CN101549965A - 一种处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料及处理中、低放射性焚烧灰的方法 - Google Patents

一种处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料及处理中、低放射性焚烧灰的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料及处理中、低放射性焚烧灰的方法。该固化材料是以矿渣、粉煤灰、沸石、偏高岭土、水泥熟料为待激发材料，经粉磨后和激发剂混合均匀得到，可使用液体激发剂或复合固体激发剂。使用该固化材料，可将待激发材料与激发剂混合，按30～40％的包容量，按固化操作与焚烧灰混合、搅拌、养护至固化。用本发明的水泥基固化材料可以制备出焚烧灰包容量大于30％、机械性能稳定、核素离子浸出率低的核废料固化体，尤其是固化含钚废物时，42天239Pu浸出率在10－6～7cm/d。本发明将在中、低放射性焚烧灰的处理中发挥重要作用，应用前景广阔。

Description

一种处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料及处理中、低放射性焚烧灰的方法
技术领域
本发明涉及处理放射性废物的固化材料，特别是涉及一种用于处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料及其在处理中、低放射性焚烧灰中的应用。
背景技术
由于核科学和核技术在科学、医疗、工业和军事上的应用与研究，每年都会产生大量被放射性污染的塑料、纸张、工作服、手套等具有中、低放射性及可燃性的废物。为了消除因霉变、着火等原因造成的放射性物质泄露隐患，需要对其进行焚烧减容处理，生成易于处置的稳定形式-焚烧灰。
但是，焚烧并不能改变废物的放射性，如何妥善和严格管理这些放射性焚烧灰，不使其泄漏到生物圈中去，已不仅是一个单纯的科学技术难题，而是成为一个国际性的政治问题和社会问题。目前，在放射性废物处理的问题上，世界各国已经形成了比较一致的意见，即将放射性废物先进行固化，再将固化包装体置于深地层、输水性能好的基岩中，基岩与固化体间填充对放射性核素阻滞性能好的填充物，依据多重阻碍的原则形成对放射性核素与生物圈长期有效的隔离。
放射性废物的固化方法主要有水泥法、沥青法、塑料法、玻璃法、陶瓷法等。水泥固化法因设备工艺简单，无需高温，一次性投资少，无废气净化问题，原料易得，水化产物稳定，现已成功用于中低放废物的固化。然而，用常规工艺制备的水泥固化体是多孔材料，核素浸出率高，加上某些成分对水泥水化不利，影响了固化体性能和包容量的提高。碱胶凝材料因孔隙率低、强度高、水化完全，对放射性核素吸附阻滞效果好，长期稳定性好，是一种较为理想的放射性废物固化材料，日益成为研究热点。
目前，国内外对中低放射性废物的水泥基材料固化处理做了大量研究，从使用传统的硅酸盐水泥、铝酸盐水泥或在硅酸盐水泥中掺加硅灰、矿渣、粉煤灰等混合材水泥向硅酸盐水泥-粘土矿物复合体系、碱激发胶凝材料体系、碱矿渣-粘土复合胶凝材料以及水热合成材料方向发展。
但还存在以下问题：
(1)废物包容量低(20％左右)；
(2)核素浸出率偏高，特别是对含钚废物的固化效果较差；
(3)核素离子固化机理需进一步研究；
(4)国内研究多数停留在模拟固化阶段，较少进行真实废物固化处理；
(5)固化体水化产物需进一步优化，以增强对核素的固化作用。
此外，对中低放射焚烧灰的固化研究则较少，焚烧灰的组成与性能严重影响固化体包容量的提高与核素离子的固化效果。例如，a.当灰中混有CaO时，其遇水反应生成Ca(OH)2，放出大量的热，体积膨胀97.9％，产生局部应力，导致固化体安定性不良；b.当灰中混有PbO、ZnO、CuO等时，这些金属氧化物会延迟水泥的水化反应；c.当灰中混有Mg、Al、Zn、Sn和Pb等金属时，水泥中的碱性组份就会与这些金属发生反应致使固化物放置中释放氢气，并引起固化体发生裂隙，甚至使包装容器破损。为此，开发新型水泥固化材料，提高焚烧灰的包容量及固化体的综合物理化学性能，对放射性废物的安全管理具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种废物包容量大、机械性能稳定、核素离子浸出率低的用于处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料。
为解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
一种处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料，是以粉磨后的矿渣、粉煤灰、沸石、偏高岭土和水泥熟料组成待激发材料，和激发剂混合均匀，经养护、固化得到的改性水泥。
其中：所述偏高岭土为经过低温煅烧的；所述水泥熟料为华新P I 52.5水泥熟料或基准水泥高品质水泥熟料。
其中：所述矿渣、粉煤灰、沸石、偏高岭土、水泥熟料为分别粉磨至400～500±20m2/Kg、400～500±20m2/Kg、100～300目、1000～1500目、400～500±20m2/Kg的粉体；所述矿渣、粉煤灰、沸石、偏高岭土和水泥熟料的重量份数比为40～70∶10～20∶10～30∶10～35∶4～20。
其中：为提高水泥机械性能，所述水泥基固化材料中还添加有0～6重量份聚合物乳胶粉；添加时，聚合物乳胶粉用量计入水泥基固化材料粉料重量中，优选在100重量份的水泥基固化材料粉料中含4～6重量份的聚合物乳胶粉。
其中：为提高水泥流动性及抗渗性能，所述水泥基固化材料中还添加有0～0.8重量份的奈系减水剂FDN；添加时，减水剂FDN用量计入水泥基固化材料粉料重量中，优选在100重量份的水泥基固化材料粉料中含0.3～0.8重量份的奈系高效减水剂。
在以上所述水泥基固化材料中：所述激发剂为液体激发剂，液体激发剂为n为1.2～1.8的水玻璃，添加量为水泥基固化材料粉料重量的5～10％。
或者，所述激发剂为复合固体激发剂，是以15～35重量份的硅酸钠、55～75重量份的硫酸钠和5～15重量份的氢氧化钙组配而成，复合固体激发剂用量计入水泥基固化材料粉料重量中，在100重量份的水泥基固化材料粉料中含5～10重量份固体激发剂。
本发明的第二个目的是提供一种处理中、低放射性焚烧灰的方法。
本发明所提供的处理中、低放射性焚烧灰的方法，是使用本发明的水泥基固化材料，将待激发材料、聚合物乳胶粉和奈系减水剂FDN与激发剂混合，按30～40％的包容量，按固化操作与焚烧灰混合、搅拌、养护至固化。
在上述处理中、低放射性焚烧灰的方法中，使用固体激发剂时，将待激发材料、聚合物乳胶粉和奈系减水剂FDN与固体激发剂直接混合，混料20±2min后再与焚烧灰混合加水搅拌、养护至固化。
使用液体激发剂时，将待激发材料、聚合物乳胶粉和奈系减水剂FDN与焚烧灰和液体激发剂直接混合搅拌，搅拌15±2min后再养护至固化。
本发明提供了一种新的处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料，用本发明的水泥基固化材料可以得到出焚烧灰包容量大于30％、机械性能稳定、核素离子浸出率低的核废料固化体，尤其是固化含钚废物时，42天239Pu浸出率小于1.0×10-6cm/d。本发明的水泥基固化材料具有废物包容量大、机械性能稳定、核素离子侵蚀率低(239Pu)等特点，其制备过程无化学污染源、无放射性、无光污染、无噪声。本发明将在中、低放射性焚烧灰的处理中发挥重要作用，应用前景广阔。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1为使用固体激发剂处理中、低放射性焚烧灰的工艺流程图
图2为使用液体激发剂处理中、低放射性焚烧灰的工艺流程图
具体实施方式
为解决现有水泥基固化材料废物包容量小、核素离子浸出率偏高的问题，本发明通过采用先模拟固化处置优化再进行真实固化处置优化得到最优的水泥基放射性核素固化材料。
本发明处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料(也称改性水泥)，至少由待激发材料、激发剂共同制备得到，制备中还可加入其它外加剂。
这里，待激发材料是以矿渣、粉煤灰、沸石、偏高岭土和水泥熟料为原料，经粉磨混合均匀得到。偏高岭土为经过低温煅烧的；水泥熟料优选为高品质水泥熟料，如华新P I 52.5水泥熟料、基准水泥熟料；粉磨要求：矿渣400～500±20m2/Kg、粉煤灰400～500±20m2/Kg(优选为450±20m2/Kg)、沸石100～300目(优选为200目)、偏高岭土1000～1500目(优选为1250目)、水泥熟料400～500±20m2/Kg(优选为450±20m2/Kg)。
待激发材料原料混合使用时，矿渣、粉煤灰、沸石、偏高岭土和水泥熟料的重量份数比为38～70∶10～15∶10～30∶10～35∶4～15。通过引入高性能水泥熟料、低温煅烧的偏高岭土及沸石等对基材进行改性，所得水化产物以低Ca/Si的水化硅酸钙、沸石为主，它们对核素离子具有较强的化学固化，从而极大增强了水泥基固化材料的核素离子固化效果。本发明后续实验结果表明，在高包容量的条件下(30％～40％)，当固化含钚废物时，42天239Pu浸出率小于1.0×10-6cm/d。
本发明中，所述激发剂分为液体激发剂和固体激发剂：其中，液体激发剂以Na2O.nSiO2为主要成份，n为1.2～1.8(依据固化材料而定)，可购自北京市红星广厦化工建材有限责任公司，液体激发剂添加量为粉体材料(包括待激发材料和外加剂、减水剂)重量的5～10％；固体激发剂以硅酸钠、硫酸钠、氢氧化钙为主要成份，配方按重量为：15～35份的硅酸钠、55～75份的硫酸钠、5～15份的氢氧化钙(依据固化材料而定)，每100重量份的水泥基固化材料组成中(不含水，包括待激发材料、固体激发剂本身和外加剂、减水剂)添加5～10重量份的固体激发剂。添加激发剂的目的是激发待激发材料的潜在活性组分，产生胶凝性，作用机理为：在碱和水参与的作用下(即借助于化学能)，将待激发材料中聚合的Si-O-Si或Al-O-Al键键裂解(但不一定都要解聚成单体)，而后再将经解聚后形成低聚合度的物质，聚合为另一种与原料组成不同的、聚合度高的并具有胶凝性的水化物。
此外，为提高水泥的机械性能，所述水泥基固化材料中还可添加有外加剂，如聚合物乳胶粉，加入聚合物乳胶粉时，其用量计入水泥基固化材料粉料(包括待激发材料、固体激发剂、外加剂本身和减水剂)总量中，可在每100重量份的水泥基固化材料粉料中添加4～6重量份的聚合物乳胶粉。在水泥固化基材中引入聚合物乳胶粉的目的是对其进行改性：一方面利用聚合物乳化成膜后与水泥水化产物间的牢固结合机制对固化体进行增韧，明显改善了固化体的抗冲击性能；另一方面利用乳胶粉在固化体中引入的微小气泡优化固化体的孔隙结构，显著改善了固化体的抗冻融破坏能力。使水泥固化体的机械性能提高了一个档次，从而更好地保证焚烧灰固化体的安全操作、运输及最终处置。
为提高水泥流动性及抗渗性能，所述水泥基固化材料中还可添加有高效减水剂(例如奈系高效减水剂FDN)，加入减水剂时，其用量计入水泥基固化材料粉料(包括待激发材料、固体激发剂和外加剂和减水剂本身)总量中，可在每100重量份的水泥基固化材料组成中添加0.3～0.8重量份的减水剂。
本发明在优化各组分组配时，采用模拟固化处置优化和真实固化处置优化两种实验方法。
1)模拟固化处置优化：研究真实放射性焚烧灰的化学组成、矿物组成及性能，用垃圾灰、非放射性核素及其它特殊组份(如CaO、ZnO等)制备出与真实焚烧灰相近的模拟焚烧灰；并采用已组配改性水泥进行模拟固化处置，依据测试结果，反馈调整适合模拟灰的改性水泥制备技术及工艺，再调整改性水泥的组配；
2)真实固化处置优化：采用1)优化的改性水泥组配进行真实放射性焚烧灰的固化处置，并依据性能测试结果对水泥制备技术及工艺进行再优化，确定最终水泥制备技术及工艺参数，确定最佳水泥基固化材料的组配。
应用本发明处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料进行中、低放射性焚烧灰固化处理的方法，可包括以下步骤：
1)粉磨：对待激发材料原料进行粉磨；
2)混料：将待激发材料和固体激发剂装入混料器中，混合均匀；
3)固化：按设定的包容量，按固化操作与焚烧灰混合，经搅拌、养护至固化。
在上述制备方法中，所述步骤2)中依据物料的特性设定的相应的混料时间，固体激发剂与待激发材料的混料时间设定为20±2min。
如添加有聚合物乳胶粉或减水剂，在步骤2)中完成。
如使用液体激发剂，则省略步骤2)，直接将固体原料(待激发材料和焚烧灰)和液体激发剂同时混匀，经搅拌、养护至固化。液体激发剂与其它固体原料的混料及搅拌时间设定为10±2min。
以下以具体实施例进一步说明本发明。下述实施例1-12采用本发明的最佳实验方案，本领域的普通技术人员能够依据本发明公开的内容显而易见地想到一些雷同、替代方案，均应属于本发明的公开内容。实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
实施例1、处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料的制备及固化效果
如图1所示，使用固体激发剂制备水泥基固化材料并实施固化处理。
粉磨：对原料进行粉磨，原料包括矿渣、沸石、经过低温煅烧的偏高岭土及华新P I 52.5水泥熟料(硅酸盐水泥)，分别粉磨至400±20m2/Kg、100目、1000目、400±20m2/Kg。
配料与混料：
取粉磨后4.97Kg矿渣、1.5Kg沸石、1.5Kg偏高岭土和0.7Kg水泥熟料，再取0.5Kg聚合物乳胶粉及0.8Kg自制复合固体激发剂(由重量份数为15份的硅酸钠、75份的硫酸钠和10份的氢氧化钙组配而成)，装入混料器中，并添加高效减水剂(奈系高效减水剂FDN)0.03kg一起混合均匀，混料时间为20±2min得到改性水泥B1；
取粉磨后3.95Kg矿渣、2.0Kg沸石、2.5Kg偏高岭土、0.5Kg水泥熟料、0.5Kg聚合物乳胶粉及1.0Kg自制复合固体激发剂(由重量份数为25份的硅酸钠、70份的硫酸钠和5份的氢氧化钙组配而成)装入混料器中，并添加高效减水剂(奈系高效减水剂FDN)0.05kg一起混合均匀，混料时间为20±2min得到改性水泥B2；
模拟焚烧灰的制备：
依据真实放射性焚烧灰的化学组成、矿物组成及性能，用垃圾灰、非放射性模拟核素及其它特殊组份(如CaO)制备出与真实焚烧灰相近的模拟焚烧灰，制备方法为将垃圾灰6.45kg、模拟核素铯Cs 0.05kg及CaO 3.5kg装入混料器，混料时间25±2min；
模拟固化处置：用步聚2)得到的改性水泥B1、B2对模拟焚烧灰进行模拟固化处置，按30wt％焚烧灰及70wt％水泥基固化材料的比例，按固化操作在搅拌机内加水搅拌并制备成Φ50mm×50mm试样，在温度为25±5℃的环境下养护至相应龄期，按照GB 14569.1-93《低、中水平放射性废物固化体性能要求-水泥固化体》与GB 7023-86《放射性废物固化体长期浸出试验》进行各项性能测试，结果见表1.a。
表1.a模拟焚烧灰的水泥固化体测试结果
编号   抗压强度/MPa 抗冲击性 抗冻融性 抗浸泡性   浸出率137Cs(42d)
  B1   38.4   合格   合格   合格   2.3×10-4cm/d
  B2   26.5   合格   合格   合格   7.6×10-5cm/d
由表1.a可见，在30％包容量下，B1、B2改性水泥固化体的各项性能均满足GB 14569.1-93的性能要求，137Cs(42d)的浸出率低于10-3cm/d(如果达不到要求，则需要调整改性水泥的参数)。
以上实验结果也提示，本发明改性水泥在模拟固化处置中具有较好的效果。
真实固化处置：采用B1和B2改性水泥进行真实放射性焚烧灰的固化处置，按30wt％真实放射性焚烧灰(取自中国工程物理研究院，其中Cs的活度为105～6Bq)及70wt％水泥基固化材料的比例，按固化操作在搅拌机内加水搅拌并制备成Φ50mm×50mm试样，在温度为25±5℃的环境下养护至相应龄期，按照GB 14569.1-93《低、中水平放射性废物固化体性能要求-水泥固化体》与GB 7023-86《放射性废物固化体长期浸出试验》进行各项性能测试结果见表1.b。
表1.b  真实放射性焚烧灰的水泥固化体测试结果
编号   抗压强度/MPa 抗冲击性 抗冻融性 抗浸泡性   浸出率137Cs(42d)
  B1   32.5   合格   合格   合格   1.8×10-4cm/d
  B2   21.0   合格   合格   合格   6.5×10-5cm/d
由表1.b可见，在30％包容量下，B1～B2改性水泥固化体的各项性能均满足GB 14569.1-93的性能要求，137Cs(42d)的浸出率低于10-3cm/d(如果达不到要求，则需要调整改性水泥的参数)。由此可见，改性水泥B1～B2能较好地固化处置真实高钙焚烧灰。
实施例2、处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料的制备及检测
根据图2所示，进行液体激发剂水泥基固化材料制备。
粉磨：分别将矿渣、粉煤灰、沸石、华新P I 52.5水泥熟料粉磨至500±20m2/Kg、450±20m2/Kg、200目、450±20m2/Kg；
混料：
取6.0Kg矿渣、1.5Kg粉煤灰、1.5Kg沸石及1.0Kg华新P I 52.5水泥熟料混合均匀，得待激发材料A1；
取6.5Kg矿渣、1.0Kg粉煤灰、2.0Kg沸石及0.5Kg华新P I 52.5水泥熟料混合均匀得待激发材料A2；
取5.5Kg矿渣、1.0Kg粉煤灰、3.0Kg沸石及0.5Kg华新P I 52.5水泥熟料混合均匀得待激发材料A3；
按高金属氧化物焚烧灰(来自中国工程物理研究院，其中Cs的活度为105～6Bq)、液体激发剂(M＝1.4的水玻璃，购自北京市红星广厦化工建材有限责任公司)分别占待激发材料重量的35％、5％(以Na2O计)的比例，加入搅拌机内制备成Φ50mm×50mm试样，在温度为25±5℃的环境下养护至相应龄期，按照GB 14569.1-93《低、中水平放射性废物固化体性能要求-水泥固化体》与GB 7023-86《放射性废物固化体长期浸出试验》进行各项性能测试，测试结果见表2。
表2高金属氧化物焚烧灰水泥固化体性能测试结果
编号   抗压强度/MPa 抗冲击性 抗冻融性 抗浸泡性   浸出率137Cs(42d)
  A1   52.2   合格   合格   合格   2.0×10-4m/d
  A2   37.5   合格   合格   合格   4.5×10-4cm/d
  A3   25.8   合格   合格   合格   1.2×10-4cm/d
由表2可知，A1～A3与液体激发剂配合使用，固化体的各项性能均满足GB14569.1-93的性能要求，在35％包容量下，137Cs(42d)的浸出率为10-4cm/d，能较好地固化处置高金属氧化物焚烧灰。
实施例3、处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料的制备及检测
粉磨：分别将矿渣、沸石、偏高岭土、基准水泥熟料(购自北京兴发水泥有限公司)粉磨至400±20m2/Kg、300目、1500目及500±20m2/Kg；
混料：
取6.55Kg矿渣、1.5Kg沸石、1.5Kg偏高岭土及0.4Kg基准水泥熟料及0.05kg的奈系高效减水剂FDN混合均匀得材料C1；
取6.65g矿渣、1.2g沸石、1.2Kg偏高岭土、0.5Kg聚合物乳胶粉及0.4Kg基准水泥熟料及0.05kg的奈系高效减水剂FDN混合均匀得材料C2；
取6.02Kg矿渣、1.5Kg沸石、1.5Kg偏高岭土、0.4Kg高性能水泥熟料及0.5Kg复合固体激发剂(按重量35份的硅酸钠、55份的硫酸钠和10份的氢氧化钙)及0.08kg的奈系高效减水剂FDN混合均匀得改性水泥C3；
取5.22Kg矿渣、1.4Kg沸石、1.4Kg偏高岭土、0.5Kg聚合物乳胶粉、0.4Kg基准水泥熟料及1.0Kg复合固体激发剂(由重量份数为20份的硅酸钠、65份的硫酸钠和15份的氢氧化钙组配而成)及0.08kg的奈系高效减水剂FDN混合均匀得改性水泥C4。
焚烧灰掺量为40％，常规灰(取自中国工程物理研究院，Pu的活度是106～7Bq)。其中C1、C2采用液体激发剂，M＝1.6的水玻璃，购自北京市红星广厦化工建材有限责任公司，掺量为5％(Na2O计)，按照实施例2制备待测试样。C3、C4采用复合固体激发剂，按实施例1制备待测试样。在温度为25±5℃的环境下养护至相应龄期，按照GB 14569.1-93《低、中水平放射性废物固化体性能要求-水泥固化体》与GB 7023-86《放射性废物固化体长期浸出试验》进行各项性能测试，结果见表3。
表3焚烧灰水泥固化体测试结果
编号   抗压强度/MPa 抗冲击性 抗冻融性 抗浸泡性   浸出率239Pu(42d)
  C1   35.2   合格   合格   合格   7.0×10-7m/d
  C2   23.4   合格   合格   合格   5.0×10-7cm/d
  C3   28.7   合格   合格   合格   5.6×10-6cm/d
  C4   15.2   合格   合格   合格   2.5×10-7cm/d
由表3可知，采用C1～C4形成的固化体的各项性能均满足GB 14569.1-93的性能要求，在40％包容量下，239Pu(42d)的浸出率为10-6cm/d，能较好地固化处置常规焚烧灰。
实施例4～12、处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料的制备及检测
用实施例1～2的方法制备处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料，原料配比见表4，焚烧灰掺量为35％，常规灰(取自中国工程物理研究院，Pu的活度是105～6Bq)。并按照GB 14569.1-93《低、中水平放射性废物固化体性能要求-水泥固化体》与GB 7023-86《放射性废物固化体长期浸出试验》进行各项性能测试，其中，焚烧灰水泥固化体测试结果见表5。
表4水泥固化基材原料配比(kg)
  实例编号 矿渣 粉煤灰 沸石   偏高岭土 乳胶粉   水泥熟料   减水剂FDN   液体激发剂   固体激发剂
  4   4.85   -   1.5   2.5   0.6   0.5   0.05   1.0   -
  5   5..45   -   1.5   2.1   0.4   0.5   0.05   0.8   -
  6   4.95   1.0   1.0   2.0   0.5   0.5   0.05   0.6   -
  7   4.45   1.0   1.9   1.5   0.6   0.5   0.05   0.5   -
  8   5.55   -   3.0   1.0   0.4   -   0.05   0.6   -
  9   3.92   -   3.0   -   0.5   1.5   0.08   -   1.0
  10   3.42   -   -   3.5   0.5   1.5   0.08   -   1.0
  11   6.22   -   2.5   -   0.4    -   0.08   -   0.8
  12   6.02   1.0    -   1.5   0.4    -   0.08   -   1.0
备注：液体激发剂添加量为粉体材料重量的5～10％，本身不计入粉体材料中。
表5焚烧灰水泥固化体测试结果
  实例编号   抗压强度/MPa   抗冲击性   抗冻融性   抗浸泡性   浸出率239Pu(42d)
  4   47.1   合格   合格   合格   3.5×10-6m/d
  5   49.4   合格   合格   合格   2.4×10-6cm/d
  6   44.2   合格   合格   合格   5.5×10-6cm/d
  7   38.4   合格   合格   合格   3.6×10-6m/d
  8   24.5   合格   合格   合格   3.8×10-6cm/d
  9   27.1   合格   合格   合格   2.0×10-6cm/d
  10   32.2   合格   合格   合格   1.5×10-6cm/d
  11   56.6   合格   合格   合格   2.9×10-6cm/d
  12   50.8   合格   合格   合格   1.2×10-6cm/d
由表5可知，由实施例4～12材料获得固化体的各项性能均满足GB 14569.1-93的性能要求，由此可见，实施例4～12形成的的固化材料在35％包容量下，239Pu(42d)的浸出率为10-6cm/d，能较好地固化处置常规焚烧灰。
对比实验：常规处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料的制备及检测
采用低碱度碱矿渣水泥(记为AK1)、碱矿渣-粘土复合水泥(记为AK2)进行对比实验。
低碱度碱矿渣水泥AK1以矿渣、粉煤灰、硫酸钠、石膏为原料，其中矿渣、粉煤灰分别粉磨至500m2/kg、460m2/kg，硫酸钠及石膏为工业级。按重量比例68％、18％、4％及10％称取各原料并混料均匀。
碱矿渣-粘土复合水泥AK2以矿渣、沸石、偏高岭土、凹凸棒粘土为原料，分别为500m2/kg、180目、800目及200目。按重量比例70％、5％、15％及10％称取各原料并混料均匀。该水泥以模数M＝2.3的水玻璃为激发剂，按重量比例5％加入(以Na2O计)。
按35％焚烧灰(常规灰，取自中国工程物理研究院，Pu的活度是106～7Bq)及65％水泥基固化材料比例，在搅拌机内加水搅拌并制备成Φ50mm×50mm试样1，在温度为25±5℃的环境下养护至相应龄期，按照GB 14569.1-93《低、中水平放射性废物固化体性能要求-水泥固化体》与GB 7023-86《放射性废物固化体长期浸出试验》进行各项性能测试，结果见6。
表6对比水泥固化体测试结果
Figure A20091008310400141
对比例固化体测试结果表明，在35％包容量下，低碱度碱矿渣水泥固化体的抗冲击性不合格，此外239Pu(42d)的浸出率达不到＜1.0×10-5m/d的要求；而碱矿渣-粘土复合水泥的137Cs(42d)、239Pu(42d)的浸出率虽满足国标要求，但其固化效果较本发明固化材料的固化效果(参见表2、表3和表5)要低很多，有的甚至高一个数量级。
实验还验证，使用低碱度碱矿渣水泥AK1作为基固化材料，要使其全部指标合格，最大包容量仅为20％。
以上实施例说明，本发明的水泥基固化材料具有废物包容量大、机械性能稳定、核素离子侵蚀率低(239Pu)的特点。
以上通过实施例说明了本发明处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料的制备以及不同组分材料配比得到不同的物理力学和材料性能。本发明针对焚烧灰的特性，采用不同的固化基材及相应工艺，提高了焚烧灰与改性水泥的相容性，将现有20％左右的废物包容量提高到30％～40％，这极大减少了固化过程中的体积增容，降低了后期处置所占的空间及费用，具有重大的经济效应。总而言之，本发明水泥基固化材料具有废物包容量大、机械性能稳定、核素离子侵蚀率低(239Pu)等特点，其制备过程无化学污染源、无放射性、无光污染、无噪声。本发明水泥基固化材料的开发利用，具有巨大的市场潜力，广阔的市场空间和前景。从环境保护和可持续发展的角度来看，该多功能复合材料的开发具有十分重要的经济、环保和社会意义。

Claims (10)

1、一种处理中、低放射性焚烧灰的水泥基固化材料，是以粉磨后的矿渣、粉煤灰、沸石、偏高岭土和水泥熟料组成待激发材料，和激发剂混合均匀，经养护、固化得到的改性水泥。
2、根据权利要求1所述的水泥基固化材料，其特征在于：所述偏高岭土为经过低温煅烧的；所述水泥熟料为华新P I 52.5水泥熟料或基准水泥高品质水泥熟料。
3、根据权利要求1所述的水泥基固化材料，其特征在于：所述矿渣、粉煤灰、沸石、偏高岭土、水泥熟料为分别粉磨至400～500±20m2/Kg、400～500±20m2/Kg、100～300目、1000～1500目、400～500±20m2/Kg的粉体；所述矿渣、粉煤灰、沸石、偏高岭土和水泥熟料的重量份数比为40～70∶10～20∶10～30∶10～35∶4～20。
4、根据权利要求3所述的水泥基固化材料，其特征在于：所述水泥基固化材料中还添加有0～6重量份聚合物乳胶粉；添加时，聚合物乳胶粉用量计入水泥基固化材料粉料重量中，优选在100重量份的水泥基固化材料粉料中含4～6重量份的聚合物乳胶粉。
5、根据权利要求3或4所述的水泥基固化材料，其特征在于：所述水泥基固化材料中还添加有0～0.8重量份的奈系高效减水剂FDN；添加时，减水剂FDN用量计入水泥基固化材料粉料重量中，优选在100重量份的水泥基固化材料粉料中含0.3～0.8重量份的奈系高效减水剂。
6、根据权利要求5所述的水泥基固化材料，其特征在于：所述激发剂为液体激发剂，液体激发剂为n为1.2～1.8的水玻璃，添加量为水泥基固化材料粉料重量的5～10％。
7、根据权利要求5所述的水泥基固化材料，其特征在于：所述激发剂为复合固体激发剂，是以15～35重量份的硅酸钠、55～75重量份的硫酸钠和5～15重量份的氢氧化钙组配而成，复合固体激发剂用量计入水泥基固化材料粉料重量中，在100重量份的水泥基固化材料粉料中含5～10重量份固体激发剂。
8、一种处理中、低放射性焚烧灰的方法，其特征在于：使用权利要求1至7任一所述水泥基固化材料，将待激发材料、聚合物乳胶粉和奈系减水剂FDN与激发剂混合，按30～40％的包容量，按固化操作与焚烧灰混合、搅拌、养护至固化。
9、根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：待激发材料、聚合物乳胶粉和奈系减水剂FDN与固体激发剂直接混合，混料20±2min后再与焚烧灰混合加水搅拌、养护至固化。
10、根据权利要求8所述的处理方法，其特征在于：待激发材料、聚合物乳胶粉和奈系减水剂FDN与焚烧灰和液体激发剂直接混合搅拌，搅拌15±2min后再养护至固化。
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