CN109796143A

CN109796143A - 一种耐高温防辐射型含硼磷铝酸锶钙水泥熟料

Info

Publication number: CN109796143A
Application number: CN201910026830.4A
Authority: CN
Inventors: 王守德; 毕海峰; 李树森; 黄永波; 芦令超; 程新
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2019-01-11
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2019-05-24
Anticipated expiration: 2039-01-11
Also published as: CN109796143B

Abstract

本发明公开了一种耐高温防辐射型含硼磷铝酸锶钙水泥熟料，该水泥熟料矿相组成为：磷铝酸锶钙32～55％，铝酸锶钙20～30％，铝酸钙15～20％，铁酸二钙5～15％和硼酸钙5～8％；相应的氧化物组成如下：SrO 10～25％，Al2O3 30～41％，CaO 20～38％，P2O5 5～8％，Fe2O3 4～13％，B2O3 3～8％。熟料煅烧温度为1390～1450℃。本发明的防辐射型磷铝酸锶钙水泥熟料不仅可以屏蔽防护核电工程中产生的α、β、γ、X射线，而且也可吸收防护核电辐射中的中子辐射，具有优良的防辐射性能。同时利用了锶渣等工业废料，达到了固废利用和保护环境的目的。

Description

一种耐高温防辐射型含硼磷铝酸锶钙水泥熟料

技术领域

本发明涉及一种可耐高温的防辐射型含硼磷铝酸锶钙水泥熟料，属于特种水泥领域。

背景技术

众所周知，能源直接制约经济的发展。随着现代科学技术的发展，核技术也得到飞速发展，被广泛应用于军事、医学、日常生活及其他各个领域；当今世界能源已进入核能时代。核能不但是一种技术上最成熟、安全、经济和清洁的新能源，而且是一种最有潜力和发展前途的新能源。在当今世界能源日益紧缺的形势下，尽管发生过核电站事故，但是世界各国仍坚持认为，开发利用核能是解决能源紧缺问题的必由之路，对于经济发展和社会进步具有重要的战略意义。因此，世界核电站建设仍然在持续、稳定地向前发展。现今制约核电发展的仍然是核安全问题。鉴于核辐射对环境和人类健康造成了极大的威胁，对环境造成长久破坏，由此核技术的安全性一直是困扰其进一步发展的关键因素。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，水泥混凝土结构的温度可达到100℃左右，但即使是100℃的温度对混凝土结构来说也是一个很大的考验，会缩短混凝土结构的服役寿命。因此，通过制备一种耐高温防辐射水泥熟料，进而制备出耐高温混凝土是提高材料防辐射性能的一种有效方式。

现主要应用的核电水泥大多自身不具备屏蔽射线的能力，仅需具备低水化热、高早强、低碱、抗硫酸盐侵蚀和干缩性小等性能。核辐射主要包括α射线，β射线，γ射线和中子射线等，其中α射线和β射线由于其穿透性差，无需特殊处理。在防辐射水泥的研究利用领域，目前的研究和应用主要分为三类：钡水泥，锶水泥和含硼水泥，这三种水泥对其余射线均有不同的吸收能力。然而关于能同时具备多种射线吸收处理能力的水泥的相关研究少有报导。这是由于制备多元防辐射型水泥是一个复杂的课题，水泥凝结时间、稳定性差等诸多问题都会影响水泥的正常使用。

从废物利用方面上来说，现今每年产生的锶渣近250万吨，整个西部地区年产锶渣近500万吨。另据不完全统计，目前累计遗弃于渣场的锶渣数量已达4000多万吨。这些锶渣长时间弃置于渣场，得不到合理利用，既占用大量的土地，又容易在自然风雨作用下，融入溪水、河流中，污染环境。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种耐高温防辐射型含硼磷铝酸锶钙水泥熟料，不仅密实度高，耐高温性能优秀，还同时具有多元屏蔽辐射的能力。

本发明采用以下技术方案：

一种耐高温防辐射型含硼磷铝酸锶钙水泥熟料，所述水泥熟料的矿相质量百分比组成为：磷铝酸锶钙32～55％、铝酸锶钙20～30％、铝酸钙15～20％、铁酸二钙5～15％、硼酸钙5～8％。

所述水泥熟料是由水泥生料经1390～1450℃煅烧2h制备而成，水泥生料的工业原料质量百分比组成为：天青石20～38％、氧化硼(工业级)1～6％、铝矾土10～35％、石灰石8～40％、磷灰石5～28％、富铁钢渣2～15％。

所述水泥生料的氧化物质量百分比组成为：SrO 10～25％、Al₂O₃ 30～41％、CaO20～38％、P₂O₅ 5～8％、Fe₂O₃ 4～13％、B₂O₃ 3～8％。

所述磷铝酸锶钙矿相化学分子式为C_8-xSr_xA₆P，其中2<x<2.4。

通过上述方法所制备出的含硼磷铝酸锶钙水泥熟料，因水泥熟料自身的性质可以在1470℃的温度下仍具有一定的强度，且磷铝酸盐水泥熟料的水化产物结构较普通硅酸盐水泥熟料的来说相对致密，对造成核辐射的射线有一定的遮挡作用。本发明的含硼磷铝酸锶钙水泥熟料尽管矿物组成方面与其他磷铝酸盐水泥(例如含钡磷铝酸盐水泥)略有相似，但因为注重性能的不同，其组成也是不一样的。硼，锶元素是具有防辐射性能的，因此将硼锶引入磷铝酸盐水泥中可以增强水泥熟料的防辐射性能，且能在一定程度上提高水泥的力学性能。但随着这两种元素掺量的超出某个范围，其力学性能停止增长并开始下降。因此本发明是在满足核电水泥力学性能的情况下尽可能的提高硼和锶的掺量，以增加其防辐射性能。

本发明的有益效果是：本发明因掺入了硼、锶等元素以及水泥熟料自身含有的大量轻元素和相当量的结合水(例如磷铝酸(锶)钙的水化产物2CaO·Al₂O₃·8H₂O中含有8个结晶水)，所以本发明对α、β、γ、X射线和中子射线都有很强的吸收屏蔽作用，能够替代核电工程中的部分钢板和铅板。此外，熟料中Fe元素的含量很高，尽管其防辐射性能不是很强，但其含量的增加是熟料的导热性能增强，避免处理核废料时出现热量聚集现象。并且，相比与其他系列水泥，磷铝酸盐水泥熟料密度大，可以有效的减少加入重骨料后产生的离析现象，尤适用于核电防辐射工程。总体来说，这是一种适用于高温环境可屏蔽核辐射的优良水泥熟料。

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

首先，按不同的氧化物配比配制出原料，经破碎粉磨后将所得细粉混合均匀，最后在不同温度下(煅烧温度1-4组依次为1200℃，1390℃，1420℃，1450℃)煅烧并保温2h，即可得到4组不同的含硼磷铝酸锶钙水泥熟料。各组所需的试样原料的氧化物配比如表1所示：

表1原料组成(以氧化物的质量进行配比设计)

将所得熟料按统一标准，制备成水泥试块，按照《GB-T31545-2015核电工程用硅酸盐水泥中的标准》的规定，对其各个性能进行检测，将所得结果与国标对比，最终测试结果如表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性能测试结果

表3性能测试结果

表4性能测试结果

由表2-3的测试结果可以看出第1组数据有些异常，经检验此温度下煅烧所得的水泥熟料主要矿物是铝酸钙，并不属于磷铝酸盐水泥。其早期强度很高，耐热性能优良，但水化热很高，且后期会发生体积倒缩现象，不适应核电工程的应用。因此，为得到含硼磷铝酸锶钙水泥熟料，应选择合适的温度范围，最佳煅烧温度为1390～1450℃。由上述数据可以看出2,3,4组水泥熟料的密度，比表面积，干缩率等性能均符合标准。3d，7d，28d的抗压强度大体分别为40，60,70三个梯度内，也远高于国标水平；水化热方面各种均不高于国家标准；其高温抗压强度明显可以看出该水泥耐高温性能的良好。且试样并非最佳实例，不足以显现出这种水泥的最佳性能。并且表4中可以看出样品的铅当量远高于普通水泥，具有优良的防辐射性能。总之，本发明的含硼磷铝酸锶钙水泥熟料是一种优良的耐高温防辐射材料。

Claims

1.一种耐高温防辐射型含硼磷铝酸锶钙水泥熟料，其特征在于，所述水泥熟料的矿相质量百分比组成为：磷铝酸锶钙32～55％、铝酸锶钙20～30％、铝酸钙15～20％、铁酸二钙5～15％、硼酸钙5～8％。

2.根据权利要求1所述的耐高温防辐射型含硼磷铝酸锶钙水泥熟料，其特征在于，所述水泥熟料是由水泥生料经1390～1450℃煅烧2h制备而成，水泥生料的工业原料质量百分比组成为：天青石20～38％、氧化硼1～6％、铝矾土10～35％、石灰石8～40％、磷灰石5～28％、富铁钢渣2～15％。

3.根据权利要求1所述的耐高温防辐射型含硼磷铝酸锶钙水泥熟料，其特征在于，所述水泥生料的氧化物质量百分比组成为：SrO 10～25％、Al₂O₃ 30～41％、CaO 20～38％、P₂O₅5～8％、Fe₂O₃ 4～13％、B₂O₃ 3～8％。

4.根据权利要求1所述的耐高温防辐射型含硼磷铝酸锶钙水泥熟料，其特征在于，所述磷铝酸锶钙矿相化学分子式为C_8-xSr_xA₆P，其中2<x<2.4。