核工程水泥基防腐防水材料防放射性浸出性研究

李新政+姜長(zhǎng)毅+陳云明

【摘 要】將CN2000系列防腐防水材料刮涂在放射性蒸殘液水泥固化樣品上，通過(guò)測(cè)量其浸泡液的pH值、電阻率及其中的60Co、137Cs的活度濃度，來(lái)考察CN2000系列防腐防水材料是否具有優(yōu)良的防放射性浸出性能。研究表明CN2000系列防腐防水材料具有較好的抗放射性浸出能力，第42天137Cs、60Co的浸出率均低于國(guó)標(biāo)要求；且CN2000Ⅰ、Ⅱ樣品137Cs的42d累積浸出分?jǐn)?shù)比空白樣品低4～5倍， 60Co的42d累積浸出分?jǐn)?shù)比空白樣品低4倍。

【關(guān)鍵詞】核工程水泥基；防腐防水材料；放射性浸出

【Abstract】Brush the series of cn2000 anticorrosion and waterproof material on the cemented waste form， then analyze whether they have radioactive leaching by measuring the pH of the leachate and the 60Co and 137Css activity. The result shows that they have good radioactive leaching ability， the137Cs and 60Cos leaching rates were lower than the standard after 42 days， and the137Css cumulative fraction leach was 4 to 5 times lower than the blank sample which brushed the cn2000Ⅰand Ⅱ after 42 days， the 60Cos cumulative fraction leach was 4 times lower than the blank sample.

【Key words】Nuclear engineering cement-based； Anti- corrosion waterproof material； Radioactive leaching

在核設(shè)施運(yùn)行過(guò)程和核科技研究過(guò)程中產(chǎn)生大量放射性廢物，高效安全的處理放射性廢物是關(guān)系到核事業(yè)發(fā)展的核心問(wèn)題。針對(duì)不同類型的廢物，可采用水泥固化、瀝青固化、塑料固化、玻璃固化等不同的處理工藝。水泥固化法因具備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于蒸殘液、泥漿、廢樹(shù)脂等中低放廢物的處理[1-2]，其缺點(diǎn)在于固化體核素浸出率較高，為了改善固化體性能，在固化體表面涂覆防腐防水材料，可有效地降低放射性核素的浸出[3-8]。

從理論上講，防水是防腐的第一道屏障，許多物理的、化學(xué)的侵蝕是以水為載體進(jìn)行。CN2000系列防腐防水材料，不但其本身具有優(yōu)異的防腐、防水性能，而且能很好地與水泥制品或混凝土構(gòu)筑物粘結(jié)為一體，不僅可以提高基體的強(qiáng)度，而且其中所含有的活性物質(zhì)能夠催化尚未充分水化的水泥石成分與水反應(yīng)生成硅酸鹽結(jié)晶（即C-S-H結(jié)晶），從而提高主體結(jié)構(gòu)的防滲能力；同時(shí)，當(dāng)制品及構(gòu)筑物內(nèi)部因內(nèi)應(yīng)力或外力產(chǎn)生微小裂隙時(shí)，由于活性物質(zhì)的催化作用，沿裂隙生成新的C-S-H結(jié)晶，可堵塞水的通道，達(dá)到自我修復(fù)的目的。CN2000系列防腐防水材料優(yōu)異的防水抗?jié)B性能阻斷了作為許多物理的、化學(xué)的、生物的侵蝕載體—水的滲入，從而達(dá)到防止環(huán)境對(duì)水泥制品和混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕以及放射性物質(zhì)的浸出，延長(zhǎng)其耐久性的目的。

本試驗(yàn)將CN2000系列防腐防水材料刮涂在放射性蒸殘液水泥固化體上，按照國(guó)標(biāo)開(kāi)展放射性核素浸出試驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量固化體浸出液的pH值、電阻率及其中的60Co、137Cs的放射性活度濃度[1]，來(lái)考察CN2000系列防腐防水材料對(duì)水泥固化體防放射性浸出的性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

（1）水泥：普通硅酸鹽水泥，峨眉金頂水泥廠，標(biāo)號(hào)32.5；

（2）放射性蒸殘液：137Cs活度濃度為2.04×105Bq/L，60Co活度濃度為1.77×107Bq/L；

（3）防腐防水材料：Ⅰ：CN2000B料，Ⅱ：CN2000B料+CN2000C料﹠CN2000D料，Ⅲ：CN2000B料+CN2000C料，Ⅳ：CN2000 E料。

1.2 主要儀器和設(shè)備

（1）AG245型電子天平，感量0.05mg，瑞士；

（2）高純鍺γ譜儀，GEM-30185-P-PLUS，美國(guó)；

（3）pH計(jì)，METTLER TOLEDO MP220 ，0～14，瑞士；

（4）電導(dǎo)率儀，DDB—6200，上海。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

（1）放射性水泥固化樣品的制備

按照水灰質(zhì)量比0.5：1制作的φ22×35mm水泥固化體，并在（25±5）℃、濕度>90%、不受陽(yáng)光直射的室內(nèi)環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28天。

（2）放射性水泥固化樣品刮涂涂層

固化樣品養(yǎng)護(hù)到期后，脫模，用砂紙打磨處理其表面，準(zhǔn)確測(cè)量幾何物理數(shù)據(jù)（直徑、高度、質(zhì)量）后，刮涂防腐防水材料，并再次測(cè)量。

（3）樣品靜態(tài)浸出試驗(yàn)

試驗(yàn)所用浸出劑為去離子水，將樣品用尼龍絲懸掛于浸出容器中，加入350mL去離子水。在累積浸泡的第1天、3天、7天、14天、21天、28天、35天、42天時(shí)更換新鮮浸出劑，并取浸出液測(cè)量pH值、電阻率及60Co、137Cs的活度濃度[2]。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH值隨時(shí)間的變化

樣品浸出液pH值測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

由上表可以看出：

1）試驗(yàn)樣品的浸出液的pH值隨時(shí)間的變化均比較小；

2）空白樣品的pH值在剛開(kāi)始有所下降，之后又逐漸增大至初始時(shí)水平，然后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)基本保持穩(wěn)定；

3）從整體上看，空白樣的pH>Ⅰ涂層樣品的pH>Ⅱ涂層樣品的pH，不同防腐防水材料組合的涂層性質(zhì)有異。

2.2 電阻率隨時(shí)間的變化

樣品浸出液的電阻率測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

由上表可以看出：

5組樣品的比電阻率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本是一致的，而且總體上電阻率：Ⅱ涂層>Ⅰ涂層>空白，側(cè)面說(shuō)明幾種防腐防水材料涂層都具有抗浸出性。

2.3 放射性核素浸出率及浸出分?jǐn)?shù)

60Co和137Cs的放射性活度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

2.3.1 放射性核素浸出率

將60Co及137Cs的浸出率的計(jì)算結(jié)果做隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖可得圖1：

由圖1可以看出：

1）所有樣品的浸出率隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，浸出率都趨于變小，并趨于穩(wěn)定；

2）空白樣品的浸出率明顯高于Ⅰ、Ⅱ涂層樣品的浸出率，浸泡初期更是高出1個(gè)數(shù)量級(jí)；

3）Ⅰ、Ⅱ涂層樣品的浸出率相對(duì)其他幾組較低，說(shuō)明幾種防水防腐涂料對(duì)60Co的抗浸出性能為：Ⅰ涂層≈Ⅱ涂層>Ⅲ涂層>空白。

4）外表面涂了CN2000系列防腐防水材料的樣品的浸出率明顯低于空白樣，幾種防腐防水材料對(duì)137Cs的抗浸出性能為：Ⅱ涂層>Ⅰ涂層>空白。

2.3.2 放射性核素浸出分?jǐn)?shù)

將137Cs、60Co浸出分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果做隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖得圖2、圖3。

由圖2、圖3可以看出：

1）樣品放射性核素137Cs的42天的累計(jì)浸出分?jǐn)?shù)為8.15×10-2cm，Ⅰ樣品放射性核素137Cs的42天的累計(jì)浸出分?jǐn)?shù)為1.86×10-2cm，Ⅱ樣品放射性核素137Cs的42天的累計(jì)浸出分?jǐn)?shù)為1.40×10-2cm，Ⅲ樣品放射性核素137Cs的42天的累計(jì)浸出分?jǐn)?shù)為2.32×10-2cm，Ⅳ樣品放射性核素137Cs的42天的累計(jì)浸出分?jǐn)?shù)為1.89×10-2cm，低于國(guó)標(biāo)規(guī)定的0.26cm的1個(gè)數(shù)量級(jí)。與空白樣品相比，CN2000Ⅰ、Ⅱ樣品137Cs的42d累計(jì)浸出分?jǐn)?shù)低4～5倍。

2）樣品放射性核素60Co的42天的累計(jì)浸出分?jǐn)?shù)為6.89×10-4cm，Ⅰ樣品放射性核素60Co的42天的累計(jì)浸出分?jǐn)?shù)為1.63×10-4cm，Ⅱ樣品放射性核素60Co的42天的累計(jì)浸出分?jǐn)?shù)為1.72×10-4cm，Ⅲ樣品放射性核素60Co的42天的累計(jì)浸出分?jǐn)?shù)為1.96×10-4cm，Ⅳ樣品放射性核素60Co的42天的累計(jì)浸出分?jǐn)?shù)為5.81×10-4cm，低于國(guó)標(biāo)要求的0.17cm的3個(gè)數(shù)量級(jí)。與空白樣品相比，CN2000Ⅰ、Ⅱ樣品60Co的42d累計(jì)浸出分?jǐn)?shù)低4倍。

3 結(jié)論

采用CN2000系列防腐防水材料，浸出率和浸出分?jǐn)?shù)均低于國(guó)標(biāo)1～3個(gè)數(shù)量級(jí)，可以大幅度降低動(dòng)力堆放射性蒸殘液的水泥固化體的浸出率，表明其防放射性核素浸出性能好且穩(wěn)定，從而可以降低其存放及最終處置的風(fēng)險(xiǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]GB14569.1-2011，低、中水平放射性廢物固化體性能要求—水泥固化體[S].

[2]GB /T7023-2011，低、中水平放射性廢物固化體標(biāo)準(zhǔn)浸出試驗(yàn)方法[S].

[3]熊義富，敬文勇. 幾種水泥固化體中HTO浸出性研究[J]，輻射防護(hù)，2003，23（2）：102-106.

[4]徐素珍，汪書(shū)卷，周青，黃永鐃.含氚廢水水泥固化實(shí)驗(yàn)研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，1992（01）.

[5]谷萬(wàn)成.低中水平放射性廢液的水泥固化研究[J].濕法冶金，2005（01）：33-39.

[6]金承黎，易發(fā)成，李玉香.堿礦渣水泥固化核廢物研究現(xiàn)狀[J].核科學(xué)與工程， 2004（01）：27-30.

[7]李全偉，王成端，李帆，陸文，陳曉林，徐曉佳.低水平放射性廢物水泥固化體的測(cè)試與評(píng)價(jià)[J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004（03）：64-66.

[8]郭喜良，馮聲濤.低、中水平放射性廢物水泥固化體性能檢驗(yàn)的討論[J].輻射防護(hù)通訊，2007（03）：12-16.

[責(zé)任編輯：張濤]