固体放射性废物水泥砂浆固定配方工程验证试验

郑佐西，张 怡，朱欣研，马梅花，张存平，吕景彬，林天龙

(1.中国原子能科学研究院 放射化学研究所，北京 102413；2.海军装备部，北京 100841)

在核设施退役过程中会产生大量的放射性金属固体废物(如切割解体的泵体、管道等)，为符合放射性废物最小化管理的要求，通常要将废物进行进一步处理，如将废物放入标准200 L废物桶中，进行超级压缩形成压饼。这种放射性固体废物是非流动态的，具有较好的化学稳定性和辐照稳定性，不含易燃、易爆、腐蚀性物质，且90%属于中低放射性废物。这些废物在处置前必须进行整备，包括装桶或装箱、固定，之后运输至处置场进行处置，其中整备是为了保证废物体的整体性和整体强度满足安全运输、储存和处置的要求[1-5]。

水泥砂浆作为固定介质，其性能应满足标准EJ 1186—2005所规定的固定废物体用固定介质的性能，即：28 d抗压强度≥60 MPa；流动度≥310 mm；28 d氯离子迁移电量≤2 500 C。此外还需满足工艺要求及2 m3废物箱的水泥砂浆固化过程中的温升≤96 ℃。

为使实验室研究的水泥砂浆固定配方能用于某废物库回取、整备设施中整备车间的水泥固定系统，需对水泥砂浆固定配方进行标准200 L废物桶和2 m3废物箱的工程验证试验。其中2 m3废物箱用于固定中低放射性废物的超压饼，需要大于1 m3的固定材料，如此大体积的水泥砂浆固定材料在固化过程中会产生大量的水化热。针对这种特点，本研究小组前期研发了符合行业标准且保证满足温升要求的实验室水泥砂浆配方。但由于大体积水泥砂浆在固化过程中，包括废物箱的形状、各表面散热条件、包裹的金属超压饼体积等对散热的影响很复杂，故将实验室水泥砂浆配方进行调整并开展工程验证试验[6-11]。

1 方法

1.1 主要材料及仪器

82.5级水泥，唐山北极熊建材有限公司生产。细骨料，市售人工石英砂，分3种粒径：1) 细砂，粒径区间为0.5～1.0 mm；2) 中砂，粒径区间为1.0～2.0 mm；3) 粗砂，粒径区间为2.0～3.0 mm。B缓凝剂，市售。

UWA-K-006 电子称，厦门联贸电子有限公司；PT100-Φ4温度传感器、XSL系统智能巡回检测报警仪，北京博世长城仪器仪表有限公司。

1.2 配方的工程验证

工程验证试验流程为：对实验室水泥砂浆固定配方先进行200 L标准废物桶工程试验(200 L标准桶试验使用的配比编号均以T开头)，试验成功后进行2 m3废物包装箱验证试验。

工程验证试验中使用某工号工程搅拌装置(图1)按照实际工艺流程进行搅拌。

图1 水泥砂浆搅拌装置Fig.1 Mortar mixing device

200 L废物桶的温升测量共用3个测温探头，1个放置在桶中心，2个放置在距桶壁约50 mm处，3个探头在同一直径上，深度为550 mm，以测量值高的探头测得的温度作为测量结果。

图2 2 m3包装箱内导向架和压饼的布置Fig.2 Arrangement of guide frame and super-pressure compressed pies in 2 m3 radioactive waste container

2 m3废物包装箱水泥砂浆固定配方验证试验具体方法为：用搅拌水泥砂浆浇注2 m3废物包装箱，2 m3废物包装箱箱内尺寸为1 350 mm×1 350 mm×1 090 mm，箱内放置压饼导向架，将废物压饼放入包装箱内架子上，使废物压饼被充分固定，废物饼顶端应有100 mm厚的水泥砂浆，废物饼距废物箱侧壁的最小距离为20～45 mm，如图2所示。测温探头插入水泥砂浆的深度约为550 mm，具体测量位置示于图3。

2 结果与讨论

2.1 实验室水泥砂浆固定配方工程验证

1) 200 L水泥砂浆的工程验证

对前期的实验室配方进行200 L水泥砂浆温升实验，配方的具体温升和水泥砂浆以及固化体性能列于表1。

图3 温升测量位置Fig.3 Measurement position for radioactive waste container

配方编号水灰比灰砂比添加剂含量/%温升最高点时间/h温升/℃流动度/mm抗压强度/MPa氯离子迁移电量/CT-10.45∶11∶10.0416.01102.431076.2728

通过上述实验，虽然配方T-1的200 L水泥砂浆温升不符合要求，但在2 m3废物包装箱的固定中，中间的金属压饼有一定的散热作用，这将较整个200 L的水泥砂浆固化体的散热好，故用T-1进行2 m3废物箱的工程验证试验。

2) T-1配方2 m3废物箱的工程验证

使用某工号的水泥砂浆搅拌系统，使其搅拌的水泥砂浆性能与由实验室搅拌得到的相同，经过多次调试发现，搅拌量、搅拌时间、加料时间等因素对水泥砂浆的性能影响较大，最后确定每次搅拌约150 L水泥砂浆，水泥砂浆的搅拌过程如下：先将自来水和添加剂称量后同时注入搅拌器，搅拌1 min使其混合均匀；然后将搅拌均匀的混合物(所需水泥和砂子按要求称量后，提前混合均匀)加入搅拌器中，加料时间控制在5 min左右；搅拌10 min后，停止搅拌进行取样，取样完成后，再继续搅拌1 min，然后进行浇注。每次浇注完成后立即冲洗搅拌器，将冲洗废水排出后，继续进行下一批次的水泥砂浆搅拌。

整个搅拌过程要连续紧凑，每箱浇注的总时间控制在3 h以内，具体的加料时间以及取样测量的流动度列于表2。

表2 150 L水泥砂浆搅拌过程和流动度Table 2 Mixing process and fluidity of 150 L cement-mortar

浇注2 m3废物包装箱而搅拌的水泥砂浆的温升曲线示于图4。

通过2 m3工程试验发现，T-1配方在固化过程中，5个测点中有3个测点的温升>96 ℃。故需对配方进行调整，使2 m3废物箱的工程验证试验的温升满足要求。

2.2 水泥砂浆固定配方的调整

根据前期实验得出的规律对配方进行调整，进行200 L水泥砂浆实验，各配方的温升及水泥砂浆和固化体性能列于表3。

图4 2 m3废物包装箱的温升曲线Fig.4 Temperature rise curve of 2 m3 container

调整后配方编号水灰比灰砂比添加剂含量/%温升最高点时间/h温升/℃T-20.45∶11∶1.20.0516111.6T-30.5∶11∶1.20.2031.58105.7T-40.45∶11∶1.40.0821109.4T-50.48∶11∶1.40.2535.3107.7T-60.45∶11∶1.60.101796.2T-70.48∶11∶1.80.2042.175.0

由表3可见， T-6配方较T-7配方的灰砂比高，水泥砂浆不易分层泌水，故T-6配方作为G-1配方进行工程验证试验。

2.3 G-1配方[12-17]的工程验证

1) 200 L废物桶水泥砂浆固定配方验证

将2个金属弯头作为模拟废物放入200 L废物桶，用G-1水泥砂浆配方进行固定，模拟废物示于图5。

图5 模拟废物及其在200 L废物桶中位置Fig.5 Simulated waste and location in drum

图6 200 L废物桶固定模拟废物的温升曲线Fig.6 Temperature rise curve of 200 L drum

由于模拟废物的体积较小，在废物桶中浇200 L水泥砂浆，每次搅拌100 L，每桶需浇注2次，温升曲线示于图6，可看出温升最高为78.7 ℃，小于96 ℃。

水泥砂浆固化后的表面示于图7。从图7可看出，水泥砂浆固化后表面平整，并没有出现裂纹，说明此配方用于200 L桶的水泥砂浆固化性能完善。

图7 水泥砂浆固化体表面及探头位置Fig.7 Surface of 200 L waste form in G-1 formulation and location of measuring probe

2) 2 m3废物包装箱水泥砂浆固定配方验证

图8 G-1配方的2 m3废物包装箱的温升曲线Fig.8 Temperature rise curve of 2 m3 container in G-1 formulation

使用G-1配方，用搅拌水泥砂浆浇注2 m3废物包装箱，每次搅拌150 L，搅拌7次，因废物饼过高，后又搅拌100 L浇注，共浇注1.15 m3水泥砂浆，每次加料完成后搅拌12 min。水泥砂浆的温升曲线示于图8，可看出废物包装箱中的温升测量探头测量的温升均低于90 ℃。浇注完成后水泥砂浆的表面均匀性示于图9。由图8、9可看出，水泥反应中水化热的释放得到了很好的控制，说明水泥砂浆配方的流动度很好，具有很好的自流平效果[18-20]。

图9 G-1水泥砂浆配方的固定压饼位置和表面状况Fig.9 Location of super-pressure compressed pies and surface of waste form in G-1 formulation

从上述结果可看出，配方G-1应用在2 m3废物箱中，流动度以及温升均满足要求。

水泥砂浆固化后的表面示于图10。从图10可看出，2 m3废物包装箱的工程验证中水泥砂浆固化后表面并没有因温升过高而出现凸起裂纹。

图10 水泥砂浆固化体表面Fig.10 Surface of waste form in G-1 formulation

3) 200 L桶水泥砂浆的均匀性

采用G-1配方，对以2个弯头作为模拟废物的200 L水泥砂浆固化体养护28 d后进行切割，切割位置示于图11，剖面情况示于图12。

图11 200 L水泥桶的切割位置Fig.11 Cutting position about 200 L drum

2 m3工程验证试验结果表明，G-1配方测量的温升均小于96 ℃，且水泥砂浆可很好地包裹和固定废物桶中的模拟废物，具有很好的整体性和均匀性。

图12 固化体切割后的剖面状态Fig.12 Profile of waste form after cutting

以上验证结果表明，配方G-1水泥砂浆的加料搅拌过程如下：先将自来水和添加剂称量后同时注入搅拌器，搅拌1 min使其混合均匀；然后将搅拌均匀的混合物(所需的水泥和砂子按要求称量后，提前混合均匀)加入搅拌器中，加料时间控制在5 min左右；搅拌10 min后，停止搅拌进行取样，取样完成后，再继续搅拌1 min，然后进行浇注，搅拌控制在12 min内。每次浇注完成后立即冲洗搅拌器，将冲洗废水排出后，继续进行下一批次的水泥砂浆搅拌。

具体配比如下：水灰比为0.45∶1；灰砂比为1∶1.46；添加剂含量为0.1%。搅拌完成后的水泥砂浆及固化体性能测试结果如下：28 d抗压强度为91 MPa；流动度为310 mm；28 d氯离子迁移电量为589 C。该性能完全满足标准EJ 1186—2005的要求：28 d抗压强度≥60 MPa；流动度≥310 mm；28 d氯离子迁移电量≤2 500 C。

3 结论

1) 通过水灰比、灰砂比、砂子级配及添加剂对水泥砂浆及其固化体性能影响的研究，取得了符合标准要求的具有高抗压强度、良好氯离子迁移电量和流动性的固体放射性废物水泥砂浆固定配方G-1。

2) 通过调节灰砂比和添加剂的掺加量解决了高强度水泥砂浆在固化过程中温升过高的问题，在工程验证试验中，200 L废物桶水泥砂浆的温升为78.7 ℃，2 m3废物包装箱水泥砂浆的温升为71.7 ℃。

3) 工程验证试验得到的某工号的水泥固化工艺参数如下：加料顺序为水→添加剂→水泥和砂混合料；加料时间应控制在5 min内；搅拌时间应控制在12 min左右，保证水泥砂浆的均匀性。

4) 根据G-1配方，每个2 m3废物包装箱固定超压饼约需1 m3的水泥砂浆，按砂子、水泥、添加剂的材料成本估算约2 000元，较经济合理。