趙大鵬，鄭佐西，朱欣研，張 怡，馬梅花

中國原子能科學研究院 放射化學研究所，北京 102413

在核工業(yè)的生產(chǎn)和研究以及核設施退役過程中，會產(chǎn)生大量放射性固體廢物，在這些放射性固體廢物中，中、低放射性固體廢物是主體，約占總體積的90%[1]。根據(jù)廢物最小化管理原則，對于可壓縮的中、低放固體廢物，采取預壓縮、超級壓縮來大幅度減小廢物體積，形成超級壓縮餅，再對超級壓縮餅進行裝箱、水泥澆筑固定的方式處理，形成整備的廢物體，并且使得該類型廢物體的整體性和整體強度等參數(shù)滿足安全運輸、儲存和處置的要求[2-4]。

為保證該種廢物體得以安全運輸、儲存和處置，根據(jù)核行業(yè)標準EJ1186-2005[5]中對于廢物體的要求：對低、中放廢物，通常采用水泥砂漿或細石混凝土作固定介質，其性能應滿足以下要求：水泥砂漿28 d抗壓強度不小于60 MPa，流動度不小于310 mm，抗?jié)B性能28 d Cl-滲透電量不大于2 500 C。

較82.5#高強硫鋁酸鹽水泥而言，42.5#普通硅酸鹽水泥具有以下特點：價格便宜，每噸售價在500元左右，僅為82.5#高強硫鋁酸鹽水泥價格的1/3，其貨源廣泛，使用較為廣泛，大多數(shù)水泥廠家均有生產(chǎn)，82.5#高強硫鋁酸鹽水泥生產(chǎn)廠家少，存在受生產(chǎn)企業(yè)制約的情況；性能穩(wěn)定，無早強性能，釋熱較為平緩，不易開裂[6]。本工作擬選擇42.5#普通硅酸鹽水泥、石英砂和摻合料作為固定基材，研究水灰比、灰砂比、砂子級配以及添加料、添加劑加入量等因素對水泥砂漿性能的影響，研究各個因素對水泥砂漿流動度、28 d抗壓強度、28 d抗Cl-滲透性能影響規(guī)律，以最終篩選出滿足標準要求的水泥砂漿固定配方。

1 實驗部分

1.1 材料和儀器

42.5#普通硅酸鹽水泥，北京金隅北水環(huán)?？萍加邢薰荆蝗斯な⑸?，其中：細砂粒徑為0.5～1.0 mm，中砂粒徑為1.0～2.0 mm，粗砂粒徑為2.0～3.0 mm，北京三八石英廠；減水劑，西卡河北建筑材料有限公司；粉煤灰與硅灰，市售。

SW-6D混凝土電通量測定儀，北京盛世偉業(yè)有限公司；NLB-3水泥膠砂流動度測定儀，天津建科實驗儀器廠；ZS-15型水泥膠砂振實臺，北京中科路達實驗儀器有限公司；JJ-5 水泥膠砂攪拌機、HBY-40A型水泥混凝土恒溫恒濕標準養(yǎng)護箱、MYL-300A型壓力試驗機，無錫建儀儀器機械有限公司。

1.2 實驗流程及檢測方法

水泥砂漿性能測試實驗流程圖示于圖1。

圖1 水泥砂漿性能測試實驗流程圖Fig.1 Flow chart of cement mortar performance test

1.2.1流動度的測量 按所選配方加入水泥，然后加水并記錄加水時間。安置到水泥膠砂攪拌機上攪拌，先低速攪拌60 s，至30 s時均勻加入砂子，再高速攪拌30 s，關閉攪拌機90 s，關閉時在15 s內(nèi)將葉片和鍋壁上的水泥砂漿刮入鍋中間，最后高速攪拌60 s。各個攪拌階段，時間誤差應在±1 s以內(nèi)。按照國家標準[7]來測量流動度，首先將水泥膠砂流動度測定儀(跳桌)調(diào)水平后，攪拌好的水泥漿分兩次迅速裝入流動度測定用試模。第一次裝至截錐圓模高度約2/3處，用小刀在相互垂直兩個方向各劃5次，用搗棒由邊緣至中心均勻搗壓15次；第二次裝至高出截錐圓模約20 mm，用小刀在相互垂直兩個方向各劃5次，再用搗棒由邊緣至中心均勻搗壓10次。取下模套，用小刀從中間向邊緣分兩次刮去高出截錐圓模的膠砂，并擦凈跳桌桌面。垂直提起截錐圓模，開動跳桌，每秒1次，跳動25次。用卡尺測量水泥砂漿通過圓心三個方向的直徑，記錄。

1.2.2抗壓強度的測量 按照國家標準[8]來測量抗壓強度。將攪拌好的水泥漿注入40 mm×40 mm×160 mm抗壓強度測定用模具，在振實臺上成形，在20 ℃±1 ℃養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護20～24 h，濕度大于90%，脫膜，在20 ℃±1 ℃水中養(yǎng)護28 d。利用抗壓強度實驗機測量水泥固定體抗壓強度，棱柱體中心與壓力機受壓中心差應在±0.5 mm內(nèi)，棱柱體露在壓板外的部分約有10 mm，在整個加荷過程中以(2 400±200) N/s的速率均勻地加荷直至破壞，記錄最大荷載。強度計算公式如式(1)。

(1)

式中：RC，抗壓強度，MPa；FC，破壞時的最大荷載，N；S，受壓部分面積，mm2。由上述實驗方法，每個配方有六個平行測量值，如果六個測量值中有一個超過六個平均值的±10%，就應剔除這個結果，而以剩下五個的平均數(shù)為結果。如果五個測定值中再有超過它們平均數(shù)±10%的，則此組結果作廢。

1.2.3抗Cl-滲透性的測量 按照文獻[9]附錄3中的方法來測量抗Cl-滲透性。

(1) Cl-滲透電量的測量，將攪拌好的水泥漿注入φ95 mm×51 mm Cl-抗?jié)B性測定用模具，在振實臺上成形，在20 ℃±1 ℃養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護20～24 h，濕度大于90%，脫膜，在20 ℃±1 ℃養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d。將水泥固定體試樣在空氣中放置1 h風干，用石蠟密封試樣側表面，放入真空飽水實驗箱，經(jīng)過真空飽水22 h后取出試樣，擦凈，在室溫，放入SW-6D混凝土電通量測定儀的外加電壓池內(nèi)，正極注入NaOH(0.3 mol/L)，負極注入NaCl(w=3%)，接通電路，電壓為60 V±0.1 V，開啟測試，6 h打印測量結果。測試期間或之后用自動數(shù)據(jù)處理設備進行積分求和并顯示庫侖值。通過的總電量是測試期間混凝土電導的電量。

(2) 試樣計算，如果每隔30 min記錄一次電流，那么根據(jù)梯形法則，可通過公式(2)進行求和。

Q=900(I0+2I30+2I60+……+

2I300+2I330+2I360)

(2)

式中：Q，通過的電量(即Cl-滲透電量)，C；I0，通過電壓以后的瞬間電流，A；I30，加電壓30 min以后的電流，A，以此類推。如果試樣的直徑不是95 mm，式(2)中建立的總電量值須調(diào)整，用式(3)計算。

QS=Qx×(95/x)2

(3)

式中：QS，通過直徑為95 mm試樣的電量，C；Qx，通過直徑為x的試樣的電量，C；x，非標準試樣的直徑，mm。

2 結果與討論

水泥砂漿配方研究的參數(shù)選擇如下：水灰比(加入水和膠結材料的質量比)為0.35～0.50，灰砂比(加入膠結材料和石英砂的質量比)為1∶1.4～1∶2.0。膠結材料包括水泥、粉煤灰和硅灰。

2.1 基礎配方研究

基礎配方研究，只利用水泥、石英砂作為主要原材料，經(jīng)實驗，減水劑加入質量(w(減水劑))為膠結材料質量的5‰左右，可保證流動度適中且水泥砂漿不分層。減水劑種類繁多，效果、濃度、副反應均不相同，本工作選用羧酸類減水劑，若采用其他類型減水劑，不適合此添加比例，需單獨實驗。

2.1.1流動度研究

1) 水灰比和灰砂比對砂漿流動度的影響

不同水灰比、灰砂比下的砂漿流動度列入表1。由表1可知：水灰比越大(即水越多)，流動度越大，但水灰比不宜過大，以適中為宜；水灰比為0.50時流動度過大，有灰、砂分層現(xiàn)象，樣品上層為水層，砂子大量沉于底部，砂子分布不均勻，造成的后果為水泥固定體成型后，上層強度較低，性狀不良；水灰比為0.35時流動度勉強達標，但砂漿粘度較大，呈粥狀，樣品倒出時存在掛壁現(xiàn)象，在不攪拌的情況下，3～5 min內(nèi)有板結形成，在實際生產(chǎn)過程中，需要為操作人員留出足夠時間將水泥砂漿傾倒于包裝容器，要求砂漿至少保持流動性15 min以上，因此水灰比為0.35過低，不適合生產(chǎn)；水灰比為0.40～0.45較為合適，在灰砂比為1∶1.6～1∶1.8時，水泥砂漿整體流動性較好，流動度不小于310 mm，且不存在灰、砂分層，砂子較為均勻，傾倒時無明顯掛壁感，試樣可保持半小時以上的流動性，滿足實際生產(chǎn)要求。水灰比不變的前提下，灰砂比越小(即砂量越大)，水泥砂漿流動度越低，其原因為砂子為硬質固體，阻礙水泥灰與水的流動，在攪拌均勻的前提下，大量砂子的存在增大了水泥砂漿粘稠度，不利于流動，灰砂比為1∶2.0時，水泥砂漿流動度較差，傾倒時掛壁嚴重，灰砂比為1∶1.6～1∶1.8時，流動度較為良好。綜上所述，水灰比為0.40～0.45、灰砂比為1∶1.6～1∶1.8，水泥砂漿流動度較好。

表1 水灰比和灰砂比對水泥砂漿流動度的影響Table 1 Influence of water cement ratio and cement sand ratio on fluidity of cement mortar

2) 砂子級配對流動度的影響

中砂、粗砂起骨架作用，是提升抗壓強度的重要組成，細砂的作用體現(xiàn)為保證水泥砂漿整體的均勻性，但細砂量不宜過大。砂子級配對水泥砂漿流動度的影響列入表2。由表2可知，單獨加入細砂時水泥砂漿流動度很低，在攪拌實驗中可明顯看出砂漿呈粘稠狀，其原因為細砂比表面積大，外表面附著較多水泥砂漿，阻礙了水泥砂漿整體流動。單獨加入中砂或粗砂時，盡管總比表面積小于單獨加入細砂的情況，但水泥砂漿流動度依然不理想，其原因為單獨加入一種砂子無填充效應，且沒有細砂的加入使得砂漿均勻性降低?；旌蟽煞N或三種砂子級配加入時，水泥砂漿流動度均大為改觀，三種砂同時加入時，水泥砂漿流動性好且不易分層，主要原因為不同粒徑的砂子的填充效應，細砂和中、粗砂攪拌在一起，細砂填充在中砂夾縫，中砂、細砂填充在粗砂夾縫，既保證了砂漿均勻性，又縮小了砂?？偙缺砻娣e，削弱了細砂對水泥砂漿流動度的阻礙效應。

表2 砂子級配對水泥砂漿流動度的影響Table 2 Influence of sand gradation on fluidity of cement mortar

注：水灰比為0.40，灰砂比為1∶1.6

2.1.2抗壓強度研究

1) 水灰比和灰砂比對抗壓強度的影響

在足夠流動度的前提下，選取不同水灰比、灰砂比做抗壓強度實驗，結果列入表3。由表3可知：水量越大、砂量越小，抗壓強度越低，反之水量越小、砂量越大，抗壓強度越高。選取的幾種配方組分中，抗壓強度均大于核行業(yè)標準[5]要求的60 MPa。因此水灰比為0.40～0.45、灰砂比為1∶1.6～1∶1.8時，無論從流動度或是抗壓強度角度看，均滿足要求。值得關注的是，在不引入摻合料的情況下，水灰比為0.45的水泥砂漿抗壓強度介于61.1～66.8 MPa，考慮到實際生產(chǎn)過程中，抗壓強度需要有足夠裕量，以保證每一個廢物包均為合格產(chǎn)品，因此水灰比為0.45的水泥砂漿雖然在實驗室階段參數(shù)合格，但未必適合實際生產(chǎn)，此情況通過后續(xù)加入摻合料的實驗將得到解決。

表3 水灰比和灰砂比對水泥砂漿抗壓強度的影響Table 3 Influence of water cement ratio and cement sand ratio on compressive strength of cement mortar

2) 砂子級配對抗壓強度的影響

選擇水灰比為0.40、灰砂比為1∶1.6、減水劑加入量為5‰作為基礎配方研究砂子級配對抗壓強度的影響，結果列入表4。由表4可知，3種級配配方的抗壓強度均大于60 MPa，且粗砂的加入量越大，抗壓強度越高，中砂次之，細砂對抗壓強度貢獻較?。淮伺浞街?，均未發(fā)現(xiàn)灰砂分層現(xiàn)象，水泥砂漿均勻性均良好，隨著整體砂子粒徑的減小，粘稠度有所增大，但均不影響傾倒和保持均勻性，在無其他副作用的前提下，優(yōu)選抗壓強度高的砂子級配，因此編號4-1配方的高抗壓強度對于水泥砂漿整體性能提升最大。

好萊塢槍戰(zhàn)片中，鏡頭：攻堅克難時，通常由A隊（Alfa阿爾法隊）擔當主攻，由B隊（Bravo勇敢者隊）協(xié)助、掩護進攻，或PLAN B方案。最終目的是解決問題。圖書館學研究作為社會科學的一支，既要關注行業(yè)問題，深入開展內(nèi)涵式研究（A面研究）；也要關注社會問題，以圖書館學的學科理論與方法，共同參與、解決日益復雜的社會現(xiàn)實問題，彰顯學科影響力（B面研究）。兩者相輔相成，缺一不可；在以問題為導向的現(xiàn)代社會科學研究范式中，直面學科發(fā)展與突破，B面研究將更為重要。當然，我們也要始終牢記圖書館學學科獨有的理論與方法。

表4 砂子級配對抗壓強度的影響Table 4 Influence of sand gradation on compressive strength of cement mortar

注：水灰比為0.40，灰砂比為1∶1.6

2.1.3抗Cl-滲透性(抗?jié)B性)研究 根據(jù)水灰比、灰砂比、砂子級配與流動度和抗壓強度關系的研究，選取了4個配方即S-1—S-4作為基礎配方(表5)，進行抗?jié)B性驗證。對4個基礎配方進行抗Cl-滲透性實驗，結果示于圖2。由圖2可見：Cl-滲透電量不符合EJ1186-2005[5]中不大于2 500 C的要求，改變水灰比等參數(shù)進行復驗，均不達標，因此僅通過調(diào)整基礎配方各物料配比難以使得抗?jié)B性達標。針對Cl-滲透過大的問題，需要對基礎配方進行優(yōu)化研究，引入摻合料來改善抗?jié)B性。

表5 4個基礎配方組成Table 5 Four basic formula

圖2 4個基礎配方試塊的Cl-滲透電量Fig.2 Chloride ion migration of 4 basic formula test blocks

2.2 優(yōu)化配方研究

42.5#普通硅酸鹽水泥砂漿基礎配方的抗?jié)B性能不達標，這種現(xiàn)象的原因有許多種，主要歸結為如下幾點：

(1) 顆粒間隙的大小不同：在7/28 d齡期，普通硅酸鹽水泥砂漿的細孔孔隙孔半徑為0.01～0.07 μm，而硫鋁酸鹽水泥砂漿的細孔孔隙孔半徑為0.01～0.03 μm，而且硫鋁酸鹽水泥砂漿的細孔孔隙和總孔隙體積均小于普通硅酸鹽水泥砂漿；

普通硅酸鹽水泥砂漿抗Cl-滲透性能較差，因此需要對配方進行優(yōu)化，在不引入硫鋁酸鹽水泥的前提下，水化產(chǎn)物中鈣礬石數(shù)量無法改變，因此Cl-固化吸收率不會有太大提升。因此從顆粒間隙這一要素著手，采用摻入礦物質摻合料的方式，縮小水泥顆粒之間的空隙，選取粉煤灰、硅灰作為摻合料，采取內(nèi)摻的方式摻入水泥砂漿。

通過實驗驗證了粉煤灰、硅灰的摻入對抗?jié)B性能的影響，并且也再次驗證了優(yōu)化配方流動度、抗壓強度等參數(shù)。

2.2.1優(yōu)化配方的抗?jié)B性能研究

1) 摻入粉煤灰的優(yōu)化配方實驗

為了保證水泥砂漿的早期強度，粉煤灰的摻入量不宜過大(粉煤灰、硅灰摻入方式均為內(nèi)摻，即取代等質量的水泥)，因此本工作粉煤灰的取代質量比(w(粉煤灰)=m(粉煤灰)/m(膠結材料))上限設定為20%，選取基礎配方S-1和S-3樣品進行摻入優(yōu)化配方研究，結果列入表6。由表6可知，分別摻入10%、15%、20%的粉煤灰時，固定體流動度、28 d抗壓強度均有所提高，隨著粉煤灰取代水泥量的加大，砂漿的抗Cl-滲透性能逐步增加，但是依然不足以滿足核行業(yè)標準[5]中Cl-滲透電量小于2 500 C的要求。

表6 摻入粉煤灰的固定體性能實驗Table 6 Performance test of fixed body with fly ash

2) 摻入硅灰的優(yōu)化配方實驗

w(減水劑)=5‰圖3 硅灰取代質量比與流動度變化關系Fig.3 Relationship between silicafume content and fluidity

硅灰的摻入對水泥砂漿的流動度不利，硅灰的摻入量不宜過大，一般來講摻入質量在膠結材料質量的5%～10%(w(硅灰))為宜。在S-3配方基礎上，以5%～10%的硅灰質量取代等量水泥，研究摻入硅灰后的優(yōu)化配方的流動度，w(減水劑)=5‰，結果示于圖3。由圖3可知，摻入硅灰后流動度損失較大，僅摻入5%的硅灰使得砂漿的流動度降至300 mm，隨著硅灰取代質量比的增加，流動度損失很快，因此需要增加減水劑的加入量，來平衡硅灰?guī)淼牧鲃佣葥p失，w(減水劑)由原來的5‰逐步遞增至10‰，水泥砂漿的流動度示于圖4。由圖4可知，硅灰取代質量比為6%時，隨著減水劑加入量的增加，流動度得到了明顯改善，w(減水劑)達到10‰時，體系并未發(fā)現(xiàn)有明顯分層、泌水等不良反應。

硅灰取代質量比為6%圖4 流動度隨減水劑加入量的變化Fig.4 Change of fluidity with amount of water reducing agent

2.2.2優(yōu)化配方的綜合性能參數(shù) 通過以上研究，選取了4組優(yōu)化后較為理想的配方(M-1—M-4)列入表7。對這四組優(yōu)化配方進行流動度、抗壓強度、抗Cl-滲透性、初凝時間等一系列實驗，結果列入表8。由表8可知：(1) 摻入6%硅灰后的抗Cl-滲透能力大幅增強，無論是否摻入粉煤灰，Cl-滲透電量均滿足標準要求，繼續(xù)內(nèi)摻20%粉煤灰后，Cl-滲透電量有了進一步的降低，說明硅灰的單摻、硅灰+粉煤灰的復摻均大幅提高了水泥砂漿的抗Cl-滲透性；(2) M-1、M-2(水灰比為0.40)的流動度并非十分理想，M-3、M-4配方(水灰比為0.45)的流動度相對更優(yōu)良。

3 結 論

(1) 使用42.5#普通硅酸鹽水泥砂漿，在不加入摻合料的情況下，流動度及抗壓強度可滿足EJ1186-2005的要求，但抗Cl-滲透性不達標，且差距較大。

(2) 摻入6%硅灰可顯著提高水泥砂漿的抗?jié)B能力，可以使抗?jié)B能力滿足EJ1186-2005的要求，同時28 d抗壓強度也得到了明顯提升，粉煤灰、硅灰混摻可以更大幅度地提升抗?jié)B性能。

表7 4個優(yōu)化配方組成Table 7 Four optimized formulas

注：表7中所有組分均為質量比，膠結材料總量為1(下同)

表8 4個優(yōu)化配方的性能參數(shù)Table 8 Performance parameters of four optimized formulas

(3) 選擇優(yōu)化配方如下：水灰比為0.40～0.45、灰砂比為1.6～1.8、粉煤灰加入量為0～30%、硅灰取代質量比為6%、w(減水劑)=10‰。對于實際工業(yè)生產(chǎn)，推薦水灰比為0.45。