《核工程讲座《放射性废物水泥固化及固化体性能检测》课件 中国辐射防护研究院》由会员分享，可在线阅读，更多相关《核工程讲座《放射性废物水泥固化及固化体性能检测》课件 中国辐射防护研究院（103页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、放射性废物水泥固化 及固化体性能检测,冯声涛 郭喜良 中国辐射防护研究院,内容,1 水泥基本知识 2 放射性废物水泥固化技术 3 放射性废物水泥固化体性能要求及性 能检测方法,1 水泥基本知识,1.1 水泥的发展 1.2 水泥生产工艺和水泥熟料 1.3 常用水泥及其代号 1.4 水泥强度等级 1.5 水泥贮存 1.6 水泥的凝结与硬化原理 1.7 水泥在建筑上的应用 1.8 有关术语及性能测定方法,1.1 水泥的发展,五千年前原始水泥：粘土、石膏、气硬性石灰、火山灰、水硬性石灰； 1824年石灰石+粘土煅烧而成；波特兰（Portland）水泥；1856年；1870年； 我国水泥工业1876年；
2、1942年229万t；1998年5.31亿t； 混凝土钢筋混凝土高性能混凝土 外加剂快硬、高强、轻质、节能、改性,1.2 水泥生产工艺和水泥熟料,工艺流程： 主要原料 辅助原料 磨碎、均化 煅烧 水泥熟料 水泥 校正原料 石膏 产生水泥熟料的原材料： 主料：以碳酸盐为主，有石灰石、白垩石、大理石、贝壳、泥灰岩； 辅助料：加入一定比例硅、铝、铁质组分，一般是用粘土岩（页岩）和粘土作为辅助原料来提供所需的Si、Al、Fe； 校正料：有砂、砂岩、铁矿石、矾土等补充一定量的铁质、硅质和铝质,1.2 水泥生产工艺和水泥熟料,原料 主要成分 含量% 矿物组成 含量% 石灰质材料：CaO（简式C）6267
3、3CaOSiO2（简式C3S） 3760 SiO2（简式S）1924 2CaOSiO2（简式C2S） 1537 粘土质材料 Al2O3（简式A）47 3CaOAl2O3（简式C3A） 715 Fe2O3（简式F）25 煅烧 4CaOAl2O3Fe2O3（简式C4AF） 1018,1.3 常用水泥及其代号,按国家标准通常使用的水泥有六种： 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰质硅酸盐水泥 复合水泥,1.3 常用水泥及其代号,续表,其它品种水泥,其它品种硅酸盐水泥 快硬硅酸盐水泥（C3S、C3A含量高）；低热硅酸盐水泥（C2S含量高） 抗硫酸盐硅酸盐水泥；道路硅酸
4、盐水泥（ C3S、C4AF含量高） 铝酸盐水泥 高铝水泥（铝酸一钙）；低铝水泥（二铝酸一钙） 快硬早强水泥 硫铝酸盐类型快硬水泥；氟硫铝酸盐类型快凝快硬水泥 膨胀水泥 收缩补偿水泥；自应力水泥,新型材料,除此之外，用于放射性废物固化的新型水泥材料有高碱矿渣水泥和ASC特种水泥。南京工学院硅酸盐系研制的高碱矿渣水泥可用于高放废液的水泥固化；清华大学利用新型ASC特种水泥固化废离子交换树脂，树脂包容量由原来的15%提高到25%。,1.4 水泥强度等级,水泥老标准实行以kbf/cm2表示的水泥标号，如325、425、425R等。 水泥新标准实行以MPa表示的强度等级，如32.5、32.5R、42.5
5、、42.5R等，强度等级的数值与水泥28d抗压强度指标的最低值相同。 新标准规定的水泥强度等级为： 硅酸盐水泥分3个等级6个类型，即42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R； 其它五大水泥也分3个等级6个类型，即32.5、32.5R、 42.5、42.5R、52.5、52.5R。,1.5 水泥贮存,水泥属于水硬性胶凝材料，在贮存过程中与空气中的水汽、二氧化碳作用发生凝结现象，使水泥强度降低，在一般条件下贮存三个月后强度约下降1020%。 按国家规定，贮存三个月后的水泥用于建筑工程必须重新制样测定强度等级。,1.6 水泥的凝结与硬化原理,水泥硬化的化学反应水化反应 硅酸三
6、钙C3S、硅酸二钙C2S、铝酸三钙C3A、 铁铝酸四钙C4AF+aq 水泥硬化的物理过程 溶解期（诱导期）胶化期（凝结期） 结晶期（硬化期） 胶化期又可分为胶化和凝聚二个过程,水泥硬化的化学反应水化反应,3CaOSiO2+aq m CaOSiO2aq+（3-m）Ca(OH)2 硅酸三钙 水化硅酸钙 氢氧化钙 2CaOSiO2+aq n CaOSiO2aq+（2-n）Ca（OH）2 硅酸二钙 水化硅酸钙 氢氧化钙 3CaOAl2O3+aq 3CaOAl2O36H2O 铝酸三钙 立方水化铝酸三钙 4CaOAl2O3Fe2O3+aq 3CaOAl2O3aq + CaOFe2O3aq 铁铝酸四钙 水化
7、铝酸三钙 水化铁酸钙 4CaOAl2O3Fe2O3+4 Ca(OH)2+n H2O 4CaOAl2O312 H2O + 4CaOFe2O3mH2O 铁铝酸四钙 氢氧化钙 水化铝酸四钙 水化铁酸四钙 3CaOAl2O36H2O+3（CaSO42H2O）+19 H2O 3CaOAl2O33 CaSO431H2O 水化铝酸三钙 石膏 三硫型水化硫铝酸钙 CaOAl2O33 CaSO431H2O+3CaOAl2O36H2O 3CaOAl2O33CaSO412H2O 三硫型水化硫铝酸钙 水化铝酸三钙 单硫型水化硫铝酸钙,水泥硬化的物理过程,溶解期（诱导期）水与水泥颗粒接触时，水泥颗粒表面立即发生化学反应
8、，反应产物溶解于水，水泥颗粒表面又暴露出一层新的表面，继续与水反应，此溶解作用一直进行到水泥颗粒周围的液体都成为反应产物的饱和溶液为止。此期间水泥颗粒只有很少一部分与水作用。 胶化期（凝结期）水与水泥继续反应，在此期间溶液已经饱和，反应产物不能溶解于水，而以极细的固体颗粒析出生成凝胶，并使水泥浆逐渐失去流动性和可塑性，逐渐凝结。此期间无吸热溶解过程，大量放热使温度升高。 结晶期（硬化期） 此期间凝胶逐渐转成晶体，生成紧密交织的晶架，使水泥石具有很高的强度。,1.7 水泥在建筑上的应用,水泥净浆： 水泥：水=1：0.30.4 水泥砂浆： 水泥：砂子：水=1：2.5：0.50.55 混凝土： 水泥
9、：砂子：砾石：水=1：1.5： 3.0：0.55 对水的要求 对砂子的要求 对砾石的要求 混凝土外加剂,1.8 有关术语及性能测定方法,1.8.1 水灰比、废灰比、盐灰比 1.8.2 水泥净浆稠度和初终凝时间的测定方法 1.8.3 水泥净浆流动度的测定,1.8.1 水灰比、废灰比、盐灰比,水灰比是决定砂浆和混凝土流动性及固化后性能的重要指标，为了比较方便，不论什么配方，以水泥重量为1，水与水泥之比称为水灰比。水灰比的确定必须根据要求进行预配试验。 废灰比（以水泥重量为1，废物与水泥之比称为水灰比） 盐灰比（以水泥重量为1，盐量与水泥之比称为水灰比）,例如秦山核电站水泥固化配方为水泥200Kg，
10、废液145Kg，废液含盐量250g/L，比重1.2Kg/L,由此可得： 水灰比=水/水泥=（145-30.2）/200=114.88/200=0.574； 废灰比=废液/水泥=145/200=0.725； 盐灰比=含盐量/水泥 =30.2/200=0.151。 （145/1.2）*0.25=30.2,1.8.2 水泥净浆稠度 和初终凝时间的测定方法,水泥净浆稠度：水泥浆达到一定流动度时的需水量。是水泥的重要性能之一。 拌和好的水泥净浆装入锥模内，振动捣实，刮去多余的净浆，迅速将锥模放到试锥（柱）下面的固定位置上。将试锥降到净浆表面，拧紧螺丝，然后突然放松，让试锥自由沉入净浆中，到30秒时，试锥
11、（柱）下沉深度mm数，即为水泥浆稠度(距底板6 1mm,水泥浆用水量标准稠度和标准稠度用水量) 。 （GB/T 1346-2001）,水泥净浆稠度测定示意图,试锥,锥模,试杆,mm数,6mm,1.8.2 水泥净浆稠度 和初终凝时间的测定方法,初终凝时间的测定方法：将锥模放到玻璃板上，倒入水泥浆，放入养护箱内。测定时，取出锥模放到试锥下，使试针与净浆面接触，拧紧螺丝，然后突然放松，试针自由沉入净浆，观察指针读数。从加水时起，至试针沉入净浆中距底版0.51.0（41）mm，所需时间为初凝时间，临近初凝时间每隔5分钟测定一次；试针沉入净浆中不超过1.0mm时，所需时间为终凝时间，临近终凝时间每隔5（
12、15）分钟测定一次。 （GB/T 1346=2001）,初终凝时间的测定示意图,开始,初凝,终凝,1.8.3 水泥净浆流动度的测定,将测定水泥净浆用的锥模放在玻璃板上，玻璃板下压一张画有坐标的纸，圆锥中心对准零点。水泥浆倒入锥模中，刮去多余的净浆。提起锥模，水泥浆在玻璃板上摊成圆饼状，圆饼直径mm数即为水泥净浆流动度。,水泥净浆流动度测定示意图,水泥浆,锥模,玻璃板,mm数,2 放射性废物水泥固化技术,2.1 前言 2.2 固化基材 2.3 水泥固化辅助材料 2.4 放射性废物水泥固化的主要方法 2.5 国内外水泥固化法简介 2.6 实验室水泥固化配方研究过程,2.1 前言,水泥固化是以水泥为
13、基本固化基材，将放射性废液或分散性、均匀性放射性废物（如废树脂）通过混合、水合转化为均一、稳定的固体状态。 水泥固化放射性废物是把废物当作骨料看待，掺入水泥之中形成水泥固化体，水泥仍然起着骨架作用，而废物并非砂子、砾石。它们与水泥之间没有很强的粘结能力，这样就使固化体的抗压强度大大降低。废物掺入水泥浆中也不利于水泥水化反应的发生和进行，影响水泥固化体的凝结硬化。,水泥固化法的优点,（1） 材料易得、便宜，操作处理简单； （2） 固化物的组织比较密实； （3） 固化物的耐压性好； （4）用同一过程可处理各种废物，处理过程所需时间较短； （5）产品抗热性好等。,水泥固化法的缺点,（1） 混合过程中
14、有造成污染的危险，需要去污； （2）和其它固化法相比，固化体的体积增加；与沥青固化相比，水泥固化体与水接触时，核素的浸出率高。,采用各种固化方法的国家,各种固化方法的比较,2.2 固化基材,传统的硅酸盐水泥 (主要水化产物C-S-H凝胶;多孔 ) 掺加混合材料的水泥 矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥、复合水泥 （活性SiO2与水泥水化产生的Ca(OH)2反应，消耗了Ca(OH)2并形成C-S-H ） 铝酸盐水泥 Fondu水泥（40%Al2O3）和Secar水泥（75%Al2O3） 碱矿渣水泥 (水化产物为低钙C-S-H和沸石类矿物；高强、高密度、抗蚀性好、水化热低、热稳定性好等优点 ) AS
15、C特种水泥 (组成中Al2O3、MgO、SO2、TiO2含量相对高),2.3 水泥固化辅助材料,粉煤灰 降低浸出率，减少释热量 矿渣 降低浸出率，减少释热量 沸石 增加吸附能力 粘土矿物 降低浸出率，减少释热量 硅灰 提高致密度，降低浸出率 超塑化剂 减少用水量，降低浸出率 氢氧化钙 常用于含硼酸盐的废物，以使固化体正常凝结 硅酸钠 可使重金属核素沉淀，降低浸出率,蛭石,蛭石是粘土矿物的一种，具有层状结构的天然硅铝酸盐矿物。 蛭石和其它矿物（蒙脱土、沸石、海绿石砂、Cinasauge页岩）一样，离子交换容量较大，特别在除铯方面有其独特的性质 掺入加热处理过的蛭石后，固化体中铯在28天内的浸出份额大约下降50%，但蛭石的固化体强度低 。 在水泥固化中使用蛭石较好，但固化含硫酸钠的废液时，由于产生“水泥杆菌”而使体积膨胀破裂。因此，作为吸附剂
