放射性金属废物水泥砂浆固定配方研究

刘秋丽

（中核四川环保工程有限责任公司，四川 广元 628000）

中国各类核设施已步入退役阶段，退役过程中会产生大量的放射性固体废物，其中大部分为放射性金属废物，对于无法解控的放射性金属废物通常采用在废物桶或钢箱中进行砂浆固定的技术[1]。

砂浆固定技术主要依托于砂浆固定配方，因此需要研究满足实际工程应用要求的砂浆配方，即流动度大于310 mm、28 d抗压强度不小于60 MPa、28 d抗氯离子电通量小于2 500 C，参考标准为EJ 1186—2005（以下简称“行标”）[2]。

1 实验方法

先将水泥、粉煤灰、石英砂倒入搅拌锅内干搅30 s，再加入水和外加剂搅拌4～7 min，搅拌完成后浇筑于用于性能测试的不同型号的模具中，模具放入YH-40B型标准恒温恒湿养护箱内进行养护，24 h后对模具进行脱模处理。

试验过程中对灰浆的流动度、泌水性以及养护28 d固定砂浆的抗压强度、抗氯离子电通量进行了测定。

2 实验条件准备

2.1 实验仪器

实验仪器选择如下：JJ-5型水泥胶砂搅拌机（无锡锡仪建材仪器厂）、YH-40B型标准恒温恒湿养护箱（北京科达京威科技有限公司）、水泥胶砂流动度测定仪（成都市锡津试验仪器有限公司）、YAW-300C型抗压强度测试仪、DTL-6型电通量测试装置、ZN-BSJ型真空饱水设备（北京中科东晨科技有限公司）、电子天平（1/1 000）、电子秤（5 kg）。

2.2 实验材料

实验材料选择如下：P.O52.5普通硅酸盐水泥，由四川宗盛特种水泥有限公司生产；一级粉煤灰，由江油电厂生产；人工石英砂，粒径为0.42～0.85 mm；减水剂，高强无收缩灌浆材料CGM；Φ50 mm×50 mm、Φ100mm×50 mm PVC塑料圆柱筒模；自来水等。

3 固定配方实验设计

根据混凝土配合比计算方法[3]及实际调研[4]设计了5组实验配方，如表1所示。

表1 固定配方理论计算配合比

4 结果与分析

4.1 灰浆流动度

砂浆流动度对放射性固体废物固定工艺具有较大的影响，需要满足较高的流动度以便于砂浆更好输送、浇筑，但是，较大的流动度容易造成灰浆搅拌不均匀、骨料沉底等现象，因此，需要确定最佳水灰比以获得流动性较好、搅拌较均匀的固定砂浆。

流动度测试方法参考GB/T 2419—2005[5]，测试结果如表2所示。

表2 灰浆流动度测试结果

从实验结果可以看出随着水灰比增大，砂浆流动度呈上升趋势。配方1#和配方2#由于水灰比较小，流动性较低；配方5#水灰比较大，流动性较大，灰浆出现分层现象；配方3#和配方4#流动性效果较好，灰浆混合均匀，无分层现象。

4.2 固定砂浆性能测试

分别对配方1#—配方5#进行取样及性能测试，包括灰浆泌水性测试及28 d固定基材抗压强度及抗氯离子电通量测试，测试过程及结果如下。

4.2.1 灰浆泌水性测试

高致密性固定砂浆要求泌水率为0%，泌水性测试方法如下：将制备好的灰浆迅速注入250 mL量筒中，然后用保鲜膜封口，防止水分蒸发。灰浆的用量为100cm3（约为1个Φ50×50 mm的圆模用量），使用2 mL量筒测泌水量。对5组配方进行取样及泌水性测试，测试结果如表3所示，5组配方泌水率为0%，满足标准要求。

表3 泌水率测试试验结果

4.2.2 28 d固定基材抗压强度测试

高致密性固定砂浆要求28 d抗压强度大于等于60 MPa，具体测试方法参照GB/T 17671—1999[6]，测试结果如表4所示，5组配方抗压强度均大于60 MPa，满足标准要求。

表4 28 d抗压强度试验结果

4.2.3 28 d固定基材抗氯离子电通量测试

根据核行标要求，氯离子迁移电量应小于2500C，因此，对5组样品进行了氯离子抗渗性测试试验。按照具体操作方法进行试验测试，氯离子迁移电量测试示意图如图1所示，试验结束后，应绘制电流与时间关系图，对曲线作面积积分或按梯形法进行面积积分，得到试验6 h通过的电通量，测试所得的总电通量应换算成直径为95 mm试件的电通量值。换算公式为Q=Qx×（95/x）2，Q为通过直径为95 mm的试件的电通量，C；Qx为通过直径为Xmm的试件的电通量，C；x为试件的实际直径，mm。

图1 氯离子迁移电量测试示意图

测试结果如表5所示，5组配方均满足要求。

表5 28 d抗氯离子电通量测试结果

4.2.4 综合分析

对5组不同水灰比配方分别进行了灰浆流动度、泌水性及养护28 d抗压强度、抗氯离子电通量进行了测试分析，综合比较了5组配方实验结果，结果如表6所示。配方3#和配方4#流动度较好，灰浆搅拌效果较好，且28 d性能测试结果优于其他3组配方，因此，推荐的水泥砂浆配方比例（按质量比）为：P.O52.5水泥为26.5%～26.8%，细砂为53.9%～54.5%，粉煤灰为6.60%～6.67%，CGM减水剂为3‰，水灰比为0.13～0.14。

表6 灰浆流动度测试结果

5 结论

通过研究，得出了不可燃放射性固体废物砂浆固定配方，即P.O52.5水泥为26.5%～26.8%、细砂为53.9%～54.5%、粉煤灰为6.60%～6.67%、CGM减水剂为3‰，水灰比为0.13～0.14。采用该配方形成的水泥砂浆流动度、28 d抗压强度、28 d抗氯离子电通量等指标均满足行标的要求，为进一步工程实践提供了技术支撑。