核電站中低放射性蒸殘液水泥固化的研究進展

孫丹丹（上海市建筑科學研究院有限公司，上海 200032）

在壓水堆核電站運行、檢修或換料時會有大量含有137Cs、60Co、90Sr 等放射性核素的低、中放射性廢液產生[1-2]。為降低放射性廢液對環境污染的風險，需對其進行有效的固化處理。通過將其放射性物質轉化為化學或物理特性穩定的且具有足夠機械強度的惰性物質，來滿足放射性廢液安全、穩定、高效處置的要求。

現有固化技術中，水泥固化因其設備工藝簡單、投資運行費用低、生產能力大、機械強度好、固化過程無二次污染等優勢，成為許多國家的核電站及核廢物處置企業最常用的廢液處理方法[3-5]。放射性蒸殘液的水泥固化通常是將水泥、蒸殘液和摻合料等按一定的比例混合，在常溫下硬化成廢物固定體。但由于放射性蒸殘液成分復雜以及水泥基材料本身的多孔性，水泥固化體常出現包容率低、凝結時間長、機械強度低和核素浸出率高等問題。為提高水泥固化體的包容率、有效降低孔隙率和改善其孔結構，國內外學者針對放射性蒸殘液固化，從水泥品種和摻合料等方面展開了大量研究。

1 放射性蒸殘液水泥固化基材的研究

放射性蒸殘液水泥固化常用普通硅酸鹽水泥，但傳統硅酸鹽水泥本身孔結構不規則且比表面積較大，導致其固化體常存在孔隙率高、核素遷移量大、力學性能差等缺陷。為充分利用水泥的優點來固化核電站放射性廢物，學者們針對放射性蒸殘液固化的水泥品種展開了研究，主要包括堿礦渣水泥、磷酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥等在水泥固化體中的應用及其對固化體性能的影響。

1.1 堿礦渣膠凝材料水泥固化

在低水膠比條件下，采用堿礦渣水泥作為放射性廢液固化基材時，往往需同時加入硅灰和沸石等，體系的孔隙率能減少到 10% 以下。另外，可以向礦渣水泥中加入一定量的黏土物質，堿性條件下使體系經水化反應生成富鋁且低鈣硅比的 C-S-H 以及新生態的沸石類水化產物，對核素90Sr、137Cs 有較強的吸附能力[6-7]。采用堿礦渣膠凝材料及其與改性物質的復合體系，有利于提高放射性蒸殘液固化體的廢物包容量、機械性能和抗浸出性。

李玉香等人[8-11]對富鋁堿礦渣黏土礦物膠凝材料固化體的機械強度、抗浸出性能等進行了研究。研究結果表明，富鋁堿礦渣黏土礦物膠凝材料具有高強、低孔隙率、抗硫酸鹽侵蝕和耐輻照性能好的特點，得到的放射性廢物固化體抗浸出性能優越，核素浸出率低。

楊長輝等[12]使用中性鹽 Na2SO4和 CaSO4激發礦渣的活性，主要研究了中性鹽-礦渣-粉煤灰膠結材體系的凝結時間及標準稠度用水量、抗壓強度、堿度、自由水含量、對金屬Al 的腐蝕狀況及 Cs+的浸出率，并對該體系的微觀結構進行了分析。試驗結果表明該體系所獲得的固化體各項性能均能達到標準要求和處置要求。

趙懷紅等[13]則研究沸石基堿礦渣水泥大體積澆注固化方法，當放射性廢物體積包容率為 20%（以固形物計）時，漿體流動度為 190 mm，固化體 28 d 抗壓強度達了10.3 MPa，Sr2+和 Cs+浸出率達到標準要求，且固化體具有良好的熱穩定性耐久性和耐輻射性。

包健等[14]同時使用沸石和堿礦渣水泥對含 Cs+模擬高放廢液進行固化，結果表明沸石的加入有利于降低 Cs+的浸出率。全明等[15]分別采用普通硅酸鹽水泥和堿礦渣-黏土復合膠凝材料對模擬放射性泥漿進行固化，對比試驗結果表明在固化 Cs+的能力方面，堿礦渣-黏土復合膠凝材料優于普通硅酸鹽水泥。這是因為，堿礦渣水泥體系能夠明顯地降低體系的比表面積和孔隙率改善傳統水泥的缺陷，且具有較強的C-S-H 的離子交換吸附作用。

1.2 磷酸鹽水泥水泥固化

磷酸鎂水泥（MPC）因具有良好的力學性能，致密的結構和優異的體積穩定性等優點而被廣泛用于放射性廢物的水泥固化。在 MPC 水泥固化過程中，核素與其它反應物形成了難溶的磷酸鹽礦物，在 MPC 水化產物的包裹作用下，可將核素快速固定，廢物包容量較大。

重慶大學賴振宇[16]等對 MPC 固化模擬放射性焚燒灰進行了詳細研究，研究表明：MPC 對 Cs 和 Sr 均具有較好的吸附能力，尤其對 Sr 吸附率高達 97.72%。其對模擬放射焚燒灰固化體的體積包容率達 40%。

張時豪等[17]對磷酸鎂水泥 pH 值、性能、沸石摻量以及溫度對水泥固化體中90Sr 浸出率的影響進行了研究。結果表明摻加沸石對磷酸鎂水泥固化體的浸出率有明顯降低作用，且磷酸鎂水泥強度越高，固化體的核素浸出率越小。酸性環境下和低溫條件對磷酸鎂水泥固化核素90Sr 影響較為明顯。

戴豐樂等[18-19]研究了不同模擬放射性核素 Sr 摻量下磷酸鎂水泥固化體的性能，且采用微觀測試分析了 MPC 的水化機理。研究表明磷酸鎂水泥可顯著提高固化體的抗浸出性，且沸石的摻入對水泥固化體的力學性能影響不大。水泥固化體的抗浸泡性、抗凍融性及抗浸出性隨著沸石摻量的增加而增強，但當沸石摻量過多會導致固化體力學性能有所下降。

1.3 硫鋁酸鹽水泥水泥固化

硫鋁酸鹽水泥主要是以無水硫鋁酸鈣、硅酸二鈣和鐵相為主要礦物組成的新型水泥，是近年來研究較多的放射性廢物固化基材之一。大量研究表明，放射性廢物的硫鋁酸鹽水泥固化體，具有良好的抗浸泡性，且核素浸出率較低，其廢物體積包容率可提高到 42% 左右。

陳洪令等[20]認為硫鋁酸鹽體系膠凝材料在固化過程中主要形成以鈣礬石為主體的框架并吸附填充物來參與結構構建，它對能大幅降低固化體的核素浸出率。更重要的是在消納相同體積的廢液時，與普通硅酸鹽水泥相比，硫鋁酸鹽體系膠凝材料用量減少約 60%，可降低成本 45% 左右。

孫奇娜[1,21]等對普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸水泥固化含硼濃縮廢液進行了對比研究，測定了兩種配方制備固化體的機械性能、耐久性能和耐輻照性能。結果表明，兩種配方水泥固化體的各項性能均達到國家標準，且在 Cs+的滯留能力上硫鋁酸鹽水泥配方更優。通過 X 線衍射對其水化產物進行分析，發現在含硼濃縮廢液固化體中，硼主要以 B(OH)4-的形式固溶在鈣礬石框架中。

王建龍等[5]采用硫鋁酸鹽水泥固化模擬放射性有機物，發現在放射性有機物的包容量高達 20%～40%，同時固化體拌合物仍具有較好的流動性，且固化體的機械性能較好。

筆者認為，水泥作為固化基材均能不同程度地固化放射性蒸殘液，在水泥中摻入適量的沸石等黏土礦物材料可明顯地改善固化體的孔結構和其他性能，從而提高水泥對核廢物的固化效果，降低核素離子的浸出率。可以說水泥是一種性價比較高的固化材料。

2 放射性蒸殘液水泥固化摻合料的研究

為改善傳統水泥固化體性能，除水泥熟料外，在固化過程中需視廢物的性質和對產品質量的要求摻入適量的摻合料，部分摻合料能與水泥水化產物發生二次水化反應，生成具有一定機械強度的膠凝物質，從而提高水泥固化體的性能。燕山大學李聰等[22]系統研究了摻合料對放射性廢物水泥固化體性能的影響，認為非活性礦物摻合料的填充作用以及活性摻合料的火山灰、效應形態效應和微集料效應能改善水泥固化體性能，可不同程度地降低水泥的水化熱，提高水泥固化體的力學性能和耐久性，并且摻合料的比例對固化效果影響很大。常用的摻合料有礦渣、粉煤灰和沸石等。

2.1 礦 渣

礦渣中玻璃體含量較多導致其結構處于高能不穩定狀態，具有較大的的潛在活性。磨細的礦渣粉在堿性環境下，可與水泥的水化產物發生二次水化反應，從而生成更多的C-S-H 凝膠，因此被廣泛應用于放射性蒸殘液廢物的水泥固化中來改善水泥基材料的性能。

Gan 等[23]和Pan 等[24]研究了礦粉和粉煤灰復摻取代部分水泥對放射性廢樹脂水泥固化體強度的影響。研究表明，一定范圍內固化體的 28 d 強度隨著摻合料摻量的增加有所提高。

Katz 等[25]分別用粉煤灰和礦粉取代部分水泥對 3 種不同的放射性廢液進行水泥固化，試驗結果表明，粉煤灰-水泥體系受溶液酸堿性影響較大，而礦渣-水泥體系對不同廢液的適應能力較強，且能較好地提高固化體的 28 d 抗壓強度。

2.2 粉煤灰

粉煤灰多成球體，在膠凝材料中起到潤滑功效，可減少用水量。粉煤灰的早中期活性較低，代替部分水泥后能明顯降低膠凝體系水化熱，有利于延長水泥固化體制備過程中的攪拌操作時間。Osm anlioglu 等[26]以硅酸鹽水泥作為固化基材，粉煤灰作為摻合料來固化含放射性元素的陽樹脂。研究發現，當粉煤灰摻量在 15%～30% 時可顯著降低固化體的核素浸出率。

2.3 沸 石

沸石中的堿金屬離子與骨架間聯系脆弱，具有很強的離子交換能力以及吸附力。在水泥固化體中摻入沸石，可有效降低其核素的浸出率。

陳洪令[20]研究表明，水灰比 1.0 情況下，當膨潤土和沸石摻量分別為 12.5% 和 10% 時，硫鋁酸鹽膠凝材料體系對模擬放射性廢液固化效果較穩定，固化體中 Cs+和 Sr2+的42 d 浸出率相對較低。沸石摻量增加有利于進一步降低固化體中核素離子的浸出率。

中國建筑材料科學研究總院吳明慧[27]系統研究摻合料對模擬含硼廢液水泥固化體拌合物性能和抗壓強度的影響。認為對于含硼酸等緩凝成分的放射性廢液水泥固化體，摻入促凝劑和摻合料能有效控制拌合物的流動性和凝結時間；沸石摻量 30% 和硅灰摻量 15% 時抗壓強度最高。

綜上認為，在放射性廢液的水泥固化過程中，如果摻合料物理性能和摻量比例控制得當，可使其最大限度發揮填充效應、火山灰效應和減水效應，進而提高水泥固化體的機械性能、耐久性能和抗浸出性能，有利于放射性廢液水泥固化體的長期處置。

3 纖維在放射性蒸殘液水泥固化體中的應用

當前的纖維增強水泥基復合材料研究表明纖維的摻入可以改善水泥混凝土的抗裂性能，有利于提高抗拉、抗裂和抗沖擊性能。付玉龍等[28]對聚丙烯纖維對水泥固化體性能的影響進行了研究，研究認為纖維有利于改善水泥固化體的抗沖擊性以及限制固化體的開裂。孫奇娜等[21]認為纖維材料具有在放射性廢物水泥固化中應用的潛力，其中，單絲聚丙烯纖維比表面積較大且質輕，在混凝土內均勻亂向分布性較好，在放射性廢物水泥固化體中摻入該纖維有利于減輕固化體的塑性開裂和提高其抗沖擊性。

4 結 語

在中低放射性蒸殘液水泥固化過程中，硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和堿礦渣膠凝材料均可作為固化基材，但上述水泥對于不同成分蒸殘液的適應性有待進一步研究。此外，中低放射性蒸殘液水泥固化中摻入適量的摻合料和纖維，有利于改善水泥固化體的拌合物性能和提高水泥固化體的機械性能、長期性能和抗浸出性能?；谝延械闹械头艔U物水泥固化技術，有必要展開對放射性蒸殘液水泥固化體的長期耐久性研究，來確保實際應用的安全可靠。