摘要：核設(shè)施貯罐在貯存放射性廢液的過程中，容易在貯罐底部形成大量棕褐色的放射性泥漿沉積物?；诖?，研究礦渣摻雜的硅酸鹽水泥對放射性泥漿水泥固化體性能的影響。結(jié)果表明，隨著礦渣含量的增加，水泥漿密度逐漸增加，且流動度逐漸遞減，水泥固化漿體密實性逐漸增加，所形成的水化硅酸鈣（Cement Silicate Hydrogel，C-S-H）凝膠增多；當(dāng)?shù)V渣含量達到18%時，水泥漿固化體的抗壓強度高達20.99 MPa，

且孔徑尺寸為0.4 mm，固化體密實性增強，有效提高了固化體的浸出率，為礦渣摻雜的硅酸鹽水泥固化放射性泥漿提供可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：礦渣；放射性泥漿；水泥固化體；性能影響

中圖分類號：TL941 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）01-00-05

Effect of Slag-Doped Portland Cement on the Properties of Radioactive Mud Cement Solidification

Abstract： During the storage of radioactive waste liquid in nuclear facility storage tanks， a large amount of brown radioactive mud sediment is easily formed at the bottom of the tank. Based on this， the influence of slag doped silicate cement on the properties of radioactive slurry cement solidified body is studied. The results show that as the slag content increases， the cement The density of the slurry gradually increases， and the fluidity gradually decreases. The compactness of the cement solidified slurry gradually increases， and the Cement Silicate Hydrogel （C-S-H） gel formed increases. When the slag content reaches 18%， the pressure resistance of the cement slurry solidified body increases. The strength is as high as"20.99 MPa， and the pore size is 0.4 mm. The compactness of the solidified body is enhanced， which greatly improves the leaching rate of the solidified body， providing a reliable basis for solidifying radioactive mud with slag-doped Portland cement.

Keywords： slag; radioactive mud; cement solidification; performance impact

水泥固化是處理放射性廢物的一種技術(shù)，具有設(shè)備簡單、工藝成熟、操作方便、安全可靠、耗能少、設(shè)備投資少、運行費用低及固化體機械強度高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于核設(shè)施退役及放射性廢物處理等領(lǐng)域[1]。水泥固化是指將廢物與適量的水泥、水、添加劑等混合并攪拌后，使其在室溫環(huán)境下慢慢硬化形成廢物固化體的處理方式[2]。在物料混合過程中，水泥中的組分與水發(fā)生一系列的水合化學(xué)反應(yīng)，生成水化硅酸鈣（Cement Silicate Hydrogel，C-S-H），并釋放出熱量。其中，水化硅酸鈣（C-S-H）是決定水泥強度的主要因素，Ca（OH）2過多是降低水泥固化體強度的重要因素[3]。

高爐冶煉生鐵過程中，在高溫作用下，石灰石等助熔劑與鐵礦石發(fā)生反應(yīng)而形成硅酸鹽和鋁硅酸鹽的熔融體，即高爐礦渣[4]。在水泥熟料、石灰、石膏等激發(fā)劑作用下，?；郀t礦渣具有水硬性，是優(yōu)質(zhì)水泥原料，可用于生產(chǎn)礦渣水泥。磨細(xì)的礦渣粉也可作為水泥混合材料，用于提高水泥固化體性能[5]。試驗以水泥漿及水泥固化體為研究對象，測試摻雜不同含量礦渣后的水泥漿的流動度和密度，并測試養(yǎng)護28 d后水泥固化體的抗壓強度及剖面孔平均尺寸，以期為放射性泥漿水泥固化提供理論依據(jù)。

1 試驗設(shè)計與方法

1.1 放射性泥漿源項分析

工藝廢水、去污廢水、排風(fēng)管道的積水、淋浴廢水、試驗廢水中夾帶的放射性核素、泥沙、雜質(zhì)和化學(xué)凝結(jié)物，隨雨水流入放射性貯罐后，會在貯罐底部產(chǎn)生大量棕褐色的放射性泥漿。放射性泥漿的成分組成十分復(fù)雜，主要含有Fe2（SO4）3、Fe（NO3）3、MgSO4等鹽類沉淀物以及放射性核素90Sr、137Cs等。其中，F(xiàn)e2（SO4）3、Fe（NO3）3、MgSO4等鹽類沉淀物會影響水泥漿的流動度和密度，進而直接影響固化體的抗壓強度和浸出性能。

1.2 添加劑的選擇

礦渣的化學(xué)成分有CaO、SiO2、Al2O3、MgO、MnO、Fe2O3等氧化物和少量硫化物，如CaS、MnS等。一般來說，CaO、SiO2和Al2O3的含量占90%以上[6]。礦渣的化學(xué)成分與水泥的化學(xué)成分基本相同，其中的CaO含量較低，而SiO2含量偏高。另外，在CaO含量較高的堿性礦渣中還含有硅酸二鈣等成分，所以礦渣本身具有微弱水硬性[7]。礦渣通過與硅酸鹽水泥和水的水化作用，產(chǎn)生C-S-H凝膠，用于吸附溶液中的核素，細(xì)顆粒填料可以改善孔隙結(jié)構(gòu)，進而提高抗壓強度。高爐礦渣只作為添加劑，當(dāng)含量增加時（大于30%），會導(dǎo)致體系中的氫氧化鈣含量增加，影響固化體的穩(wěn)定性[8]。因此，選用礦渣作為研究對象，探究礦渣摻雜的硅酸鹽水泥對放射性泥漿水泥固化體性能的影響。

1.3 試驗設(shè)計

經(jīng)過前期試驗分析和相關(guān)文獻調(diào)研確定了初步泥漿固化配方設(shè)計。本試驗擬在水灰比為0.25，包容率為20%，礦渣含量為0%、6%、12%、18%、24%、30%條件下進行6組樣品制備，測試其水泥漿及固化體性能。

1.4 試驗與性能測試

1.4.1 制備固化體試塊

放射性泥漿水泥固化體按以下步驟制備：第一，在水泥膠砂攪拌機的攪拌鍋中先后依次加入稱量好的水泥、礦渣、泥漿和去離子水；第二，低速攪拌2 min后再高速攪拌3 min，測定其流動度、密度；第三，將攪拌均勻的水泥漿倒入50 mm×50 mm的塑料模具制備水泥固化體模塊，標(biāo)明編號（KZ-1、KZ-2、KZ-3、KZ-4、KZ-5、KZ-6），放入標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d。

1.4.2 性能測試

水泥膠砂攪拌機攪拌均勻后的泥漿固化體漿進行物理性能測試：使用密度測定儀測定泥漿水泥固化漿料的密度，使用水泥膠砂流動度測定儀測定其流動度。養(yǎng)護28 d后的泥漿水泥固化體進行力學(xué)性能及浸出性能測試：使用TYE-300C型抗壓強度測試儀測定其抗壓強度，使用放射性核素測定儀測定水泥固化體的浸出性能，對養(yǎng)護后的試塊進行孔隙結(jié)構(gòu)分析。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 水泥漿性能

為了探究泥漿水泥固化體在制備過程中的礦渣摻雜量（0%、6%、12%、18%、24%、30%）對水泥漿流動度及密度的影響，測試攪拌均勻后的水泥漿的流動度，并將水泥漿置于試模中測試其密度，測試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著礦渣含量的逐漸增加（0%→30%），水泥漿流動度由210 mm下降至140 mm，且當(dāng)摻雜量為24%時的流動度有所上升；隨著礦渣含量的增加，水泥漿密度逐漸增大，且當(dāng)摻雜量達到30%時，水泥漿密度達到最大。結(jié)果表明，礦渣含量對水泥漿的影響較大，通過摻雜礦渣可有效增加水泥漿中C-S-H凝膠的含量，使得水泥漿密度增加、流動度降低，進而增強水泥漿的密實性。

2.2 水泥固化體結(jié)構(gòu)性能

為了探究摻雜不同含量礦渣（0%、6%、12%、18%、24%、30%）條件下泥漿水泥固化體的結(jié)構(gòu)性能與礦渣含量的關(guān)系，將試模中的固化體養(yǎng)護28 d后，剖開固化體中部分析其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。不同礦渣含量下的水泥固化體剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)?shù)V渣摻雜量為0%時，所制得的固化體Ca（OH）2含量較多，導(dǎo)致質(zhì)地較軟、結(jié)構(gòu)松散、孔隙率大，極易破損；當(dāng)摻雜量為6%時，固化體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所改善，出現(xiàn)水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠及晶體結(jié)構(gòu)Ca（OH）2，且質(zhì)地開始變硬；當(dāng)摻雜量達到18%時，可以觀察到固化體內(nèi)部結(jié)構(gòu)質(zhì)地密實、結(jié)構(gòu)均勻、孔隙率?。划?dāng)摻雜量逐漸超過18%時，固化體內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始松散，出現(xiàn)小的裂紋和孔隙，內(nèi)部均勻性下降。從圖3可以看出，隨著礦渣摻雜量的增加，泥漿固化體結(jié)構(gòu)中的水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠逐漸增多，而Ca（OH）2含量逐漸減小，使得固化體的抗壓強度逐漸增大，平均孔徑尺寸逐漸減小，進而導(dǎo)致固化體密實性增強。

由圖3（a）可知，未摻雜礦渣的固化體28 d抗壓強度為5.24 MPa（＜7 MPa）；當(dāng)?shù)V渣摻量為12%時，抗壓強度提升至17.82 MPa；當(dāng)?shù)V渣摻量為18%時，抗壓強度高達20.99 MPa。礦渣的摻入激發(fā)了其潛在活性，促進了更多水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠的生成，增強了固化體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而顯著提高了抗壓強度。

由圖1（b）可知，當(dāng)?shù)V渣摻量為18%時，水泥漿的密度從原本的1.83 g/cm3提高到1.85 g/cm3，隨著礦渣摻量進一步增加到30%，密度達到1.89 g/cm3。由圖3（b）可知，當(dāng)?shù)V渣摻量為18%時，固化體剖面孔平均尺寸降至0.4 mm，隨著礦渣含量進一步增加，孔平均尺寸略有增大。這表明礦渣的填充作用明顯，隨著摻量增加，更多的細(xì)小顆粒填充了固化體內(nèi)部的孔隙，從而提高了固化體的密實程度，降低了孔隙率。由此可以推斷礦渣的加入極大地填充了水泥固化體的孔隙結(jié)構(gòu)，使得水泥固化體更加密實。

2.3 放射性核素的固定與遷移

通過浸出試驗，研究放射性核素在固化體中的固定效果和遷移行為。摻雜不同含量礦渣對浸出率和累積浸出分?jǐn)?shù)的影響如圖4所示，其中的Y為浸出率，B為浸出分?jǐn)?shù)。由圖4可知，礦渣的摻入有助于提高放射性核素的固定率，降低其遷移風(fēng)險。當(dāng)?shù)V渣摻量為6%時，放射性核素的固定率提高了36%；當(dāng)?shù)V渣摻量為18%時，固定率提高了59%。這是由于礦渣改善了固化體的吸附性能，使得核素被吸附到水化產(chǎn)物表面，導(dǎo)致放射性核素更難在固化體中遷移。

3 礦渣改善固化體性能的原理

硅酸鹽水泥的主要成分為CaO·SiO2，溶于水形成的水泥漿體中，未水化的水泥顆粒分散在水中，水泥顆粒的水化在其表面開始，其表面的水泥熟料先溶解于水，然后與水反應(yīng)或直接與水反應(yīng)，形成相應(yīng)的水化物。由于水化物的溶解度很小，水泥顆粒周圍的溶液很快成為水化物的過飽和溶液，先后析出水化硅酸鈣（C-S-H）、水化硫鋁酸鈣、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物，包覆在水泥顆粒表面。發(fā)生的水化反應(yīng)如下[9-10]。

礦渣中含有大量活性的氧化硅和氧化鋁等成分。在水泥水化產(chǎn)生的堿性環(huán)境中，這些活性成分發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成具有膠凝性質(zhì)的水化產(chǎn)物，如硅酸鈣凝膠和鋁酸鈣凝膠等。這些凝膠能夠填充固化體內(nèi)部的孔隙，使固化體結(jié)構(gòu)更加致密，從而大幅提高固化體的強度和耐久性。在試驗中觀察到隨著礦渣摻量的增加，固化體的抗壓強度顯著提升，這與火山灰反應(yīng)生成的凝膠填充孔隙、增強結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。

礦渣的顆粒通常比水泥顆粒細(xì)小，可以起到微集料的作用。它們均勻分布在固化體中，填充在水泥顆粒之間的空隙中，改善了固化體的顆粒級配，減少了孔隙率，提高了固化體的密實度和強度。從試驗數(shù)據(jù)來看，當(dāng)?shù)V渣摻量增加時，固化體的密度增大、孔隙率降低，這充分體現(xiàn)了微集料效應(yīng)的作用。

水泥在水化過程中會釋放大量的熱量，導(dǎo)致固化體內(nèi)部產(chǎn)生溫度裂縫。礦渣的摻入可以降低水泥的用量，從而減少水化熱的產(chǎn)生，降低固化體內(nèi)部的溫度應(yīng)力，減少裂縫的形成，提高固化體的整體性和穩(wěn)定性。在實際試驗中，通過監(jiān)測固化體內(nèi)部的溫度變化，證實了礦渣的摻入能夠有效降低水化熱。

礦渣中的成分可以與放射性核素發(fā)生化學(xué)結(jié)合，將其固定在固化體的結(jié)構(gòu)中，降低放射性核素的遷移性，提高固化體對放射性核素的包容能力。試驗中對放射性核素遷移率的測定結(jié)果表明，礦渣的摻入顯著降低了放射性核素的遷移風(fēng)險。

4 結(jié)論

礦渣的摻入顯著改善了含放射性泥漿硅酸鹽水泥固化漿料的物理性能，有效提高了密實度和抗水滲透能力；在力學(xué)性能測試方面，隨著礦渣摻雜量的增大，抗壓強度得到了有效提升，當(dāng)摻雜量為18%時，抗壓強度高達20.99 MPa，結(jié)合固化體孔徑結(jié)構(gòu)的分析，礦渣的加入降低了固化體的孔徑尺寸，顯著增強了固化體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。固化體內(nèi)部剖面分析證實了礦渣與水泥水化產(chǎn)物的協(xié)同作用，形成了更致密的結(jié)構(gòu)，有利于放射性核素的固定。礦渣的加入有助于放射性核素與水化產(chǎn)物反應(yīng)形成新的礦物相，有利于核素被吸附到水化產(chǎn)物及礦渣表面，防止核素擴散到空氣中，降低放射性核素的遷移風(fēng)險，提高了固化體的安全性。

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