第３２卷第５期 核化学与放射化学 Ｖ０１．３２ Ｎｏ．５ ２０１０年１０月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ ａｎｄ Ｒａｄｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ＯＣｔ．２０１０ 文章编号：０２５３—９９５０（２０１０）０５—０２６８—０６ 放射性焚烧灰碱激发胶凝材料 固化体浸出实验 赵颜红 ，潘社奇 ，李长成 ，张洪滔 １．中国工程物理研究院，四川绵阳６２１９００；２．中国建筑材料科学研究总院，北京１０００２４ 摘要：为了实现放射性焚烧灰的稳定包容，研究了以矿渣为主要原料，添加水泥熟料、粉煤灰和沸石，选用水玻 璃或硅（硫）酸钠等作为激发剂制备出碱激发胶凝材料。实验优选的固化基材为：矿渣含量６５ （质量分数， 下同），粉煤灰１Ｏ ，沸石２Ｏ ，水泥熟料２ ，氢氧化钙３ 。水玻璃作为激发剂其添加量为基材的５％ 采 用该基材制备固化体，当放射性焚烧灰包容量为３Ｏ 、水灰比０．３４～０．３５，固化体机械性能良好。浸出性能 测试结果表明：第３５天铀的浸出率为６．０×１０一ｃｍ／ｄ，２２５天长期浸出率较低。铀在固化体中的扩散系数计 算结果表明，碱激发胶凝材料对铀的滞留性能较好。最后探讨了固化体的浸出机制。 关键词：碱激发胶凝材料；放射性焚烧灰；浸出性能 中图分类号：ＴＬ９４１．１１ 文献标志码：Ａ Ｌｅａｃｈｉｎｇ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ Ａｌｋａｌｉ－Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ Ｆｏｒｍｓ ｏｆ Ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ Ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ Ａｓｈ ＺＨＡＯ Ｙａｎ—ｈｏｎｇ ，ＰＡＮ Ｓｈｅ—ｑｉ ，ＬＩ Ｃｈａｎｇ—ｃｈｅｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇ—ｔａｏ １．Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ ９１９（７１），Ｍｉａｎｙａｎｇ ６２１９００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｉｎａ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ａｃａｄｅｍｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２４，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｉｄｉｆｙ ｓａｆｅｌｙ ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ ａｓｈ，ｔｈｅ ａｌｋａ１ｉ—ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉ－ ｔｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｓｌａｇ，ｆｌｙ ａｓｈ，ｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｚｅｏｌｉｔｅ，ｗｉｔｈ ｗａｔｅｒ ｇｌａｓｓ ｏｒ ｓｏｄｉｕｍ ｓｉｌｉｃａｔｅ（ｓｕｌｆａｔｅ）ａｓ ｔｈｅ ａｃｔｉｖａｔｏｒ．Ｔｈｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏ１ｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ ｉｓ ６５ （ｍａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓａｍｅ ｂｅｌｏｗ）ｓｌａｇ，１０ ｆｌｙ ａｓｈ，２０％ｚｅｏｌｉｔｅ，２％ｃｅｍｅｎｔ， ３％Ｃａ（ＯＨ）ｚ．Ａｄｄｉｎｇ ｑｕａｎｔｉｔｙ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｇｌａｓｓ ｉｓ ５％，ｗｈｅｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ３０％ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ ａｓｈ，ｗｉｔｈ ０．３４～０．３５ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ａｓｈ，ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｓ ｐｅｒｆｏｒｍｓ ｗｅｌ１．Ｔｈｅ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｒａｔｅ ｏｆ Ｕ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔ ｗａｓｔｅｓ ｆｏｒｍｓ ｉｓ ６．０×１０ ｃｍ／ｄ ｉｎ ３５ ｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｒａｔｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｌｏｗ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｕ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｂｏｕｔ Ｕ ｏｆ ａｌｋａｌｉ—ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｓ ｇｏｏｄ．Ｔｈｅ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｓ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｌｋａｌｉ—ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ ａｓｈ；ｌｅａｃｈｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ 收稿日期：２００９—０３—２７；修订日期：２００９—０７—１４ 作者简介：赵颜红（１９８１），男，云南玉溪江川人，工程师，环境工程专业 第５期 赵颜红等：放射性焚烧灰碱激发胶凝材料固化体浸出实验 ２６９ 核工业在生产运行中产生了大量的低中放可 既增加对核素离子的滞留作用，同时又能改善固 燃废物。焚烧处理是目前最有效的减容技术方法 化体的耐久性。 之一。废物焚烧产生的焚烧灰在最终处置前还需 本工作以矿渣为主要基材，添加熟料、粉煤灰 进行适当处理，以满足最终处置的要求 ］。水泥 和沸石等材料，采用水玻璃或硅（硫）酸钠激发剂 固化由于具有工艺简单、成本低、固化体的热稳定 制备碱激发胶凝材料，以开展放射性焚烧灰固化 性和抗照性好等优点，是首选的处理方法之一。 体浸出实验研究。 但由于水泥固化体中焚烧灰的包容量同灰的组 成、性质有关，所以该技术存在如下不足：（１）包 ｌ 实验部分 容量小、增容系数大；（２）当灰中混有ＰｂＯ、ＺｎＯ、 １．１ 实验材料 ＣｕＯ等时，这些重金属氧化物能延迟水泥的水力 矿渣，北京首钢，密度２．８９ ｇ／ｃｍ。，比表面积 学反应；（３）当灰中混有Ａ１、Ｚｎ、Ｓｎ和Ｐｂ金属 ３９２ ｍ。／ｋｇ；粉煤灰，北京石景山热电厂，密度 时，水泥组分就会与这些金属发生反应致使固化 ２．４９ ｇ／ｃｍ。，比表面积为４２７ ｍ。／ｋｇ；熟料，北京琉 物在放置中释放氢气，由此引起固化物发生裂隙、 璃河水泥厂，密度３．１８ ｇ／ｃｍ３，比表面积为３５０ ｍ２／ 甚至使固化体破裂，对固化体长期稳定性造成 ｋｇ；沸石，河北赤诚县独石口镇，密度１．３２ ｇ／ｃｍ。， 隐患 。 粒径０．０７４ ｍｍ；偏高岭土，焦作市煜坤矿业有限公 碱激发胶凝材料主要由碱激发剂和粉煤灰、 司，灰色，密度２．７０ ｇ／ｃｍ３，粒径１１／２ｍ；乳胶粉，瓦 矿渣、钢渣、高岭土等两种或多种成分复合而成， 克聚合物材料（上海）有限公司，瓦克５０４４；水玻璃， 在近年来受到了广泛关注。与普通硅酸盐水泥相 北京市红星广厦化工建材有限责任公司，模数 一 比，碱激发胶凝固化材料具有强度高、抗腐蚀性能 １．４，ｗ＝５０％；硝酸钡，北京化学试剂公司，化学纯； 优异以及核素浸出率低等优点，更适合用于放射 硅酸钠，北京市红星泡花碱厂，工业级速溶型粉状 性废物的固化处理 ］。相关研究＿５ 表明，在硅酸 硅酸钠，模数为２．７；硫酸钠，北京化学试剂公司，工 盐水泥中掺加硅灰、矿渣、粉煤灰等混合材料能提 业级。其中，矿渣、粉煤灰、沸石、偏高岭土等主要 高水泥固化体的机械性能、基体吸附和固溶能力， 材料化学组成列于表１。 表１ 主要原材料的化学组成 Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌｓ 矿渣（Ｓｌａｇ） 粉煤灰（Ｆｌｙ ａｓｈ） 水泥熟料（Ｃｅｍｅｎｔ） 沸石（Ｚｅｏｌｉｔｅ） 偏高岭土（Ｍｅｔａｋａｏｌｉｎｅ） １．２主要仪器和设备 化纤织物等约占７５％（质量分数，下同）；橡胶、 ＮＪ—ｌ６０Ａ水泥净浆搅拌机，无锡建仪仪器有 树脂、塑料约占２Ｏ ；纸、木等约占５ 。按上 限公司；ＣＤＲ一２型混凝土快速冻融试验机，北京 述比例，配制了模拟非放可燃废物，先在空气中 燕科新技术总公司；ＴＹＥ ３００Ｆ型抗折抗压试验 进行了初烧，随后将产生的含碳量较高的焚烧 机，无锡建仪仪器有限公司；Ｓ４型ｘ射线荧光仪， 灰放人马弗炉中分批进一步进行焙烧，马弗炉 德国布鲁克公司；ＭＩＮＩ２０低本底ａ、Ｊ３测量仪，法 温度控制在８５０～９００ ｏＣ，每次焚烧时间为 国堪培拉公司。 ２０ ｒａｉｎ，每次焙烧完成后，称取质量并记录，如此 １．３实验内容和方法 反复多次，直至前后两次灰的总量不再减少为 １．３．１模拟焚烧灰的制备 按照可燃核废物焚 止，以便灰中的残碳量控制至最低。对制备模 烧处理工艺，确定模拟废物的组成比例为：棉、 拟焚烧灰进行了分析，结果列于表２。 ２７０ 核化学与放射化学 第３２卷 １．３．２ 固化体制备 按实验设计配比称取各种 原材料（精确至１ ｇ），放入混料器内混料１０ ｍｉｎ， 待用。按照规定的配方配置水泥浆，水泥浆直接 倒入试模，用刮平刀抹平，制成￣５０ ｍｍ×５０ ｍｍ 的圆柱体试验样品，并在（２５±５）℃、不受阳光直 接照射的室内环境中养护２８ ｄ后，分别进行物理 性能测试。 １．３．３模拟固化体性能测定 （１）抗压强度 固化体抗压强度的测定按ＧＢ１７７“水泥胶砂 强度检验方法”的规定进行。 （２）抗冲击性 试验时，试样从９ ｍ高处竖直自由下落到混 凝土地面上，观测试样是否破碎（出现棱角小碎块 和裂纹不作为破碎看待）。 （３）抗冻融性 按照ＧＢ１４５６９．１“低、中水平放射性废物固 化体性能要求水泥固化体”的规定进行。 （４）热稳定性 固化体在１００℃下保持３０ ｍｉｎ，固化体表面 无明显裂痕。 （５）抗浸泡性 按照ＧＢ１４５６９．１“低、中水平放射性废物固 化体性能要求水泥固化体”的规定进行。 １．３．４ 固化体长期浸出实验配方优选后，加入 含铀焚烧灰，制备固化体，养护２８ ｄ后，按照 ＧＢ／Ｔ ７Ｏ２３—８６“放射性废物固化体长期浸出试验” 的方法，在ｌ Ｌ聚乙烯塑料瓶内加５００ ｍＬ去离子水 浸泡试样进行试验，采用低本底ａ测量仪分析浸出 液中的总ａ浓度。测试结果按下式计算： Ｒ ＝＝＝ （１） 一∑Ａ ｉ／＾。ｉ ｒ ９、 Ｆ／Ｖ 、 式中，Ｒ 为在第 浸出周期中第ｉ组分的浸出 率，ｃｍ／ｄ；Ａ：为在第 浸出周期中第ｉ组分的活 度（Ｂｑ）或质量（ｇ）；Ａ 为在浸出试验样品中第ｉ 组分的初始活度（Ｂｑ）或质量（ｇ）；Ｆ为样品与浸 出剂接触的几何表面积，ｃｍ ；Ｖ为样品体积， ｃｍ。；ｔ 为第 浸出周期的持续天数，ｄ； 为在时 间ｔ时第ｉ组分的累积浸出分数，ｃｍ；ｔ为累计的 浸出天数，ｄ。ｔ一∑ｔ 。注意Ａ 和Ａ 应该照衰 变时间进行校正。 １．３．５核素在固化体中扩散系数计算 核素 在固化体向浸出液扩散的过程可近似为一种半无 限介质反应过程。根据半无限大物体第一边界值 的质量传递方程： （ ）一２（ ） ，。 ㈣ 其中：，＝＝＝ 为累积浸出分数，ｃｍ；Ｄ 为修正过 的有效扩散系数，ｃｍ。／ｄ；ｔ为时间，ｄ；Ｖ为样品体 积，ｃｍ。；Ｓ为浸没在浸泡剂中的样品表面积， ｃｍ 。式（３）可以转化成： 厂一 （ ）“ ㈥ 扩散系数Ｄ 能够从ｆ 之间的线性关系的斜 率Ｂ求得，即： ｆ—Ｂ （５） Ｄ 一 ｎＢ２Ｖ２ （６） 由实验数据，求出不同浸泡时间ｔ下对应的Ｂ值， 用平均法计算相应的Ｂ值，进而可求出核素在固 化体中的扩散系数Ｄ 。 ２结果与讨论 ２．１ 碱激发凝胶材料配方设计结果 碱激发矿渣水泥的主要水化产物是成分复杂 的低ｃ／ｓ的Ｃ—Ｓ—Ｈ凝胶与沸石类矿物，本身就具 有固化核素离子的性能。但是碱矿渣水泥存在开 裂收缩严重、凝结时间较短的问题，因此采用引入 粉煤灰及添加剂来优化其性能。 材料主要由矿渣、粉煤灰、沸石、偏高岭土、 乳胶粉、水泥、氢氧化钙等成分组成。激发剂分 别选用了液体水玻璃激发剂（水玻璃模数 — １．４，以Ｎａ Ｏ计）以及硫酸钠与硅酸钠复合固体 激发剂。为了便于实际操作和使用，固化过程 中液体激发剂作为外加剂添加，固体激发剂则 第５期 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ 赵颜红等：放射性焚烧灰碱激发胶凝材料固化体浸出实验 ２７１ 与矿渣等材料复合组成固化基材体系。进行了 ５ 一∞ ∞ 选出８组合格制备配方，配方中粉煤灰加入量 为叫一１０ ９／６，水泥加入量为叫一２ ，其余组分含 蝎 弛 船 始 系列配方试验，测试净浆体抗压强度、抗冲击 量列于表３。 性、热稳定性、抗浸泡性、抗冻融性等指标。优 ∞ ∞ 表３碱激发凝胶材料各组分的质量分数 Ｔａｂｌｅ ３ Ｔｈｅ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ Ｉｎａｓｓ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｌｋａｌｉ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ 一一 一 ３ ３ ３ ０．５ ０．３５ ０，３４ ｏ．３４ ｏ．３１ ｏ．３１ ０．６ Ｏ．６ ０．５ Ｏ．５ ０．５ ０．５ ０．６ ０．６ Ｏ．６ ｏ．３ｏ ｏ．３０ ｏ．３０ 注（Ｎｏｔｅｓ）：１）水玻璃（Ｗａｔｅｒ ｇｌａｓｓ）； ２）硫酸钠与硅酸钠（Ｓｏｄｉｕｍ ｓｉｌｉｃａｔｅ ａｎｄ ｓｏｄｉｕｍ ｓｕｌｆａｔｅ） ２．２配方优化选择 组配方固化体机械性能更为优异，固化体养护 ２８ ｄ抗压强度在２８ ＭＰａ以上。原因主要包括： （１）Ａ、Ｂ、Ｃ三组配方中均未加入偏高岭土，偏高 岭土由于Ａｌ ｏ。含量较高，可以加速胶凝材料的 水化过程，但是不利于后期的强度发展；（２）３个 配方中加入了３ Ｃａ（ＯＨ） ，Ｃａ（ＯＨ） 液相是矿 根据前期配方设计及模拟焚烧灰固化工艺探 索性试验结果，初步以模拟焚烧灰包容量为３Ｏ 进行固化体机械性能试验，水灰比０．３０～０．３５， 从而对比优选配方。按要求制备水泥固化体养护 ２８ ｄ后，进行了相应的测试，试验结果列于表４。 从表４可以看出，研制的６组配方Ａ、Ｂ、Ｃ、 渣的碱性激发剂，激发了矿渣中的活性物质，激发 效果的增强使得固化体机械性能更好＿１ 。因此， 选择配方Ａ、Ｂ、Ｃ进行后续固化体浸出性能试验。 Ｆ、Ｇ、Ｈ固化体的机械性能、抗水性、热稳定性与 抗冻融性能均满足固化要求，其中配方Ａ、Ｂ、Ｃ三 表４模拟焚烧灰固化体试验结果 Ｔａｂｌｅ ４ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ｆｏｒｍｓ ｗｉｔｈ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ ａｓｈ 抗压强度 Ｎｏ． （Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ 抗冲击性 （Ｓｈｏｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ） 热稳定性 （Ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ） 抗浸泡性 （Ｒｅｓｉｓｔａｎｅｅ ｔｏ 抗冻融性 （Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）／ＭＰａ ｓｏａｋａｇｉｎｇ） ｆｒｅｅｚｉｎｇ ａｎｄ ｔｈａｗｉｎｇ） 注（Ｎｏｔｅ）：ａ，合格（Ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ）；ｎ，不合格（Ｎｏ．ａｃｃｅｐｔａｂｌｅ） ２７２ 核化学与放射化学 第３２卷 ２．３固化体核素浸出性能测试 为６×１０～、４×１０～、６×１０一ｃｒｎ／ｄ。低于国标 ２．３．１ 固化体浸出率测试结果 按照模拟配 方，加入实际含铀焚烧灰（分析其总ａ活度为 １．２×１０ Ｂｑ／ｋｇ）制备固化体，测试了固化体的 长期浸出率和累积浸出分数，分别列于表５和 表６。从表５可以看出，３个配方在浸泡周期内 ＧＢ１４５６９．１“低、中水平放射性废物固化体性能 要求水泥固化体”要求的值（４２ ｄ，浸出率低于 １．０×１０ ｃｍ／ｄ）。第２２５天浸出周期内配方Ｃ 浸出率达到了５×１０一ｃｍ／ｄ。从表６可以看出，３ 个配方２２５ ｄ内累积浸出分数均在１０ 量级，随着 浸出周期的延长，累积浸出分数增幅不大。 固化体浸出率呈下降趋势。３５ ｄ的浸出率分别 表５不同配方固化体浸出率Ｒ Ｔａｂｌｅ ５ Ｌｅａｃｈｉｎｇ ｒａｔｅ（Ｒ）ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ｆｏｒｍｓ 配方 （Ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ） Ａ Ｂ Ｃ ５９．ＯＯ １３．２８ １８．９３ ２．２１ ０．９３ １．０１ Ｏ．２９ １．９１ ０．４９ ２８ ｄ Ｏ．２８ ０．０３ ３５ ｄ Ｏ．Ｏ６ ０．０４ ０．Ｏ１ ０．０４ Ｏ．２１ ０．１４ ０．１８ Ｏ．１Ｏ ０．Ｏ６ ０．００５ 表６不同配方固化体累积浸出分数＿厂 Ｔａｂｌｅ ６ Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｆｒａｃｔｉｏｎ（ｆ）ｏｆ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ｆｏｒｍｓ 配方 （Ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ） Ａ Ｂ Ｃ １Ｏ。ｆ／ｃｍ １ ｄ ５．９Ｏ １．３３ ７．Ｏ２ ３．４６ ２．７３ ３５ ｄ ９．４２ ５．６Ｏ ３．７０ １．８９ ２．３．２铀在固化体中的扩散系数计算 通过累 积浸出分数结果，累积浸出分数 与ｔ“ 关系示 值取平均，根据公式（３—６）计算不同配方固化体 中的扩散系数，结果列于表７。从表７可以看出， ３个配方中铀核素扩散系数均在１Ｏ 量级以下， 于图１。从图１可以看出，在不同时间内，３个配 方累积浸出分数，与ｔ 基本成一条直线，满足 其中配方Ｃ扩散系数最低，为４．０×１０ ｃｍ ／ｄ， 较文献值［１妇低１～２个数量级，表明制备的碱激 发胶凝材料对铀有较好地滞留作用。 表７不同配方固化体中铀的扩散系数 Ｔａｂｌｅ ７ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｕｒａｎｉｕｍ ｉｎ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ ｆｏｒｍｓ 线性关系，可以认为斜率Ｂ为一个恒定值。对该 图１碱激发胶凝材料固化体累积 浸出分数，与 “ 关系 Ｆｉｇ．１ Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｆｒａｃｔｉｏｎ（ｆ）ａｎｄ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｔｉｍｅ ｓｑｕａｒｅ ｒｏｏｔ ｔＵ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒｍｓ ■——Ａ，▲——Ｂ，● Ｃ ２．３．３铀在固化体中的浸出机理探讨核素由 水泥固化的废物体中的释出是一个复杂的物理一 化学过程，至今其释放机制尚未被人们完全了 第５期 赵颜红等：放射性焚烧灰碱激发胶凝材料固化体浸出实验 ２７３ 解 。已被证实的是核素从固化体释放到周围 浸泡液体的方式主要有：扩散、分解和离子交换， 此外还有侵蚀和表面反应等，前三者通过单一或 者复杂的方式影响核素的质量传递过程『１ 。由 图１可以看出，３个配方累积浸出分数与时间的 平方根线性关系良好，扩散系数可以认为是常数， 表明铀在碱激发胶凝材料中的浸出主要由扩散控 制，其他作用机制影响较小 。 ３ 结 论 （１）采用矿渣为主要原料，添加粉煤灰、沸石 等添加剂，外加水玻璃和硫酸钠与硅酸钠复合激 发剂，制备出碱激发胶凝固化材料，该材料固化体 机械性能优异。 （２）通过实验优选出的碱激发胶凝固化基材 配方为矿渣含量６５ （质量分数，下同），粉煤灰 １０ ，沸石２０ ，水泥熟料２ ，氢氧化钙３ ，水 玻璃５ ，放射性焚烧灰包容量为３０ ，水灰比 ０．３４～０．３５。固化体各项机械性能优异，第３５天 铀的浸出率为６．０×ｌＯ ｃｍ／ｄ，２２５ ｄ长期浸出 率较低。 （３）铀在碱激发胶凝材料固化体中的扩散系 数为常数，在１Ｏ ～１０ Ｃ１ＴＩ ／ｄ量级，浸出机制 主要受扩散控制。 参考文献： Ｅ １ ３ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅ Ａｓｈ Ｕｓｉｎｇ Ｃｌｅｍｓｏｎ’Ｓ Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ （Ｐａｒｔ １一Ｐｈａｓｅ Ｉ Ｒｕｓｕｈｓ）．Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｕｍｍａｒｙ ＲｅｐｏｒｔＥＲ］．Ｕ．Ｓ．ＤＯＥ，１９９８． ［２３ Ｎａｋａｓｈｉｍａ Ｔ，Ｋｕｒｉｂａｙａｓｈｉ Ｈ，Ｔｏｄｏ Ｆ．Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｅｍｅｎｔ Ｓｏｌｉｄｉｔｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］∥Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｌ ９９３ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｎｕｅｌｅａｒ Ｗａｓｔｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｒｅｍｅｄｉａｔｉｏｎ． Ｐｒａｇｕｅ，１９９３，３：１８３． ［３３刘志辉，冯声涛，程 理，等，焚烧灰造粒水泥玻璃 固化配方研究ＥＪ］．辐射防护，２００６，２６（１）：１７—２３． Ｅ４］ Ｓｈｉ Ｃａｉｊｕｎ，Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ—Ｊｉｍｅｎｅｚ Ａ．ｓｔａｂ．１ｉｚａｔｉｏｎ／ｓｏ— ｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ ａｎｄ Ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ Ｗａｓｔｅｓ Ｗｉｔｈ Ａｌｋａｉ—Ａｃｔｉｖａｔｅｄ Ｃｅｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｊ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｂ，２００６，１３７：１ ６５６－１ ６６３． Ｅ５］沈晓冬，严生，吴学权，等．放射性废物水泥固化 的理论基础、研究现状及对水泥化学研究的思考ＥＪ］． 硅酸盐学报，１９９４，２２（２）：１８１ １８７． ［６３赵怀红，严生．非ａ中低放废液碱激发胶凝材料固 化体性能研究ＥＪ］．江苏大学学报，２００２，２３（４）：６Ｏ ６３． ［７］陈雅兰，李玉香，钱光人，等．新型放射性废物固化 胶凝材料浆体对锶铯的吸附研究ＬＪ］．西南工学院学 报，２０００，１５（１）：１５－１９． ［８３徐素珍，汪书春，周 青，等．含氚废水水泥同化实 验研究ＥＪ３．原子能科学技术，１９９２，２６（１）：１５—２０． ［９２ Ｐｌｅｃａｓ Ｉ．Ｌｅａｃｈｉｎｇ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｉｆｉ— ｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒａｄｉｏｎｕｃｌｉｄｅ Ｃｏ ｉｎ ＣｏｎｃｒｅｔｅＥＪ］．Ｐｏｌｉｓｈ Ｊ Ｅｎｖｉｒｏｎ Ｓｔｕｄ，２００５，１４（５）：６９９－７０１． ［１Ｏ］苏达根．水泥与混凝土工艺ＥＭ］．ｊＥ京：化学工业出 版社，２００４：１１２一ｕ８． ［１１］谭宏斌，马小玲，李玉香．掺合材料对硅酸盐水泥固 化体滞留铀（ＶＩ）性能的影响ＥＪ１．原子能科学技术， ２００６，４Ｏ（５）：５３９—５４３． Ｅｌ２］王志明，杨月娥．固化体大小对核素浸出的影响［Ｊ］． 辐射防护通讯，１９９５，１５（６）：２５—３０． ［１３］Ｄｏｕｇｈｅｒｔｙ Ｄ，Ｆｕｈｒｍａｎｎ Ｍ，Ｃｏｌｏｍｂｏ Ｐ，ｅｔ ａ１． Ｌｅａｃｈｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ Ｐｒｏｇｒａｍ Ａｎｎｕａｌ Ｒｅｐｏｒｔ， ＢＮＬ一５１８６２［Ｒ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＢＮＬ，１９８４． ［１４］Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ．ＡＮＳＩ／ＡＮＳ—ｌ ６．１ Ｍｅａ— ｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｌｅａｃｈａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ Ｌｏｗ—Ｌｅｖｅｌ ＲａｄｉｏａｃｔｉｖｅＷａｓｔｅｓ ｂｙ ａ Ｓｈｏｒｔ－Ｔｅｒｍ Ｔｅｓｔ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ［Ｓ］． ＵＳＡ：Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００３．