溫福勝,劉福勝,封凌竹,武義馨
(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018)
氯氧鎂水泥基復(fù)合保溫砂漿耐水性能研究
溫福勝,劉福勝,封凌竹,武義馨
(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院,山東 泰安 271018)
采用正交試驗(yàn)方法研究了焦磷酸鈉、硫酸亞鐵、有機(jī)酸、硅灰4種不同外加劑及其摻量對(duì)氯氧鎂水泥基復(fù)合保溫砂漿耐水性能的影響。結(jié)果表明:外加劑的摻入能夠明顯改善氯氧鎂水泥基復(fù)合保溫砂漿的耐水性能,4種外加劑的最優(yōu)摻量分別為:焦磷酸鈉1%、硫酸亞鐵0.7%、有機(jī)酸2.0%、硅灰7.5%,基于最優(yōu)摻量所制備試件的3 d、28 d、浸水28 d、浸水90 d抗壓強(qiáng)度分別為9.91、15.27、10.13、8.40 MPa,抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)達(dá)到0.66,質(zhì)量損失率為5.54%,抗壓強(qiáng)度衰減速率為-0.57%。
氯氧鎂水泥;復(fù)合保溫砂漿;正交試驗(yàn);外加劑;耐水性能
氯氧鎂水泥是由氯化鎂溶液調(diào)和輕燒鎂粉制成的氣硬性膠凝材料,具有早強(qiáng)、高強(qiáng)、快凝、耐磨、耐腐蝕、防火、粘結(jié)力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。但鎂水泥材料在使用過(guò)程中普遍會(huì)出現(xiàn)吸潮返鹵、耐水性差等不良現(xiàn)象,嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量,制約了鎂水泥行業(yè)的發(fā)展。因此,改善鎂水泥及其制品的耐水性能對(duì)于鎂水泥及其復(fù)合材料的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有重要意義。
目前,改善鎂水泥及其制品耐水性能最有效的方法是摻加外加劑,可有效改善其孔結(jié)構(gòu),提高密實(shí)度,減小孔隙率[2]。常用的外加劑主要有:磷酸及其可溶性鹽類、鐵鹽、銅鹽、鋁鹽、有機(jī)酸、高分子聚合物以及復(fù)合改性劑等。外加劑對(duì)鎂水泥的改性機(jī)理是改變其內(nèi)部水化產(chǎn)物的結(jié)晶形貌或是形成膠狀絮凝物堵塞毛細(xì)通道[3-4]。
以鎂質(zhì)水泥為膠結(jié)材料,以玻化微珠、小麥秸稈為保溫輕集料,以粉煤灰為主要摻合料,可配制出保溫隔熱性能良好的新型保溫砂漿[5],但其在潮濕環(huán)境下使用時(shí)仍然存在吸潮返鹵、強(qiáng)度損失大的缺陷,耐水性能有待進(jìn)一步改善。
本試驗(yàn)選取磷酸鈉、硫酸亞鐵、有機(jī)酸、硅灰等4種外加劑,選取合適的摻量設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),通過(guò)測(cè)試試件的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、軟化系數(shù)等指標(biāo),探討外加劑對(duì)氯氧鎂水泥基復(fù)合保溫砂漿強(qiáng)度和耐水性能的影響,并得出其最佳摻量,以改善材料耐水性不足的缺陷,為其進(jìn)一步推廣提供依據(jù)。
1.1 原材料
(1)輕燒鎂粉:MgO含量85%,其中活性MgO含量60%~ 65%,比表面積21710 cm2/mL,濟(jì)南金泉化工有限公司生產(chǎn)。
(2)鹵片:MgCl2·6H2O含量96%,天津市塘沽金輪鹽化有限公司生產(chǎn)。
(3)小麥秸稈:小麥秸稈自然風(fēng)干后經(jīng)秸稈粉碎機(jī)粉碎處理,粉碎后粒徑為2~3 mm。
(4)?;⒅椋毫?.1~2.5 mm,堆積密度60~200 kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)0.032~0.045 W/(m·K),青島鳳翔化工有限公司生產(chǎn)。
(5)粉煤灰:電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰,細(xì)度21.5%,需水量比98%,燒失量6%。
(6)硅灰:粒徑小于1 μm的顆粒占80%以上,平均粒徑在0.1~0.3 μm,比表面積20~28 m2/g,活性指數(shù)≥85%,需水量比≤125%。
(7)焦磷酸鈉(Na4P2O7·10H2O),分析純,天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所;硫酸亞鐵(FeSO4·7H2O),分析純,天津市北辰方正試劑廠;有機(jī)酸(C4H4O4),分析純,徐州索通生物科技有限公司;無(wú)水乙醇(C2H5OH),分析純,天津市凱通化學(xué)試劑有限公司。
(8)水:自來(lái)水。
1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備
(1)JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機(jī),河北科析儀器設(shè)備有限公司。
(2)Y90S-4型三相異步電動(dòng)攪拌機(jī),河北桂碩機(jī)電設(shè)備制造有限公司。
(3)手動(dòng)砂漿稠度儀:沉入深度0~14.5 cm,沉入體積0~229.3 cm3,天津建筑儀器廠。
(5)BC-300S型電腦恒應(yīng)力抗壓抗折試驗(yàn)機(jī):最大荷載10 000 N,精度等級(jí)為一級(jí),北京恒應(yīng)力科技有限公司。
(6)TCS電子衡器:最大稱量100 kg,精度5 g,永康市香海衡器廠。
(7)JA21002電子天平:最大稱量2100 g,精度0.01 g,上海精科天平儀器廠。
1.3 試件制作
本試驗(yàn)中抗壓試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm,抗折試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。試件制作過(guò)程:先將鹵片溶于水中形成MgCl2水溶液;將稱量好的輕燒鎂粉、?;⒅?、小麥秸稈、粉煤灰、硅灰等依次加入攪拌機(jī)中攪拌均勻,然后倒入MgCl2水溶液繼續(xù)攪拌均勻,攪拌過(guò)程中,將稱量好的焦磷酸鈉、硫酸亞鐵和有機(jī)酸倒入水中充分?jǐn)嚢?,使其完全溶解形成水溶液,倒入攪拌機(jī)中攪拌均勻后,將拌合物取出裝模,在自然條件下養(yǎng)護(hù)24 h后脫模,繼續(xù)在自然條件下養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期后,取出部分試件進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試,另一部分試件放入水中浸泡至相應(yīng)齡期,再進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。
1.4 正交試驗(yàn)方法
試驗(yàn)共分10組,基準(zhǔn)組Z0為不摻外加劑的空白試樣,其余9組Z1~Z9為試驗(yàn)組,采用4因素3水平正交試驗(yàn)方法。保溫砂漿的基本配合比為:n(MgO)∶n(MgCl2)=7~9,秸稈摻量5%~15%,玻化微珠摻量15%~25%,m(粉煤灰)∶m(輕燒鎂粉)=1∶1。正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。
表1 正交試驗(yàn)因素水平
表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.5 測(cè)試方法
山東中農(nóng)各業(yè)務(wù)區(qū)域銷售人員連日來(lái)頂烈日、冒高溫,積極走訪市場(chǎng),了解市場(chǎng)需求;公司先后召開(kāi)2次專題會(huì)議,探討秋季肥市場(chǎng)行情,結(jié)合市場(chǎng)需求情況,確定采購(gòu)方案,并及時(shí)聯(lián)系上游廠家,提前鎖定優(yōu)勢(shì)貨源。
(1)標(biāo)準(zhǔn)稠度需鹵水量[6]參照J(rèn)GJ 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》中的稠度試驗(yàn)方法測(cè)試砂漿拌合物的砂漿的稠度,砂漿拌合物稠度達(dá)到45~55 mm時(shí),此時(shí)所用鹵水量為標(biāo)準(zhǔn)稠度需鹵水量。
(2)抗壓和抗折強(qiáng)度參照J(rèn)GJ 70—2009和GB 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行測(cè)試。
(3)軟化系數(shù)[7]測(cè)試方法:成型試件6塊,在自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d,取出3塊測(cè)試其抗壓強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度R0,同時(shí)將剩余3塊放入水中浸泡,試件間距20 mm,水面至少超過(guò)試件10 mm,浸泡28 d后,取出試件擦干表面,立即測(cè)試其抗壓強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度Rw,Rw與R0的比值即為其軟化系數(shù)K。
(5)質(zhì)量損失率[7]測(cè)試方法:將試件養(yǎng)護(hù)28 d后,稱取其浸水之前的質(zhì)量W0,然后將試件放入水中浸泡28 d,取出試件放入烘箱中,在80℃烘干至恒重并稱取質(zhì)量Ww,按照式(1)計(jì)算試件的質(zhì)量損失率。
(6)強(qiáng)度衰減速率[7]測(cè)試方法:將試件在空氣中養(yǎng)護(hù)28 d后,放入水中浸泡7 d和28 d后分別測(cè)試強(qiáng)度Rw7和Rw28,按式(2)計(jì)算強(qiáng)度衰減速率Kr。
2.1 不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿標(biāo)準(zhǔn)稠度需鹵水量的影響
在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),砂漿對(duì)水的敏感度很高,另因?yàn)橐?guī)范中對(duì)稠度有要求(沉入量45~55 mm),因此將砂漿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度時(shí)所用的鹵水量作為指標(biāo)進(jìn)行記錄。圖1為不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿標(biāo)準(zhǔn)稠度需鹵水量的影響。
圖1 不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿標(biāo)準(zhǔn)稠度需鹵水量的影響
由圖1可以看出,各試驗(yàn)組(Z1~Z9)試件的標(biāo)準(zhǔn)稠度需鹵水量均明顯低于基準(zhǔn)組(Z0),基準(zhǔn)組Z0的標(biāo)準(zhǔn)稠度需鹵水量為263.5 mL,Z9組的標(biāo)準(zhǔn)稠度需鹵水量最少,比基準(zhǔn)組降低了14%。分析其原因,外加劑中的硅灰作為密實(shí)劑,填充了部分砂漿骨料間的空隙,同時(shí)外加劑的加入使得砂漿中生成一定量的難溶于水的凝膠體,堵塞了砂漿中的毛細(xì)孔道,改善了內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu),減小了孔隙率,從而降低了標(biāo)準(zhǔn)稠度需鹵水量。
2.2 不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響
不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿自然養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖2,對(duì)砂漿浸水養(yǎng)護(hù)抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖3。
圖2 不同外加劑及其摻量對(duì)自然養(yǎng)護(hù)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響
圖3 不同外加劑及其摻量對(duì)浸水養(yǎng)護(hù)砂漿抗壓強(qiáng)度的影響
由圖2可以看出,在自然養(yǎng)護(hù)條件下,基準(zhǔn)組(Z0)試件3、7、28 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度分別為2.91、3.32、3.82 MPa;摻入外加劑后,各組試件抗壓強(qiáng)度要明顯高于基準(zhǔn)組,除Z3組外,其余各試驗(yàn)組試件3 d抗壓強(qiáng)度均提高了50%以上。3 d抗壓強(qiáng)度最高的2組為Z5和Z7,分別達(dá)到8.95和9.91 MPa,分別為Z0組試件的3.08倍和3.41倍;除Z1組外,其余各組試件7 d抗壓強(qiáng)度較其自身3 d強(qiáng)度均有明顯提高,其中Z5、Z7、Z9組試件7 d強(qiáng)度分別達(dá)到12.55、13.05、12.36 MPa,分別為Z0組試件的3.78倍、3.93倍、3.72倍;Z7和Z8組試件的28 d抗壓強(qiáng)度最高,分別達(dá)到15.27和15.17 MPa,約為Z0組的4倍。
由圖3可以看出,在浸水養(yǎng)護(hù)條件下,浸水7 d后試件抗壓強(qiáng)度都會(huì)迅速下降,原因可能是保溫砂漿在水中浸泡過(guò)后,其內(nèi)部各類水化產(chǎn)物發(fā)生不同程度的水解,導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松多孔;試件在水中浸泡過(guò)后,其強(qiáng)度在浸水7 d時(shí)下降幅度最大,之后強(qiáng)度仍會(huì)逐級(jí)下降,但下降趨勢(shì)趨于緩和;基準(zhǔn)組(Z0)試件浸水7、28、60、90 d后的抗壓強(qiáng)度分別為2.63、1.92、1.68、1.29MPa,Z1~Z9組試件浸水后不同齡期抗壓強(qiáng)度均超過(guò)基準(zhǔn)組的2倍,其中強(qiáng)度表現(xiàn)最好的是Z7組,浸水7 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到10.96MPa,是基準(zhǔn)組的4.2倍,浸水90 d時(shí)強(qiáng)度仍能達(dá)到8.40MPa,為基準(zhǔn)組試件浸水90d強(qiáng)度的6.5倍。
不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿自然養(yǎng)護(hù)抗折強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖4,對(duì)砂漿浸水養(yǎng)護(hù)抗折強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖5。
由圖4和圖5可以看出,不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律與抗壓強(qiáng)度大致相同,值得注意的是,摻入外加劑后,在自然養(yǎng)護(hù)條件下,各試驗(yàn)組試件的抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度較其抗壓強(qiáng)度更為明顯,浸水7 d時(shí)試件的抗折強(qiáng)度會(huì)急劇下降。
圖4 不同外加劑及其摻量對(duì)自然養(yǎng)護(hù)砂漿抗折強(qiáng)度的影響
圖5 不同外加劑及其摻量對(duì)浸水時(shí)期砂漿抗折強(qiáng)度的影響
2.3 不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿軟化系數(shù)的影響
由于氯氧鎂水泥硬化體浸水后的直接表現(xiàn)就是強(qiáng)度隨下降。在水中保持強(qiáng)度不降低的能力可以直接評(píng)價(jià)其耐水性。不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿軟化系數(shù)的影響見(jiàn)圖6。
圖6 不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿軟化系數(shù)的影響
由圖6可以看出,摻入外加劑后,砂漿的耐水性能得到了一定程度的改善,抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)均得到不同程度的提高,其中Z7組的抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)最高為0.66,相比基準(zhǔn)組的軟化系數(shù)提高了32%;各試驗(yàn)組抗折強(qiáng)度軟化系數(shù)在基準(zhǔn)組水平上下浮動(dòng),但變化幅度不大,抗折強(qiáng)度軟化系數(shù)最高為Z2組的0.53。
2.4 不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿質(zhì)量損失率的影響
由于硬化體水化產(chǎn)物水解后形成的離子從試件中溶出使其質(zhì)量減少,孔隙率增加,強(qiáng)度下降。因此,可以用浸水后試件的質(zhì)量損失率來(lái)表征材料的耐水性。不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿質(zhì)量損失率的影響見(jiàn)圖7。
圖7 不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿質(zhì)量損失率的影響
由圖7可以看出,基準(zhǔn)組試件的質(zhì)量損失率為6.75%,摻入外加劑后,各試驗(yàn)組試件的質(zhì)量損失率均有不同程度的降低,Z2、Z3、Z8、Z9組試件的質(zhì)量損失率略低于基準(zhǔn)組但降低幅度并不明顯;其余各組試件的質(zhì)量損失率明顯低于基準(zhǔn)組,其中Z1和Z4質(zhì)量損失率最低,分別為5.28%和5.22%。
2.5 不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿強(qiáng)度衰減速率的影響
氯氧鎂水泥硬化體在水中強(qiáng)度衰減與其在水中浸泡的時(shí)間有關(guān),其強(qiáng)度隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律變化。軟化系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系遵循K=Rw/R0=e-Krt,其中Kr為強(qiáng)度隨時(shí)間的衰減速率,它的數(shù)量越小,表明強(qiáng)度在水中的保留率越大,反之則越小。Kr與浸水時(shí)間無(wú)關(guān),它是材料的本征性能。圖8為不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿強(qiáng)度衰減速率的影響。
圖8 不同外加劑及其摻量對(duì)砂漿強(qiáng)度衰減速率的影響
由圖8可以看出,對(duì)于抗壓強(qiáng)度衰減速率,基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度衰減速率為-2.25%,加入外加劑后,各試驗(yàn)組抗壓強(qiáng)度衰減速率均明顯小于基準(zhǔn)組,其中Z8組最小,達(dá)到-0.40%,相比于基準(zhǔn)組提高了82%;對(duì)于抗折強(qiáng)度衰減速率,除Z3組外,其余各組衰減速率相比于基準(zhǔn)組均有不同程度的降低,其中,最小達(dá)到-0.05%(Z7組),相比于基準(zhǔn)組提高了96%。
2.6 外加劑的最優(yōu)摻量
采用多指標(biāo)極差分析的方法,通過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果中的28 d抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)、質(zhì)量損失率以及抗壓強(qiáng)度衰減速率等4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行極差分析,確定單獨(dú)考慮各指標(biāo)時(shí)不同外加劑影響大小的主次順序以及最優(yōu)摻量水平,最后綜合平衡確定各外加劑的最優(yōu)摻量。
正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3,極差分析結(jié)果見(jiàn)表4。
表3 正交試驗(yàn)結(jié)果
表4 極差分析
由表4可以看出:
(1)對(duì)于因素A,其對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度的影響大小排在第1位,水平取A3;其對(duì)抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)的影響大小也排在第1位,水平取A1;但取A3時(shí),28 d強(qiáng)度是取A1時(shí)的近2倍,抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)比取A1時(shí)提高了8%,抗壓強(qiáng)度衰減速率比取A1時(shí)提高了40%,而質(zhì)量損失率比取A1時(shí)略有增加,故因素A水平選A3。
(2)對(duì)于因素B,其對(duì)質(zhì)量損失率和抗壓強(qiáng)度衰減速率的影響排在第1位,對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度影響排在第2位,對(duì)抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)的影響排在第3位(為次要因素),水平取B1或B2;取B2時(shí),質(zhì)量損失率與取B1時(shí)接近,但其余3項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于取B1時(shí)的指標(biāo),故因素B水平選B2。
(3)對(duì)于因素C,其對(duì)抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)的影響大小排在第2位,水平取C3,對(duì)其它3項(xiàng)指標(biāo)均為次要因素,故因素C水平選C3。
(4)對(duì)于因素D,其對(duì)4項(xiàng)指標(biāo)均為次要因素,從長(zhǎng)期性能考慮,因素D水平選D2。
由此確定4種外加劑摻量最優(yōu)組合為A3B2C3D2,即焦磷酸鈉、硫酸亞鐵、有機(jī)酸、硅灰的摻量分別為1.0%、0.7%、2.0%、7.5%。
2.7 最優(yōu)配比試驗(yàn)
根據(jù)最優(yōu)組合A3B2C3D2制作試件并測(cè)試其性能,試件3 d抗壓強(qiáng)度為9.91 MPa,28 d抗壓強(qiáng)度為15.27 MPa,浸水28 d抗壓強(qiáng)度為10.13 MPa,浸水90 d抗壓強(qiáng)度為8.40 MPa,抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)為0.66,質(zhì)量損失率為5.54%,抗壓強(qiáng)度衰減速率為-0.57%,各項(xiàng)性能均較基準(zhǔn)組試樣有明顯提高。
(1)正交試驗(yàn)結(jié)果表明,外加劑的摻入能有效減少氯氧鎂水泥基復(fù)合保溫砂漿的標(biāo)準(zhǔn)稠度需鹵水量,可以有效提高氯氧鎂水泥基復(fù)合保溫砂漿的強(qiáng)度及耐水性能;抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)由基準(zhǔn)組的0.50提高到0.66。
(2)由極差分析結(jié)果可以得出,4種外加劑的最優(yōu)組合為A3B2C3D2,即焦磷酸鈉1.0%、硫酸亞鐵0.7%、有機(jī)酸2.0%、硅灰7.5%,根據(jù)最優(yōu)組合制作的試件各項(xiàng)性能均明顯優(yōu)于基準(zhǔn)組。
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Study on water-resistance property of magnesium oxychloride cementitious composite thermal insulating mortar
WEN Fusheng,LIU Fusheng,F(xiàn)ENG Lingzhu,WU Yixin
(College of Water Conservancy and Civil Engineering,Shandong Agricultural University,Tai'an 201018,China)
The effects of four different admixtures Na4P2O7·10H2O,F(xiàn)eSO4·7H2O,C4H4O4and silica fume and their dosages on the water-resistant properties of magnesium oxychloride cementitious composite thermal insulating mortar were researched by orthogonal experimental method.The results of the experiment show that the admixtures can apparently improve the water-resistant properties of magnesium oxychloride cementitious composite thermal insulating mortar,and the best combination of the four admixtures is 1%Na4P2O7·10H2O,0.7%FeSO4·7H2O,2.0%C4H4O4and 7.5%silica fume.Based on the best combination,the compressive strength of its specimens after 3-day,after 28 d,after soaking for 28 d and after soaking for 90 d is 9.91 MPa,15.27 MPa,10.13 MPa,and 8.40 MPa respectively.The compressive strength softening coefficient of the specimens based on the best combination is 0.66,the quality loss rate is 5.54%,and the strength decay rate of the compressive strength is-0.57%.
magnesium oxychloride cement,composite thermal insulating mortar,orthogonal experimental method,admixture,water-resistant properties
TU57+8.1
A
1001-702X(2016)11-0069-05
山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目(SDNYCX1531963)
2016-03-03;
2016-03-30
溫福勝,男,1991年生,山東煙臺(tái)人,碩士研究生。