碱矿渣复合胶凝材料固化Sr2+的效率及机理

杨长辉　于泽东　陈雅蓉　陈科　王新

摘要：

通过浸出率试验、SEM及吸附试验，研究了碱矿渣复合胶凝材料固化Sr2+的效率，分析其固化机理。结果表明，碱矿渣复合胶凝材料固化Sr2+的效率受碱种类、碱当量以及矿物掺合料的影响。在3.0%～6.0%范围内，随着碱当量的增加，碱矿渣复合胶凝材料固化Sr2+的效率逐渐提高；Na2O当量相同时，水玻璃作碱组分的胶凝材料固化Sr2+的效率优于NaOH作碱组分的胶凝材料；硅藻土部分替代矿渣所得胶凝材料固化Sr2+的效果优于高岭土、沸石粉，且随着硅藻土掺量的增加，固化基体对Sr2+的固化效果逐渐增强。其原因为硅藻土对Sr2+的吸附效果较好并能有效改善固化基体的微观结构。

关键词：

碱矿渣胶结材；固化；浸出率

能源是人类赖以生存和发展不可或缺的物质基础，随着全球石油、天然气和煤炭资源的日趋短缺以及对京都协议的贯彻执行，核能已经被很多国家视为最重要、最有潜力的新型能源之一，并且核能的和平利用被认为是“二十世纪人类伟大成就”[1]。核技术的开发利用给人类带来巨大经济效益和社会效益的同时，必然产生一定的核废料，也就是放射性废料 [2]。这些放射性废料对于人体和环境都有着很大的危害。所以，如何安全处理放射性废料已经成为关系核能源安全利用的至关重要的问题[3]。

对于放射性废料的处置，人们认为最合理的措施是首先将放射性废料进行固化处理，然后将得到的放射性废料固化体进行最终的地质处置。目前的固化方法主要有玻璃固化、陶瓷固化及水泥固化等。在放射性废料水泥固化材料的研究方面，各国都进行了一定的研究。其中美国橡树岭国家实验室用页岩裂缝灌注法对中、低放废物固化处置研究已进行多年[4]，该技术是用高压泵将中、低放废物、水泥和其他辅助材料制成的混合浆体打入页岩裂缝，灌注的基体材料是由波特兰水泥、粉煤灰、黏土及核素离子滞留剂组成。萨凡纳河工厂将低水平放射性废物与粒化高炉矿渣和水泥混合制成一种浇注浆体，然后把这种浆体通过高压泵打入钢筋混凝土容器中，凝固后成为一种盐石固化体[5]。李玉香等人在实验室研制出新型放射性废物固化材料——富铝碱矿渣黏土矿物胶凝材料[6]，它具有高强、低孔隙率、少有害孔、抗硫酸盐侵蚀和耐辐照性能好的特点，且以此为基材的模拟放射性废物固化体Sr2+和Cs+浸出率低。严生、赵怀红[7]在研究高放废液萃取和离子交换去除超铀元素和Sr、Cs后变成中低放废液固化时提出沸石基碱矿渣水泥大体积浇注固化方法，在废物包容量为20%（以固形物计）时，泥浆流动度为190 mm，固化体28 d抗压强度达103 MPa，Sr2+和Cs+浸出率低于标准规定限值，且固化体具有良好的热稳定性和耐辐射性。沈晓冬等[8]研究表明，以碱矿渣水泥为基体，掺入适量沸石和硅灰，采用特殊工艺，在废物包容量小于25% 时。固化体抗压强度65～100 MPa，孔隙率小于10% ，核素Cs和Sr离子浸出率仅为10-5g·cm-2/d和10-6g·cm-2/d，与现有玻璃固化体性能相近。Silsbee等[9]认为，矿渣在高碱水泥（碱含量1.02%）中替代量为65%时，水化28 d后孔溶液碱含量降低了2/3（从0.78 moLlj降至025 mo比）。近20年来，国内外通常将硅酸盐水泥及粘土矿物材料（如膨润土、高岭土、凹凸棒石粘土等）或沸石进行复合[1013]，以期增强复合材料对核素的吸附能力，从而达到滞留核素离子的目的。

杨长辉，等：碱矿渣复合胶凝材料固化Sr2+的效率及机理

本研究旨在利用活性矿物掺合料对Sr2+的吸附能力和对碱矿渣胶凝材料硬化体微观结构的改善作用，提高碱矿渣复合胶凝材料对Sr2+的固化效率，为含放射性核素Sr2+的废物处置和治理提供技术基础。

1原材料及试验方法

1.1原材料

1.1.1矿渣重庆钢铁集团水淬高炉矿渣，表观密度为 2.90 g/cm3，比表面积为500 m2/kg。化学成分见表1。

1.1.2水泥重庆拉法基水泥厂生产的拉法基42.5水泥（OPC），比表面积为300 m2/kg。水泥的化学成分及基本性能分别见表1 和2。

1.1.5氯化锶纯度不小于99%。

1.1.6拌合用水去离子水和自来水。

2.2试验方法

2.2.1Sr2+浸出率试验方法参照HJ/T 300-2007《固体废物—浸出毒性浸出方法-醋酸缓冲溶液法》进行。

2.2.2Sr2+吸附试验试验采用紫外可见吸收光谱法测定Sr2+的吸附量，仪器为日本岛津UV-260紫外可见分光光度计。

2.2.3SEM试验将试件进行破型，取得5 mm大小的颗粒。用无水乙醇浸泡24 h以终止水化。然后取出在烘箱中烘干至恒重。送样检测。

2矿物掺合料碱矿渣复合胶凝材料对Sr2+固化效果研究

试验配比如表5，其中水灰比为0.35，SrCl2掺量以胶凝材料质量百分比计为3%；浸泡龄期为3、7 d；NH2试件养护龄期为3、7、14、28 d，其余试件养护龄期皆为7 d。

2.1不同固化基体对Sr2+的固化效果研究

采用普通硅酸盐水泥、碱矿渣水泥以及矿物掺合料与胶凝材料复合的固化基体，其固化Sr2+的效果如图1。结果表明，碱矿渣胶凝材料体系中Sr2+的浸出率较普通硅酸盐水泥体系中Sr2+的浸出率低。这说明，碱矿渣胶凝材料体系对Sr2+的固化能力要比普通硅酸盐水泥体系的固化能力强；对掺矿物掺合料的碱矿渣胶凝材料体系的固化能力也比掺矿物掺合料的水泥体系的固化能力强。这可能是由于碱矿渣胶凝材料具有良好的抗渗性能[1416]，对Sr2+具有良好的固化效果。

2.2碱当量对基体固化Sr2+效果的影响

试验以NaOH为碱组分，研究了碱当量对矿物掺合料—碱矿渣胶凝材料体系对Sr2+固化效果的影响，结果如图2所示。

结果表明，在3%～6%范围内，随着碱当量的增加，固化体的浸出率逐渐减小。当碱当量为30%时，其3、7 d的浸出率分别为0301%和0190%；当碱当量为5.0%时，其3、7 d的浸出率分别为0207%和0.061%。这说明，随着碱当量的增加，矿物掺合料—碱矿渣胶凝材料体系对Sr2+的固化效果逐渐增强。

这是由于碱当量的提高，矿渣水化程度提高，硬化体强度增长，内部孔隙细化，因此对Sr2+的固化效果更好。