CN109650756B - 一种耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可长期耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料，该五元体系磷铝酸盐水泥熟料矿相质量百分比组成为：磷铝酸钡钙40～70％，铝酸钡钙10～25％，铁酸二钙5～11％，铝酸钙5～15％，硼酸钙3～8％。本发明的耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料富含硼元素和钡元素，不仅能有效屏蔽防护核电反应堆释放出的α、β、γ、X射线，而且也可吸收防护中子辐射，是一种适用于高温环境核电工程的优秀材料，并且可用于固化核电工程产生的放射性固体废物。

Description

一种耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料

技术领域

本发明属于特种水泥材料领域，特别是涉及了一种耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料。

背景技术

随着人类经济社会的快速发展，能源的需求和利用成为了一个极为重要的问题。世界各国承受着资源、能源、环境与发展的多重压力，我国作为最大的发展中国家能源压力也极为巨大。以风能、太阳能、水能、生物能等为代表的新型能源存在着区域差异大、能量密度低、发电稳定差导致电能的质量较差等问题。与上述新型能源相比，核能有洁净、低碳、高能量密度、持久、稳定等明显优势，具有巨大的开发价值和良好的发展潜力。核技术的发展不仅能够缓解资源、能源及经济的困境，而且有利于提高我国的国际地位和话语权。

核技术目前已在如核电、军事、教育、科研、医疗等众多领域得到了广泛的应用，然而其安全性一直是最受关注的问题。核安全问题主要包括核泄漏与核辐射。核辐射会对人类身体健康和自然生态环境造成很大的潜在威胁，而核泄漏会造成自然环境的长久破坏，很难修复，如何高效安全地处理其生产、使用过程中所产生的核辐射、核废物，是核科学技术进一步发展的重点与难点，也是核技术得到广泛应用的先决条件之一。

现今核电防护多使用多层结构，在水泥混凝土结构之前还有钢板、铅板等防护手段，在辐射到达水泥混凝土结构之前热量已散失了很多，基本水泥结构的温度在100℃左右，但是这对水泥结构来说仍然是极为不利的。核电工程小型化是核电发展的未来趋势，然而目前核电工程的反应堆最外层安全壳采用防辐射混凝土结构，主要采用硅酸盐水泥为基材，混凝土结构直径可达40m，高60-70m，壁厚近1m，如何在保证安全的前提下降低安全壳的厚度是核电工程小型化的一个重要难题。另外，核电工程所产生的大量放射性固体废物，比如，废树脂、废过滤芯、放射性淤积物、辐射防护用品以及建筑垃圾等，都会对周围环境造成危害。目前对放射性固体废物的处理一般采用水泥混凝土固化等方法，但一般采用硅酸盐水泥为固化基材，不具备防辐射的能力。目前，常用的防辐射水泥主要是钡水泥、锶水泥和含硼水泥。对于利用磷铝酸盐水泥用于核电工程防辐射的水泥还未见相关报道。

发明内容

本发明的提供的是一种耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料，是一种优秀的环保功能材料。它不仅可以有效屏蔽防护核电反应堆释放出的α、β、γ、X射线，而且也可吸收防护中子辐射，并且可以解决钡渣的污染问题。另外，本发明还可用于固化核电工程所产生的放射性固体废物，比如，废树脂、废滤芯、放射性淤积物、放射性焚烧灰以及放射性建筑垃圾等。

本发明采用以下技术方案：

一种耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料，其矿物质量百分比组成为：磷铝酸钡钙40～75％，铝酸钡钙10～25％，铁酸二钙5～15％，铝酸钙5～15％，硼酸钙3～8％。

进一步的，所述水泥熟料的生料氧化物质量百分比组成为：BaO 25～35％、B₂O₃ 1～4％、Al₂O₃ 20～35％、CaO 20～45％、P₂O₅ 5～18％、Fe₂O₃ 4～15％。

进一步的，所述生料的工业原材料质量百分比组成为：钡渣20～40％、氧化硼1～6％、铝矾土15～30％、石灰石20～40％、磷灰石10～28％、富铁钢渣2～15％。

所述水泥熟料中主要矿相磷铝酸钡钙的化学式为(8-x)CaO·xBaO·6Al₂O₃·P₂O₅，其中，x＝0.80～1.65。

本发明所述水泥熟料是由生料经高温煅烧而成，煅烧温度为1350～1500℃，保温时间2h。

本发明所需的原料除了一些基本的磷铝酸盐水泥原料之外，还需大量的含钡原料。在碳酸钡工业生产过程中产生的含钡废渣(简称钡渣)长期堆积，不仅占用大量土地,而且给环境带来污染,在气温高时,将发生自燃反应,放出有毒气体，经雨水渗透,流出大量含硫化物的黄色废水,它可以转入地表水及地下水，产生毒害作用,并逸出硫化氢气体，废渣中的硫化钡和酸溶钡还对土壤直接产生毒害作用。本发明一方面使得钡原料在来源价格等方面经济实用，能够大规模的应用；另一方面也可以解决资源浪费和环境保护的问题。同时，本发明具有较好的防辐射性能，可以有效减少吸收核电工程产生的α、β、X、γ射线辐射，而且可以吸收防护中子辐射，降低核电防护墙体的厚度。另外，本发明还可以用于固化核电工程产生的放射性固体废物，提高放射性固体废物的包容量，而且可以有效的屏蔽放射性废物所带来的对环境有害的射线。

本发明的优点是：本发明的耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料，因水泥自身的性质可以在1500℃的温度下仍具有一定的强度，且较普通硅酸盐水泥来说该耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料的水化产物结构相对致密，主要水化产物中含有大量的结合水(例如磷铝酸(钡)钙的水化产物2CaO·Al₂O₃·8H₂O中含有8个结晶水)，再加上本发明在磷铝酸盐水泥中掺入了硼、钡等元素，所以对α、β、γ、X射线和中子射线都有很强的吸收屏蔽作用，是一种适用于高温环境可屏蔽核辐射的水泥材料。另外，而且本发明含有较多铁元素，在固化放射性固体废物时具有良好的吸收辐射的作用，是一种良好的放射性废物固化水泥材。除此之外，相较于其它系列水泥，本发明的耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料密度大，可有效减少加入重晶石骨料产生的离析等现象，特别适合大体积的核电工程。因而，本发明的一种耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料是一种经济适用的优良且环境友好型的可用于核电工程的水泥材料。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

实施例

本发明按照氧化物的质量百分比组成设计3个具体的实施例，并对制成的产品进行相应的性能测试。具体配料比如下表1所示。

表1不同氧化物配比组成

将上述氧化物组成的生料原料置于1450℃条件下煅烧，保温2h后即得相应的熟料。将所得熟料进行相应的性能测试，具体测试结果如表2-3所示(其中高温抗压强度是在1500℃下保温6h后测得的抗压强度，表中未列出的其它性能参数符合GB/T31545-2015核电工程用硅酸盐水泥中的标准)。

表2

表3

通过上述测试可以看出本发明的耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料的比表面积、干缩率、3d、7d以及28d抗压强度都满足GB/T31545-2015核电工程用硅酸盐水泥的标准。而且在高温(1500℃)下的抗压强度依然满足GB/T31545-2015的要求，密度大，耐久性好，是一种耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料，可以适用于高温环境下核设施的防护以及核废料的固化。同时本发明在磷铝酸盐水泥中掺入了硼、钡等元素，所以对α、β、γ、X射线和中子射线都有很强的吸收屏蔽作用，是一种适用于高温环境可屏蔽核辐射的水泥材料。

Claims (4)

1.一种耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料，其特征在于，所述耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料矿物质量百分比组成为：磷铝酸钡钙40～75％，铝酸钡钙10～25％，铁酸二钙5～15％，铝酸钙5～15％，硼酸钙3～8％；

所述水泥熟料中主要矿相磷铝酸钡钙的化学式为(8-x)CaO·xBaO·6Al₂O₃·P₂O₅，其中，x＝0.80～1.65。

2.根据权利要求1所述的耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料，其特征在于，所述水泥熟料的生料氧化物质量百分比组成为：BaO 25～35％、B₂O₃ 1～4％、Al₂O₃ 20～35％、CaO 20～45％、P₂O₅ 5～18％、Fe₂O₃ 4～15％。

3.根据权利要求2所述的耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料，其特征在于，所述生料的工业原材料质量百分比组成为：钡渣20～40％、氧化硼1～6％、铝矾土15～30％、石灰石20～40％、磷灰石10～28％、富铁钢渣2～15％。

4.根据权利要求1所述的耐高温防辐射型五元体系磷铝酸盐水泥熟料，其特征在于，所述水泥熟料是由生料经高温煅烧而成，煅烧温度为1350～1500℃，保温时间2h。