《硅酸盐学报》：沸石细度对磷酸镁水泥固化体性能影响及 133Cs 固化机理
姜自超，丁建华，汪宏涛，张时豪，戴丰乐
(后勤工程学院化学与材料工程系，重庆 401311)
摘 要：利用不同比表面积沸石改性的磷酸钾镁水泥对模拟放射性核素 133Cs 进行了固化，研究了固化体的抗压强度、抗浸 泡性、抗冻融性、抗冲击性和抗浸出性，并分析了固化体的物相组成和孔隙结构。结果表明：随着沸石比表面积的增加，含 Cs 固化体强度呈现出先减小后增加的趋势，而固化体的抗冲击性会增强；固化体经过冻融循环和水中浸泡后抗压强度会降低， 但仍高于国家标准的要求；增加沸石的比表面积可以增强固化体对 Cs 的固化效果；沸石不参与水化反应，但可以增强对 Cs 的机械固化和吸附固化。
关键词：磷酸钾镁水泥；沸石；比表面积；固化；模拟放射性核素铯
中图分类号：TU526 文献标志码：A
文章编号：0454–5648(2017)05–0000–05
收稿日期：2016–06–27。
修订日期：2017–01–10。
基金项目：
国家自然科学基金项目(51272283)；
重庆市自然科学基金项 目(cstc2012jjB50009)。
第一作者：姜自超(1990—)，男，硕士研究生。
通信作者：汪宏涛(1974—)，男，博士，副教授。
前言
随着化石能源的不断减少，核能在能源结构中占有越来越大的比重[1]，然而核能是一把双刃剑，在满足人类不断增长的能源需求的同时也不可避免的产生大量的放射性核废料，妥善处理这些放射性核废料才能实现对核能的持续利用和生态环境的可持续发展。
水泥对放射性核素具有一定的物理包容和吸附作用，而且成本较低、施工方便，因此水泥固化法是最早开发和现在仍被广泛使用的核废物处理手段[2–3]。磷酸镁水泥以过烧氧化镁和酸式磷酸盐为主要原料，具有结构致密、快硬早强、绿色环保等诸多优良特性[4–6]，在核废料的固化方面有广阔的应用前景，国内外学者也针对磷酸镁水泥的固化性能进行了相关研究。Wagh 等[7]研究发现磷酸镁水泥对含 Pu 废物有较好的固化性能。Covill 等[8]比较了普通硅酸盐水泥和磷酸镁水泥固化放射性废物的性能， 发现磷酸镁水泥对放射性核素铀的相容性高于普通硅酸盐水泥。梁攀等[9]采用磷酸镁水泥固化 Cs 元 素，指出 Cs 42d 的浸出率为 2.1×10–4 cm/d，累积浸 出分数为 7.74×10–3 cm，优于国家相关标准。李全伟等[10]利用普通硅酸盐水泥对模拟放射性废树脂进行固化，发现在水泥中加入一定量沸石，可以提高固化体抗压强度，并降低了 Cs、Sr 浸出率。李长 成等[11]在碱矿渣复合水泥引入沸石进行改性，增强了固化体对核素 Cs 的固化能力。
因此，以沸石改性的磷酸镁水泥为固化材料， 研究了不同比表面积沸石改性的含 Cs 磷酸镁水泥固化体的性能，并研究了磷酸镁水泥固化体的物相 及微观形貌。
结论
1) 随着沸石比表面积的增加，磷酸镁水泥固化体抗压强度呈现出先减小后增加的趋势，固化体的抗冲击性会增强；固化体具有良好的抗冻融性和抗浸泡性，经冻融循环和浸泡试验后强度降低幅度在国家标准要求范围内。
2) 沸石改性的磷酸镁水泥对 Cs 的固化效果良 好，增加沸石的比表面积可以进一步增强固化效果。沸石不会参加磷酸钾镁水泥的水化反应，但沸石的三维架状硅酸盐结构可以以电荷平衡的方式吸附 Cs+，增强固化体的吸附固化性能；此外，比表面积较大的沸石可以细化孔结构、提高密实度，进而增强固化体对 Cs 的机械固化性能。
文中部分插图
扩展阅读
固化模拟放射性核素Sr对磷酸镁水泥水化特性的影响
戴丰乐，汪宏涛，张时豪，丁建华，姜自超
(中国人民解放军后勤工程学院化学与工程材料系，重庆 401311)
摘 要：研究了固化模拟放射性核素 Sr 对磷酸镁水泥性能的影响，通过分析固化体水化热、物相组成及微观形貌，探讨了 Sr 对磷酸镁水泥水化特性的影响机理。结果表明：固化体的力学性能优异，1 d 抗压强度即可达到国家标准的 4.5 倍以上； 磷酸镁水泥固化体具有优异的抗浸出性，42 d 浸出率及累计浸出分数远低于国家标准的要求；Sr 会阻碍磷酸盐在水化初期的水解及电离，同时 MgO 溶解及水化产物 MgKPO4·6H2O生成的速率随 Sr 掺量增大而减缓；掺入 Sr 后水化产物生成量大幅下降是水化初期抗压强度降低的主要原因，随着龄期增长，水化产物结晶程度降低、结构改变以及孔隙孔径增大成为固化体抗压强度降低的主要原因。
关键词：磷酸镁水泥；固化；锶；水化
中图分类号：TU526 文献标志码：A
文章编号：0454–5648(2017)05–0651–06
网络出版时间：2017–04–21 12:30:04
网络出版地址：
http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20170421.1230.008.html