粘結(jié)性和熱穩(wěn)定性，改性效果好，可顯著提升SBS改性瀝青的低溫柔性和延伸率。（2）在SBS改性瀝青防水卷材加工生產(chǎn)過程中，基質(zhì)瀝青的質(zhì)量通過檢驗針入度、軟化點和延度進行控制。因此，在油源不變的情況下，如果發(fā)現(xiàn)基質(zhì)瀝青的針入度、軟化點和延度發(fā)生較大變化時，則表明基質(zhì)瀝青的組分發(fā)生了變化，在配制SBS改性瀝青涂蓋料時，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整SBS改性劑與基質(zhì)瀝青的配比。RWB-801鐵路橋涵專用高聚物改性瀝青防水卷材中選擇優(yōu)質(zhì)AH-90#瀝青，其性能及成分如表2所示。

表2 AH-90#瀝青的主要成分及性能

2.1.2 SBS改性劑

SBS具有多相結(jié)構(gòu)，在高溫下呈塑性，易與瀝青共混，分為四臂星型結(jié)構(gòu)和嵌段線型結(jié)構(gòu)[4]。表3為星型SBS與線型SBS性能對比分析，星型SBS是由PS段（聚苯乙烯鏈段）與PB段（聚苯丁二烯鏈段）交聯(lián)形成四臂星形結(jié)構(gòu)，而線型SBS是由PS段與PB段不發(fā)生交聯(lián)形成嵌段線型結(jié)構(gòu)，改性瀝青防水卷材的性能與SBS的結(jié)構(gòu)構(gòu)型密切相關(guān)。在SBS改性瀝青過程中，與線型SBS相比，星型SBS能夠進行星型支化，其PS段間的相互作用形成物理架橋，其改性瀝青分子鏈段間的作用力高于線型SBS改性瀝青，使星型SBS改性瀝青的強度和高溫穩(wěn)定性高于線型SBS改性瀝青；并且星型SBS改性瀝青的模量高于線型SBS，使星型SBS改性瀝青比線型SBS改性瀝青具有更優(yōu)異的彈性性能和低溫性能[5]。然而，與星型SBS相比，線型SBS更容易與基質(zhì)瀝青相容，顆粒均勻分布，形成交織空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，線型SBS相與瀝青相都是連續(xù)的兩相連續(xù)結(jié)構(gòu)，而星型SBS在瀝青體系中顆粒分布不均勻，呈島狀分布，線型SBS相是分散相，而瀝青相是連續(xù)相的單相連續(xù)結(jié)構(gòu)。

表3 星型SBS與線型SBS性能對比分析

因此，為了滿足鐵路橋涵防水的特殊要求，在RWB-801鐵路橋涵專用高聚物改性瀝青防水卷材中選擇星型SBS用于改性瀝青。

圖1為星型SBS摻量與改性瀝青軟化點、5℃延度、25℃針入度及25℃彈性恢復(fù)性能的關(guān)系。

圖1 SBS摻量與改性瀝青軟化點、5℃延度、25℃針入度及25℃彈性恢復(fù)性能的關(guān)系

由圖1可見，一定范圍內(nèi)，改性瀝青涂蓋料的軟化點和5℃延度隨SBS摻量的增加而增大，從而提高了改性瀝青防水卷材的耐熱性、拉伸性能及剪切狀態(tài)下的延伸性能；當(dāng)SBS摻量超過7%時，改性瀝青的軟化點升高趨勢明顯變緩，5℃延度逐漸下降。改性瀝青涂蓋料的25℃針入度隨SBS摻量的增加而降低，從而提高改性瀝青防水卷材的抗穿孔性；在一定范圍內(nèi)，25℃彈性恢復(fù)隨SBS摻量的增加而增強，從而提升改性瀝青防水卷材的撕裂強度及熱尺寸穩(wěn)定性；當(dāng)SBS摻量超過5%時，彈性恢復(fù)性能隨之降低。因此，在改性瀝青涂蓋料的制備過程中，對SBS摻量嚴格控制在5%～7%。

2.1.3 穩(wěn)定劑

SBS與基質(zhì)瀝青在組成和性質(zhì)上存在很大的差異，無論在兩者的分子質(zhì)量、溶解度參數(shù)還是極性方面都有很大的不同，可以通過添加富含飽和分與芳香分的減三線油來提高SBS與瀝青的相容性，但在高聚物改性瀝青體系中存在離析，導(dǎo)致改性瀝青體系質(zhì)量的不穩(wěn)定性。因此，在高聚物改性瀝青體系中添加穩(wěn)定劑，其目的是對改性瀝青進行化學(xué)改性。穩(wěn)定劑在高聚物改性瀝青體系中，一方面能夠引發(fā)SBS之間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，另一方面能夠引發(fā)SBS與瀝青之間發(fā)生反應(yīng)生成SBS接枝物，防止SBS與瀝青的相分離。因此，穩(wěn)定劑的引入能夠打開SBS與瀝青中的雙鍵并使其連接起來，從而起到防止高聚物改性瀝青體系離析的作用。圖2為未添加及添加穩(wěn)定劑的SBS改性瀝青體系的微觀形態(tài)。

圖2 SBS改性瀝青體系微觀形態(tài)

由圖2可見，在高聚物改性瀝青體系中，穩(wěn)定劑的加入能夠降低SBS與瀝青界面層的表面張力，提高SBS與瀝青之間的親和力與相容性，從而改善SBS在改性瀝青體系中的微觀形態(tài)。同時，穩(wěn)定劑的加入促使瀝青中的一些組分及SBS之間發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，使高聚物改性瀝青體系中SBS與基質(zhì)瀝青之間形成一層比較厚的相界面吸附層，從而提高了高聚物改性瀝青的黏度，使高聚物改性瀝青網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的內(nèi)聚力增強，穩(wěn)定性更好，能夠更好地抵抗外力作用，而橫向切應(yīng)力基本不變，最終顯著提升改性瀝青的質(zhì)量穩(wěn)定性及高聚物改性瀝青防水卷材的強度。

圖3為穩(wěn)定劑摻量與改性瀝青5℃延度及25℃彈性恢復(fù)性能的關(guān)系。

由圖3可見，在改性瀝青涂蓋料體系中，穩(wěn)定劑的摻入對改性瀝青的5℃延度及25℃彈性恢復(fù)具有關(guān)鍵作用。改性瀝青的5℃延度及25℃彈性恢復(fù)性能隨穩(wěn)定劑摻量的增加而提高，從而進一步提升改性瀝青防水卷材的抗穿孔性、剪切狀態(tài)下的延伸性能及熱尺寸穩(wěn)定性，從而使RWB-801鐵路橋涵專用高聚物改性瀝青防水卷材具有區(qū)別于普通防水卷材的防水特性，使其適用于鐵路專用橋涵防水工程，并表現(xiàn)出優(yōu)異的施工應(yīng)用性能。

圖3 穩(wěn)定劑摻量與改性瀝青5℃延度及25℃彈性恢復(fù)性能的關(guān)系

2.1.4 胎基

胎基作為改性瀝青防水卷材的骨架，使改性瀝青防水卷材具有一定的形狀、強度和韌性，從而保證改性瀝青防水卷材在施工過程中的鋪設(shè)性和防水層的抗裂性，從而起到工程防水的作用。其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響改性瀝青防水卷材的防水效果，在外觀上要求表面平整、無雜質(zhì)和凸塊，厚度均勻一致，無孔洞、無殘邊；要求具有一定的抗拉強度；對改性瀝青涂蓋料具有一定的粘結(jié)性，對浸漬材料具有一定的吸收能力；含水量較低；能夠承受在卷材生產(chǎn)過程中改性瀝青涂蓋料的溫度，使胎基纖維不受損傷。

高聚物改性瀝青防水卷材所用胎基分為聚酯胎和玻纖胎2種，其中聚酯胎以滌綸纖維為原料，采用針刺法經(jīng)熱粘合或化學(xué)粘合的方法生產(chǎn)的非織造布，主要有聚酯長絲無紡布和聚酯短絲無紡布，其特點是抗拉強度高、抗老化、耐高溫、耐腐蝕、延伸率大、熱穩(wěn)定和浸透性好；聚酯胎改性瀝青防水卷材的耐穿刺性、抗撕裂強度及剝離強度均比玻纖胎改性瀝青防水卷材高，在防水施工及維護過程中更易抵御硬物的根刺；聚酯長絲無紡布的抗拉強度明顯大于聚酯短纖無紡布。而玻纖胎以中堿或無堿玻璃纖維為原料單絲均勻無規(guī)排列，并用粘合劑濕法成型的薄胎或加筋薄胎，其特點是耐腐爛、穩(wěn)定性優(yōu)異、生產(chǎn)能力大、價格便宜，但延伸率和強度較低。由于其表面的石蠟浸潤劑會妨礙瀝青與玻纖胎之間的粘附性，同時玻纖胎中所含的粘結(jié)劑經(jīng)改性瀝青涂蓋料的高溫作用失去一定的效能。因此，玻纖胎改性瀝青防水卷材的強度主要依靠附著在纖維表面和滲入到單根纖維之間的瀝青，起著緊密連接和限制相互滑動的作用[6-7]。因此，在RWB-801鐵路橋涵專用高聚物改性瀝青防水卷材中選用聚酯胎基。

2.2 高聚物改性劑與基質(zhì)瀝青的配合比

高聚物改性瀝青網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成是高聚物吸附、溶脹、發(fā)生相轉(zhuǎn)變的過程。在高聚物改性瀝青過程中，高溫下的高聚物吸附瀝青中的輕組分，并產(chǎn)生溶脹、體積擴大，鏈增長，當(dāng)高聚物的量達到一定值時，溶脹后高聚物的體積達到連續(xù)相所需要的體積時，體系就發(fā)生了相轉(zhuǎn)變。一般情況下，高聚物與瀝青是在溫度較高的狀態(tài)下進行混合，可能出現(xiàn)以下情況：（1）瀝青與高聚物是完全的非均相體系，高聚物與瀝青之間是完全不相容的，制備好的改性瀝青離析相當(dāng)嚴重，穩(wěn)定性也不好，可以認為瀝青與高聚物的配伍性太差，這種體系根本不適合改性瀝青使用。（2）瀝青與高聚物是分子水平的均相體系，此時高聚物完全溶解于瀝青中也可稱為完全的互溶體系，在這種體系中，由于瀝青中的油分完全溶解了高聚物，導(dǎo)致高聚物分子間的作用遭到破壞，此時形成了絕對穩(wěn)定的混合物，這種體系只有混合物黏度略有增加，而其它的性能并沒有提高，該體系雖然很穩(wěn)定，但是用作改性瀝青并不合適。（3）瀝青與高聚物是顯微的非均相體系，在此體系中瀝青或者高聚物分別形成了連續(xù)相，高聚物吸附瀝青中的輕組分，如飽和分和芳香分充分溶脹后體積增大數(shù)倍，溶脹分散在瀝青中或者形成高聚物連續(xù)相，而其它輕組分則分散在高聚物連續(xù)相之間，此種體系中瀝青的高溫性能和低溫性能得到很大的提高。雖然該體系不是傳統(tǒng)意義上的熱力學(xué)不相容體系，但卻是我們用作改性瀝青的理想相容體系[8-10]。因此，瀝青與高聚物的相容是指高聚物吸收瀝青中的輕組分（飽和分和芳香分）后充分溶脹并分散形成高聚物連續(xù)相或者瀝青連續(xù)相的分散體系。

高聚物作為瀝青改性劑用于改性瀝青防水卷材，必須具備3個條件：（1）與基質(zhì)瀝青具有較好的相容性；（2）不會顯著增加瀝青黏度；（3）顯著提升瀝青的高低溫性能及耐久性。在高聚物改性瀝青過程中，對高聚物摻量具有嚴格的要求，若摻量低于5%，瀝青呈連續(xù)相，高聚物分散在瀝青中，被瀝青固結(jié)在小區(qū)域內(nèi)形成海島結(jié)構(gòu)，此時高聚物改性瀝青防水卷材主要體現(xiàn)瀝青的性能，高聚物對瀝青的改性效果并不明顯；若其摻量高于15%，高聚物呈連續(xù)相，瀝青分散在高聚物連續(xù)相中，導(dǎo)致高聚物溶脹性能降低，與瀝青之間的界面作用力下降，高聚物分子間的相互作用力增大而相互融合，使瀝青體系中的高聚物微粒尺寸增大，從而發(fā)生相分離，降低瀝青體系的流動性，最終不利于高聚物改性瀝青防水卷材的加工生產(chǎn)；當(dāng)高聚物摻量為5%～15%時，才能使高聚物形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包圍瀝青，從而對瀝青起到顯著的改性效果，既降低了瀝青的脆性，改善了瀝青的彈塑性、延伸性、耐老化性、耐高低溫性能，又保持了高聚物的高彈性。因此，在高聚物改性瀝青防水卷材配方設(shè)計時應(yīng)綜合考慮各種影響因素，在保證卷材質(zhì)量穩(wěn)定的前提下進行合理調(diào)整。

3 工程應(yīng)用

RWB-801鐵路橋涵專用高聚物改性瀝青防水卷材已經(jīng)成功在山東膠濟線24 mT型預(yù)制梁、武廣客運專線涵洞及鄭西線32 m預(yù)制梁上進行了施工應(yīng)用。根據(jù)對不同工程環(huán)境的防水施工可以看出，RWB-801鐵路橋涵專用高聚物改性瀝青防水卷材適用于鐵路混凝土有砟橋道砟內(nèi)和無砟橋的橋面防水、橋梁的橋面防水，涵洞、隧洞以及公路混凝土橋的橋面防水，對耐低溫性能有超高要求的橋面防水，并且具有如下優(yōu)勢：

（1）優(yōu)異的耐水性：在長期浸蝕下性能不衰減，在0.4 MPa壓力水作用下不被穿透。

（2）拉伸強度高，延伸率大：抗基層收縮、變形、開裂能力強；在混凝土橋面板受應(yīng)力作用出現(xiàn)裂縫時，具有依從性。

（3）優(yōu)異的耐高低溫性能：產(chǎn)品在-35℃下彎曲不斷裂，120℃高溫不變形，通?？稍?20～60℃正常使用，而在-60℃下仍保持韌性和防水功能。

（4）超高的力學(xué)性能和較大的厚度：賦予卷材優(yōu)異的耐疲勞性和抗施工損傷性；在負荷以下，以50 Hz頻率反復(fù)作用2000萬次，卷材無裂紋。

（5）優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性：在80℃加熱168 h，尺寸變化率在±0.5%內(nèi)。

（6）耐老化、耐凍鹽、耐酸堿等化學(xué)作用，耐霉菌、耐久壽命長。

（7）優(yōu)異的粘結(jié)性能：熱熔法施工，與基層粘結(jié)牢固且耐久，在200萬次反復(fù)壓力和拉力作用下，粘結(jié)層無開裂，能有效抵抗行車的負載。

根據(jù)鐵路橋梁橋面體系一般設(shè)計方法（見圖4、圖5）。橋面體系構(gòu)造中均在防水層上設(shè)置一層現(xiàn)澆混凝土保護層，由于混凝土保護層直接迎對雨水界面且混凝土是透水性材料，這種有機材料的防水層-無機材料之間很難形成分子化學(xué)鍵的界面，很快就會發(fā)生“浸泡剝落”，特別是承受交通動載的橋面，界面間傳遞交通剪切荷載依靠的是界面間的摩擦力，因此保護層的整體性能及抗裂性能非常重要。RWB-801鐵路橋涵專用高聚物改性瀝青防水卷材的特殊細砂覆面設(shè)計即是為后期混凝土保護層提供一個瀝青-砂-水泥混凝土的界面條件。這個界面能夠為橋面體系提供良好的有機-無機高粘結(jié)力界面，也為后期通車運行提供良好的抗剪切界面——有限粗糙摩擦面。這個界面一方面能夠提供足夠的摩擦力，另一方面在發(fā)生剪切變形過程中不會損傷下面的防水涂層。

圖4 鐵路橋涵防水工程細部構(gòu)造

圖5 鐵路橋涵防水工程細部構(gòu)造

4 結(jié)語

RWB-801鐵路橋涵專用高聚物改性瀝青防水卷材在鐵路橋涵工程防水中表現(xiàn)出優(yōu)異的防水性能，高聚物改性瀝青涂蓋料集防水與粘結(jié)功能于一身，材料功能的統(tǒng)一有利于防水層的性能穩(wěn)定，并且工程造價在合理范圍內(nèi)，可廣泛應(yīng)用于鐵路橋涵各個防水部位，具有廣闊的市場前景和顯著的經(jīng)濟效益。

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Study on the application of polymer modified asphalt membrane in railway bridges and culverts

YANG Yang1，XU Maozhen2
（1.China Railway 16th Bureau Group Railway Engineering Co.Ltd.，Ordos 017000，Inner Mongolia，China；
2.Beijing Oriental Yuhong Waterproof Technology Co.Ltd.，Beijing 101309，China）

This study briefly demonstrated the product of RWB-801 polymer modified asphalt membrane in railway bridges and culverts，and thoroughly discussed the selection of raw materials（matrix asphalt，SBS，stabilizer and basic tyre）and the mixture design between polymer and matrix asphalt in the process of modified asphalt membrane.Besides，the application in the railway bridges and culverts was further illustrated.

modified asphalt membrane，railway bridges and culverts，application

TU57+3

A

1001-702X（2015）04-0059-06

2014-11-27

楊陽，男，1990年生，寧夏銀川人，工程師。