水泥固化

水泥固化
摘要：
本文介绍了水泥固化在低中放废物处理中的应用，其中主要的内容有水泥固化原理、影响水泥固化体性能的因素和水泥固化工艺。

比较了水泥固化相对于其他固化原理的优缺点，很好的解释了当代水泥固化工艺中所要做的和不足的，对以后学习水泥固化起到了一定的帮助。

关键词：水泥固化固化体性能固化工艺
水泥固化在一般有害废物处理中已经是一种较为成熟的方法①。

在放射性废物的固化处理方面，水泥固化技术开发最早，至今已有40多年的历史。

水泥固化中低放废物已是一种成熟的技术，已经被很多国家采用，在德国，法国，日本，美国，印度等都有大规模的工程化应用。

⏹所谓放射性废液水泥固化就是将放射性废液与水泥按一定的比例掺和，经
凝固养护后制程具有一定机械强度的水泥固化体的过程。

水泥固化的目的就是将具有流动性、弥散性的放射性废液转变成物理、化学性能稳定、不易弥散的固态废物体，以便于装卸、运输、贮存和处置。

目前，水泥固化
应用比较广泛，主要应用于固化中低放废液的浓缩液、化学沉淀泥浆和废
离子交换树脂及固体废物的整备②。

⏹水泥固化相比于其他固化技术（沥青固化、陶瓷固化、玻璃固化）相比，
具有以下优点：
⏹1）设备和工艺简单，操作方便、安全
⏹2）固化原料易得、价低、能耗小成本低。

⏹3）不需要加热，工作温度低，不会发生火灾。

⏹4）固化体机械强度高，耐热性好，抗辐照能力强。

⏹5）产品自屏蔽性能良好。

⏹6）易于远距离操作和自动化控制。

⏹1）放射性核素特别是碱金属核素的浸出率比较高，比沥青固化体高出2
个数量级，比玻璃固化体高出4个数量级。

⏹2）固化体体积大于被固化的废液体积，即固化过程是增容而不是减容
⏹但是，该方法也有一定的缺点：
⏹3）对于高含盐的废物，盐分会干扰水泥的水化反应。

⏹4）固化工艺对废水的PH要求较高，需要预先调料。

⏹5）操作过程中易产生粉尘。

为了克服水泥固化的缺点，近年来，国内外科技人员对其进行了大量的研究开发工作，主要包括以下几个方面：
（1）降低放射性核素的浸出率③
各国研究人员提出较多的方法，包括：
1）对废液进行预处理，如用K2CuFe(CN)6和K2ZnFe(CN)6沉淀Cs，用活性炭去Co。

2）利用添加剂降低铯，锶的浸出率。

3) 改常压固化为加压固化，使固化体致密化，减少与水接触表面积。

4）在水泥固化体表面敷加涂层。

（2）降低固化体的体积
有效的措施是先将废物干燥脱水，进行干盐分固化。

水泥固化原理
水泥固化是基于水泥的水化和氺硬胶凝作用而对废物进行固化处理的一种方法。

水泥作为一种无机胶结材料，经过水化反应后形成坚硬的水泥固化体，固体和盐分通过物理包容和化学结合固定于水泥固化体中，从而达到固化处理放射性废物的目的。

研究认为，水泥水化产物对放射性废物中核素离子的固化作用主要有3个方面的作用，即机械固化、吸附固化和化学固化。

⏹机械固化主要靠水泥的高致密
⏹度阻止核素离子的扩散渗出。

⏹吸附固化主要通过水泥的水化产物或外加的吸附剂，对放射性核素离子
生吸附作用力，将其滞留在水化产物中固定。

化学固化是指放射性核素离子在水泥的水化硬化作用中，进入水化产物的晶格中，与水泥水化产物反应形成固溶体而被固化
水泥固化体性能及要求④
其包括抗浸出性，抗压强度、抗冲击性能、游离液体、耐辐照性、抗浸泡和抗冻融性。

耐辐照性：水泥固化体试样进行辐照试验后，其外观不应有明显的裂纹或龟裂，抗压强度损失不超过25%.当水泥固化体在300a内积累吸收剂量小于10000Gy 时，可不进行本项试验。

抗压强度
⏹抗压强度是衡量水泥固化体质量的另一项重要指标。

为了便于安全运输、
贮存和处置，水泥固化体必须具有较高的抗压强度，否则水泥固化体在装卸、运输、贮存和处置过程中容易破碎，暴露的表面积增加并产生放射性粉尘，从而污染环境。

⏹标准规定，在室温、密闭条件下，不经养护、完全硬化后的水泥固化
体应是密实、均匀的块体。

水泥固化试样的抗压强度不小应于7MPa。

⏹
抗冲击性能
⏹标准规定：固化体试样从9m高处自由下落到混凝土地面上不应有明显的
破碎。

⏹水泥固化体一般有较高的抗冲击性能，这是由于固化体结构相对比
较致密的缘故。

在水泥固化体中掺加一些添加材料，如沸石、蛭石，其抗冲击性能会进一步提高，因为这些材料可以使固化体结构变得更加致密。

⏹
游离液体
⏹所谓游离液体是指不为固体基质所束缚的未结合的液体。

我国国家标准规
定，在室温、密闭条件下，经过养护后的水泥固化体不应存在泌出的游离液体。

这样规定的目的是为了后续的安全贮存、运输和处置。

⏹一般情况下，水泥固化体表面的量不能超过1%（体积分数），泌水消
失时间不能超过48小时。

影响水泥固化体的性能的因素⑤
影响固化的因素有很多，除了水泥品种及级别以外，还包括废液组成、水泥固化放射性废液的配比、养护环境等。

废液组成
放射性废液中化学成分及其含量有所不同，例如生产堆核燃料后处理过程中产生的中放废液其主要成分包括氢氧化钠、碳酸钠、偏铝酸钠、硝酸钠等，其中部分化学成分参与影响水泥的水化过程，从而加速或延缓了水泥的凝结和硬化时间。

研究表明偏铝酸钠、硫酸钠、氢氧化钠、碳酸钠、氯化钠对水泥都有一定的促凝作用，而柠檬酸、酒石酸、硼酸、磷酸二氢钠对水泥具有相当的缓凝作用。

水泥固化放射性废物的配比
⏹水泥固化放射性废物的配比是影响水泥固化的一个极为重要的因素。

放射
性废物的配比主要包括水灰比和盐灰比。

⏹（1）水灰比
⏹水灰比是指水泥固化时，掺入的水与基质材料的质量之比。

⏹ (2)盐灰比
⏹盐灰比是指掺入盐分（废液中所有固体成分的总称）的质量与基质材
料质量之比。

养护环境
养护是水泥固化操作的一个重要环节。

养护环境主要是指环境的温度和湿度。

温度越高、湿度越大，越有利于基质材料的水化，增加固化体早期抗压强度。

但养护温度过高会导致固化体外表面及内部水分的过度蒸发，引起固化体的开裂，从而影响固化体的质量。

水泥固化体一般在室温下进行养护，相对湿度不低于80%，养护时间不低于28h。

水泥固化工艺⑥
水泥固化放射性的工艺很多，大致可分为两大类，一类是借助外力将废物和水泥进行搅拌或混合的方法，如桶内搅拌法、桶内混合法、桶外搅拌法等；另一类是无需搅拌废物和水泥的方法，如吸收法。

1.桶内搅拌法
⏹桶内搅拌法是水泥固化工艺中常用的方法。

该方法使用的固化容器大多是
200L钢制容器。

其工艺流程为：将规定的水泥、废液、添加剂加入废物桶，然后插入可移动式螺旋搅拌桨进行混合。

待搅拌均匀后，移除废物桶，封盖，对桶外简单去污，然后送去养护。

⏹桶内搅拌法的优点：
⏹1）混合容器作为最终处置容器，从而避免了频繁地去污。

⏹2）其他设备的清洗去污容易，去污工作量少，产生的二次废物少
⏹主要缺点是：
⏹1）由于废物及配方的不同，有时难于搅拌均匀。

⏹2）容器上部还有一定的空间难于充满。

⏹3）必须仔细掌握投料顺序和速度。

2.桶内混合法
⏹桶内混合法与桶内搅拌法的区别在不是通过搅拌器进行混合，而是通过滚
动或翻滚、摇摆、振动的方法使桶内的废液与水泥混合。

⏹桶内混合法的优点是，由于该方法是在密封性很好的处置容器内进行物料
混合，因此，废液不易外溅，处理后器具不用清洗。

⏹其缺点是处理量小，混合物难于充满容器，对有些废物拌合困难，无法获
得均匀的固化体，固化体强度不高，远距离操作困难等。

3.桶外搅拌法
⏹根据操作方法的不同，桶外搅拌法可分为间歇搅拌和连续搅拌两种
⏹间歇搅拌是预先将废液、水泥、添加剂等按比例加入混合器内，经搅拌机
搅拌混合填充到处置器中。

⏹这种方法的优点是加料简单，搅拌方法成熟，水泥搅拌均匀，固化体性能
较好容器可以填满。

与桶内搅拌相比，其缺点是，搅拌混合器的洗涤去污比较麻烦。

⏹连续搅拌法是将废物和水泥按一定比例连续输入搅拌混合器中进行连续
搅拌，搅拌混合均匀的水泥浆则连续排至废物桶内。

本方法的特点是混合物在搅拌器内的停留时间短，处理能力大大。

但是，为了确保固化体的质量必须严格控制废液与水泥的进料速度及水泥浆的排料速度。

4.吸收法
⏹吸收法是在没有外力搅拌放射性废液和水泥的一种固化方法。

其中比较典
型的一种是先将水泥和蛭石按一定比例进行干混合，然后再将放射性废液加入混合物中。

膨胀蛭石具有多孔、吸水量大等特点，允许干水泥渗入到它的结构中去。

这种蛭石和水泥的混合材料能像海绵一样吸收液体，从而
使废液分散在其内。

⏹吸收法的优点是，过程简单，容器本身就是处置容器，不需要外力搅拌，
不存在设备的清洗去污问题。

⏹缺点是，难于得到均匀的混合体；固化体浸出率高、强度小；容器本身有
一定的尺寸限制；只适用于特殊类型的放射性废液。

参考文献
①国际原子能机构. 放射性水泥固化【M】. 王锡林，等，译. 北京：原子能出版社，1982.
②罗上庚. 放射性废物处理与处置【M】. 北京：中国环境科学出版社，2007.
③车春霞，藤元成，桂强. 放射性固化处理的研究及应用现状【J】. 材料导报，2006,20（2）
④核工业第二研究设计院. GB 14569.1——2001低、中放射性废物固化体性能要求（水泥固化体）【S】.北京：中国标准出版社，2001.
⑤罗上庚. 放射性废物处理与处置【M】. 北京：中国环境出版社，2007.
⑥核燃料工艺编写组. 核燃料后处理工艺【M】. 北京：原子能出版社。

1978.。