核电厂用水泥固定配方及设备研究

邹利平，周东升，赵 宇，刘夏杰

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518028

放射性固体废物的处理和处置一直以来都是公众极为关注的问题。核工业和核技术应用设施的运行和退役过程中，会产生大量不可压缩固体废物以及超级压缩产生的压饼等放射性固体废物。这些放射性废物具有良好的化学稳定性和辐照稳定性，不含易燃、易爆及腐蚀性物质。在这些放射性固体废物中，低放射性固体废物是主体，约占总体积的90%。

为保证废物体的整体性能、强度满足安全运输、储存和处置的要求，需对低放固体废物超压后产生的压饼进行灌浆固定。现有的水泥固定工艺主要存在以下问题：

(1)灌浆固定配方与设备的匹配性不好，连续供料混合器制出的水泥浆不均匀，其中一部分水泥浆的水/水泥比例不足，而另一部分水泥浆的水/水泥比例过大，导致这些水泥浆在桶中难以形成均匀的固化体。

(2)灌浆固定配方本身具有缺陷，流动度不够，水泥浆静置泌水严重，养护完成后抗Cl-渗透能力不够[2-9]。

(3)现有配方使用的水泥为PSB专用矿渣水泥，配方成本很高。本文研发的设备和配方解决了上述问题。

1 配方试验

1.1 主要试验材料及技术指标

为保证最终废物体的整体性能和整体强度满足安全运输、储存和处置的要求，放射性固体废物水泥砂浆固定配方的28 d抗压强度需超过60 MPa，并且需要具有较好的抗渗性；为了能适用于现有的工程装置，保证搅拌后的水泥砂浆很好地在装置中输送，需要配方具有良好的流动性，流动度大于310 mm。根据标准EJ1186的规定，确定水泥固定配方的技术指标如表2[1]所示。

表1 试验材料Table 1 Test material table

表2 技术指标Table 2 Technical index

1.2 研究不同种类水泥和水胶比对TEC水泥性能的影响

分别采用华润PⅡ52.5R、粤秀PO42.5R、粤秀PⅡ42.5R水泥，调整其水胶比，试验结果如表3所示。

表3 不同水泥配方性能试验Table 3 Different cement formula performance test

试验结果显示：

(1)不同种类的水泥(P042.5R/PⅡ42.5R/PⅡ52.5R)在水胶比为0.25和0.27时，抗压强度和电通量均很高，14 d抗压强度大于90 MPa，14 d电通量大于7 000 C。

(2)水胶比低，水泥净浆的保水性好，后置泌水较少，固化体抗压强度高。

1.3 特种水泥配方试验

根据1.2节试验结果，采用粤秀PO42.5R和华润PⅡ52.5R，与能够减少电通量和增加水泥浆保水性的添加剂配置特种水泥，水胶比控制在0.25，通过调整各外加剂掺量，进行不同特种水泥的配方试验。为了便于记录，电通量添加剂用DTLA表示，用于改善水泥净浆试件电通量特性；流动性添加剂用LDXA表示，用于改善水泥净浆流动性；保水性添加剂用BSXA表示，用于改善水泥净浆保水性，提高净浆的抗后置泌水性。粤秀PO42.5R水泥用YXC表示；华润PⅡ52.5R水泥用HRC表示。第一组试验采用粤秀PO42.5R水泥和a1%的DTLA-1和a2%的DTLA-2。第二组在维持总的外加剂配比不变的情况下降低DTLA-1x1%。对比试验结果，发现电通量值偏大。第三组试验保持a2%的DTL-2不变，减少x1%的DTLA-1同时增加x1%LDXA-1，试验结果发现，电通量增加明显，但是水泥浆的泌水减少，试验结果如表4所示。

表4 特种水泥配方试验Table 4 Special cement formula test

通过试验结果对比发现：

(1)YXC+DTLA-1+DTLA-2的配方体系28 d电通量均小于2000C，对电通量降低效果的顺序依次为：DTLA-1>DTLA-2>LDXA-1。

(2)添加LDXA-1后水泥净浆后置泌水。

(3)采用BSXA-3添加剂，水泥净浆的保水性好，静置无泌水。

通过以上试验结果，最终确定特种水泥的配方并进行配方试验，试验结果如表5所示，试验结果显示，该配方28天抗压强度为84.1 MPa，净浆流动度为330 mm，28天抗Cl-离子渗透电通量为947 C满足技术指标要求。

表5 最终配方及验证试验Table 5 Final formulation and verification test of special cement

2 工程样机设计

2.1 设备工艺流程

根据配方要求，设备需要将一定配比的水泥干料、水和添加剂混合均匀后，通过泵送系统输送到灌浆固定站对固体废物进行灌浆固定。根据设备的功能要求，确定设备的工艺流程图如图1所示。其具体的流程如下所示。

图1 设备工艺流程简图Fig.1 Process flow diagram for the equipment

(1)首先根据水泥固定配方要求，设定好各参数。干料通过干料存储仓、按预定的量输送到一级搅拌仓，同时外加剂和水按照设定的参数，先输送至初混仓，初步混合后进入一级搅拌仓。

(2)在一级搅拌仓实现干料、外加剂、水等的初级搅拌，以上两个步骤是同步进行的。

(3)完成初级搅拌以后，进入二级搅拌仓进行精细搅拌。

(4)二级搅拌完成以后，通过泵送系统输送至灌浆站。

(5)设备清洗。切换到清洗模式对设备进行清洗，除去砂浆管道内的泥浆，将清洗物注入TES固化线灌浆固定站位的废物桶内。

(6)拆除清洗。利用各模块之间的快速拆装装置，断开各单元设备间的连接管线及电缆，对设备进行彻底的清洗。

2.2 设备设计

为便于设备的移动及拆分，废滤芯灌浆固定搅拌装置采用模块化设计。根据设备功能，将其分为移动料斗和搅拌灌浆单元，每个模块均可以独立移动，可以根据实际的工作要求进行组合。

2.2.1 搅拌灌浆单元

搅拌灌浆单元集成了添加剂计量系统，搅拌系统、水计量系统、水泥干料计量系统和控制系统(见图2)。整个控制系统集成于移动灌浆单元的表面，使得整个结构更加紧凑，移动更加便捷。搅拌灌浆单元主要功能是将水泥料仓里面的水泥以一定的速度输送，并通过水计量系统和添加剂计量系统实现水和添加剂的精确计量输送。最终在搅拌系统将各组分充分搅拌均匀后由输送泵和输送砂浆管连续的输送至灌浆站对固体废物进行灌浆固定。搅拌灌浆单元整体采用移动式结构，方便灌浆作业，同时，相比以前的灌浆固定设备[7]，本设备采用两级搅拌，使得搅拌更加均匀，同时搅拌灌浆固定单元能够实现连续搅拌连续出料，保证了灌浆效率。

图2 搅拌灌浆单元结构简图Fig.2 Structure diagram of stirring grouting unit

2.2.2 移动料斗

移动料斗主要用于特种水泥的存放及下料。为了使移动料斗能够通过狭窄的过道门，如图3所示，料仓整体采用组合分离式结构，分为上下两部分，上部包括料斗，叉车位、阀门、震动电机、料位传感器等。下部主要包括四个滚轮和支架，为上部提供支撑，其中滚轮带刹车以便灌浆作业的时候能够保证整个设备的稳固。料仓与搅拌灌浆单元通过快接结构实现快速连接和断开。

图3 水泥料斗结构简图Fig.3 Structure diagram of cement hopper

3 现场试验

3.1 设备调试试验

进行现场试验前，先对设备进行调试，保证各组分出料的精确度满足现场配方试验的要求。设备调试主要包括水泥干料计量调试、外加剂计量调试、水计量调试。

3.1.1 水泥干料计量调试

将搅拌灌浆单元的料斗充满水泥干料后，运行5次，每次30 s，称量每次输出的水泥干料重量并记录。求五次计量的平均值，并将每次测量结果与平均值进行比较，保证出料偏差小于2%。试验结果如表6所示。

表6 水泥出料计量试验结果Table 6 Cement discharge measurement test results

3.1.2 水计量调试

接通水源后启动设备，运行5次，每次30 s，称量每次出重水量并记录。求五次计量的平均值，并将每次测量结果与平均值进行比较，保证出料偏差小于1%。试验结果如表7所示。

表7 水出料计量试验结果Table 7 Water discharge measurement test results

3.1.3 添加剂计量调试

启动设备添加剂系统后，运行5次，每次30 s，称量每次输出的添加剂重量并记录。求五次计量的平均值，并将每次测量结果与平均值进行比较，保证出料偏差小于1%。试验结果如表8所示。

表8 添加剂出料计量试验结果Table 8 Additive discharge measurement test results

试验结果显示，设备的计量精度较高，满足配方试验要求。

3.2 现场配方验证试验

完成设备调试试验以后，按照以下步骤进行配方的现场验证试验：

(1)试验准备：将水泥料斗装入干水泥、添加剂罐中加入添加剂，将所有单元设备移至试验现场，并进行定位与连接，锁定脚轮。

(2)参数设定：在就地控制模式下，根据实验室取得的水泥配方调整设备的工作参数，待各组分出料均满足配方要求后固定各工作参数。

(3)搅拌：启动移动灌浆设备，待出口水泥浆出料稳定后，用搅拌完成的水泥浆和试模制作抗压强度试件和抗Cl-离子渗透试件并同时进行水泥浆的流动度试验。

(4)试件养护：将获得的抗压强度试件和抗Cl-离子渗透试件放入恒温恒湿箱进行养护，养护28天完成后进行抗压强度试验和抗Cl-离子渗透试验。

(5)对养护完成的试件进行抗压强度试验和抗Cl-离子渗透试验，并记录试验数据。配方试验的结果如表9所示。

表9 现场配方试验结果Table 9 Final test of the cement and equipment

4 结论

(1)配方实验室试验表明，采用特种水泥配方制作的水泥浆流动度为330 mm，粘聚性好，静置无泌水，用该水泥浆产生的试件养护28天，抗压强度为84 MPa，抗Cl-离子渗透为947 C，具有优良的物理性能，满足核电站相关标准的使用要求。

(2)移动灌浆设备的出料精度较高，同时两级搅拌技术能够将水泥固定配方的各组分搅拌更加均匀，使得设备具有良好的配方适应性。

(3)配方的现场试验结果显示，采用该配方和设备制作的水泥浆流动度平均值大于330 mm，流动度良好，粘聚性好，静置无泌水，用该水泥浆产生的试件养护28天，抗压强度为大于75 MPa，抗Cl-离子渗透小于2 000 C，具有优良的物理性能。

(4)从试验结果可以看到，水泥固定体的强度和抗Cl-离子渗透，试验室结果要优于现场试验结果，主要原因在于试验室制备试件时，搅拌时间更长，搅拌更加均匀，有利于配方各组分的充分混合。因此设备研发时，要考虑配方物料的充分搅拌。