某400L桶外搅拌水泥固化生产线配方工程验证试验

某400L桶外搅拌水泥固化生产线配方工程验证试验

程智

中核四川环保工程有限责任公司

摘要：水泥固化工艺具有工艺设备简单，投资规模小、运行成本低的特点，被广泛用于中、低水平放射性废液的处理。国内某核工业单位建设了一条400L桶外搅拌水泥固化生产线，用于处理低水平放射性废液。在该生产线投热料前，已针对处理对象，开展了实验室规模的冷试验、热试验，筛选出水泥固化配方。为了保障投入热料后产生的水泥固化体性能满足处置的要求，需要开展工程规模的验证试验。

关键词：水泥固化 配方 工程规模 验证试验

1 引言

放射性废液固化的基材很多，传统的固化工艺有沥青固化、玻璃固化、水泥固化等。而水泥固化具有工艺设备简单，投资规模和运行成本低等，固化体性能较好的特点，被广泛用于中、低水平废液的处理中。国内某条400L桶外搅拌水泥固化生产线在投热料前，需要结合废液的特点，有针对性的开展配方研究，确定其固化体性能满足《低、中水平放射性废物固化体性能要求——水泥固化体》（GB14569.1-2011）要求。在开展本课题前期，针对拟处理废液的组分，开展了实验室规模的冷试验、热试验，筛选出按照0.50、0.55、0.60、0.65的料灰比，采用P.O 42.5水泥进行固化，其样品机械性能、主要放射性核素浸出率满足固化体性能指标。

本文通过模拟料液在400L桶外搅拌水泥固化生产线上开展工程规模的验证试验，推荐出满足正式运行所需的配方。

2试验内容及方法

本课题主要在原有成果基础上，通过配置模拟料液（模拟料液配方见表1），在400L桶外搅拌水泥固化生产线上开展水泥生产运行试验，取样测试水泥灰浆的流动度、初终凝时间等性能参数；观测水泥灰浆泌水情况；固化体养护7天后观测固化体游离液体情况；养护28天后对固化体进行钻芯取样，测试固化体抗压强度、抗冲击性、抗冻融性、抗浸出性等性能指标；对固化体进行剖切，观察固化体是否均匀、密实，有无裂缝等。

表1模拟料液配制表

2.1试验方案设计

本次验证试验对推荐配方的料灰比，逐一在400L桶外搅拌水泥固化生产线上开展试验，按照工艺流程进行生产，产生的水泥固化体在暂存库养护28天后，进行钻芯取样，制作成标准试块，开展性能测试，每个料灰比生产2桶水泥固化体，4个料灰比共计生产8桶400L水泥固化体。

测量流动度、初凝时间、终凝时间等，通过在水泥固化搅拌器下料口直接取样进行测试。

2.2 水泥灰浆制备

配置模拟料液2立方米，准备普通P.O 42.5水泥5t，400L钢桶8个。工程规模试验在已建成的400L桶外搅拌水泥固化生产线进行。根据料灰比分别计算出所需料液量和水泥量，经过计量后，输送至混合搅拌器，按照真实工艺条件，搅拌完成后将水泥灰浆卸至400L钢桶内，两次搅拌完成1桶固化体的生产，每个料灰比生产2桶。

表2 模拟料液配方添加量

注：固化桶填充率为92.5%

3水泥灰浆及固化体性能测试

3.1水泥灰浆流动度测定

在第一次400L容器注入灰浆的同时，对灰浆进行取样，测定灰浆流动度。

表3 水泥灰浆流动性测定

结果分析：

（1）四种不同料灰比的试验结果显示，随着料灰比的增加，灰浆的流动度增加；

（2）四种不同料灰比制备的水泥灰浆，流动度满足要求。

3.2 灰浆凝结时间测定

在第一次搅拌完成并注入400L钢桶的同时，对灰浆进行取样，测定初、终凝时间

表4 灰浆凝结时间测定

结果分析：

（1）从测试结果可以看出，每个配方的灰浆初、终凝时间均达到了预期的技术指标，满足工艺要求。

3.3 灰浆泌水观察

将固化桶送至固化桶暂存库进行密封养护，每隔一段时间观察一次固化体表面泌水消失情况，记录泌水完全消失时间。

表5 泌水消失时间

结果分析

（1）四种不同料灰比水泥灰浆泌水消失时间满足工艺运行要求。

3.4 游离液体观测

经过试验观测，四种不同料灰比固化体在养护7天后，固化体表面和底部未见游离液体，均符合要求。

3.5 固化体均匀性观测

在按照既定方案水泥固化体在暂存款养护28天后，对固化体进行剖切后，对固化体切面进行观察，固化体均无龟裂纹，固化体密实均匀，无较明显气孔，且两次搅拌下料接缝处无明显痕迹，固化体整体成形好，满足工艺运行要求。

3.6固化体试块抗压强度测量

水泥固化体经28天养护，进行钻芯取样，测试抗压强度。

表6 固化体钻取样抗压强度试验

结果分析：

（1）对养护28天后的400L固化体进行剖切后，料灰比0.65固化体取样试块抗压强度不达标。

3.7抗冲击性能测定情况

水泥固化体经28天养护，进行钻芯取样，测试抗压强度。

表7 固化体试块抗冲击试验测定表

结果分析：

（1）除料灰比为0.65的固化体抗冲击性能未满足要求，其余均满足要求。

3.8 抗冻融性能测定

水泥固化体经28天养护，进行钻芯取样，进行抗冻融试验。

表8 固化体试块抗冻融试验数据

（1）料灰比为0.65的固化体抗压强度不满足标准要求。

3.9 抗浸泡性能测定

水泥固化体经28天养护，进行钻芯取样，进行抗浸泡试验。

表9 固化体样品抗浸泡性能试验数据

结果分析：

（1）料灰比为0.65的固化体取样测量抗压强度不符合标准要求，其余配方抗浸泡性能均满足要求。

3.10 抗浸出性（Na+）测定

水泥固化体经28天养护，进行钻芯取样，进行Na+的浸出率试验。

表10 模拟料液Na+的浸出率数据

结果分析：

（1）模拟料液固化体Na+浓度的变化趋势基本相同，在前7天会急速下降，到第28天时，会有较小的增加，到42天又会减小。浸出相同天数，随着料灰比的增加Na+浓度有轻微增大，料灰比的增加会增加离子浸出。料灰比相同的固化体在固化体内不同部位Na+的浓度基本相同。

4.结论

（1）基于验证结果及分析推荐配方如下：为满足400L桶外搅拌水泥固化生产线的工艺要求，同时满足固化体性能指标，水泥固化配方料灰比为0.50至0.60。

（2）考虑到400L桶外搅拌水泥固化线工艺中，需在每次搅拌下料完毕后对灰浆卸料口进行冲洗，以及每完成2次搅拌需对搅拌器进行冲洗，其冲洗水量存在一定波动。同时为满足在同样填充率的情况下，实现单桶处理废物量的最大化，推荐料灰比为0.55。

参考文献

[1]《低、中水平放射性废物固化体性能要求－水泥固化体》，GB 14569.1-2011

[2]李洪辉，杨卫兵，冯文东等，模拟浓缩水泥固化体配方研制及性能检测[J].水泥，2015,5（11）