CN112299798A - 一种锶铁氧体基牺牲砂浆及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种锶铁氧体基牺牲砂浆及制备方法，该锶铁氧体基牺牲砂浆主要组成为：硫铝酸盐水泥720‑1000份、锶铁氧体100‑300份、石英砂600‑650份、水400‑450份、减水剂0.01‑35份。本发明生产工艺简单，由常规的强制式单卧轴混凝土搅拌机即可制备。本发明制备的锶铁氧体基牺牲砂浆具有优良的工作性能、较高的抗压强度、优良的耐熔蚀性，能够在目前第三代及未来第四代核电站堆芯捕集器中使用，具有较高的工程应用价值。

Description

一种锶铁氧体基牺牲砂浆及制备方法
技术领域
本发明涉及核电材料领域，特别涉及一种锶铁氧体基牺牲砂浆及该材料的制备方法。
背景技术
为了减轻和缓解核电站事故的严重后果，在第三代核电技术中，堆芯熔融物一般由堆芯捕集器收集、冷却和固化。在发生严重核电事故时，堆芯捕集器中牺牲材料与堆芯熔融物发生相互作用。堆芯熔融物的温度很高(3000℃-4000℃)，足以熔蚀与之接触的熔化温度仅为1100℃的水泥基牺牲材料。一旦堆芯捕集器的牺牲材料被消耗殆尽，温度极高的堆芯熔融物就会继续侵蚀安全壳的底板，如果安全壳的底板被熔穿，那么安全壳的完整性丧失，放射性物质就会泄漏，严重的核电事故因此发生。由此得出，减少核电站灾害性事故的关键是堆芯熔融物的冷却、固化技术。牺牲材料是堆芯捕集器的核心构成要素，也在堆芯熔融物的冷却和固化反应中起到了决定性作用。目前，国内外学者披露了一些与牺牲材料相关的制备技术，总体而言，目前制备出的牺牲材料无法很好地满足堆芯熔融物冷却和固化方面的需求。锶铁氧体作为一种磁性优良的永磁材料，其分解温度和堆芯熔融物与牺牲材料相互作用的活化温度在时间上的相似性，致使锶铁氧体在堆芯熔融物的冷却和固化中效果更佳。锶铁氧体基牺牲净浆是由水泥、水和锶铁氧体三者混合而成，其工作性能较好，但水泥用量较大，成本较高。与净浆相比，砂浆中掺入了细集料，可以减少水泥的用量，进而降低生产成本。再者，如果所采用的细集料为石英砂，那么一方面石英在高温作用下会发生晶型转换，可以吸收一定的热量，从而提高对堆芯熔融物的冷却效率；另一方面，石英在高温状态下呈玻璃态，可以包裹堆芯熔融物中的放射性物质，进而减少放射性物质泄漏的风险。然而，目前尚未看到用铁锶氧体制备牺牲砂浆的报道。
发明内容
发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锶铁氧体基牺牲砂浆及制备方法。
技术方案：为了实现上述目的，本发明公开一种锶铁氧体基牺牲砂浆及制备方法，该材料主要由以下重量份比例的原材料制备而成：
硫铝酸盐水泥720-1000份、锶铁氧体100-300份、石英砂600-650份、水400-4500份、减水剂0.01-35份。
所述的硫铝酸盐水泥为42.5级硫铝酸盐水泥，其中CaO含量大于40％，Al2O3含量大于20％。
所述的锶铁氧体呈粉末状，其中SrFe12O19含量大于等于95％。
所述的石英砂为高品质石英粉，它的SiO2含量大于等于99％，它的粒径分布为0.075mm-4.75mm。
所述的水为自来水或饮用水，符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)的要求。
所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂，外观呈无色至浅黄色，密度为1.05-1.15g/ml，固含量大于等于40％(质量含量)，含气量6％-8％(体积含量)，pH值为6-8，减水率大于等于33％。
所述的锶铁氧体基牺牲砂浆的制备方法，包括以下步骤：
(1)取42.5级硫铝酸盐水泥、锶铁氧体粉末、石英砂，混合干拌均匀得到混合材料M1；
(2)向上述均匀混合材料M1中加入水、减水剂二者的混合溶液，进行搅拌后得到均匀混合材料M2，即可得到所述的锶铁氧体基牺牲砂浆。
步骤(1)中，用于混合的各种原材料加入强制式单卧轴混凝土搅拌机，选择搅拌速度为40-50转/分钟，混合时间为200-240秒；
步骤(2)中，首先用1/2的水与全部的减水剂混合，搅拌均匀，然后将混合均匀的溶液加入到混合材料M1中，然后用剩余的水去清洗盛放减水剂的容器，清洗后再将水加入到混合材料M1中，混合时间为200-240秒。
与现有技术相比，本发明制备的锶铁氧体基牺牲砂浆的工作性能非常好，其扩展度大于245mm，达到了自密实流动性要求；它的抗压强度大于37MPa，比现有技术要求提高了23％以上；它的分解焓变比现有技术提高了15％以上，能够极大的降低牺牲材料的熔蚀速率，提高核电站的安全性。
技术效果：本发明制备工艺简单，锶铁氧体基牺牲砂浆由常规的强制式单卧轴混凝土搅拌机就能生产。本发明制备的锶铁氧体基牺牲砂浆工作性能优良，能明显提高工程施工效率；本发明制备的锶铁氧体基牺牲砂浆的抗压强度也得到了大幅度提升，能够提高其耐久性、延长其服役寿命；本发明制备的锶铁氧体基牺牲砂浆分解焓变显著提高，能够降低其熔蚀速率、增强其耐熔蚀性能，从而能够提高核电站的安全性。因此，本发明具有很高的工程应用价值。
具体实施方式
下面结合具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。此外，对比实施例的实验结果，强调本发明的优势。
以下实施例中所用原料均为以下要求：
水泥为42.5级硫铝酸盐水泥，其中CaO含量为42.6％，Al2O3含量为22.5％。
锶铁氧体粉末中SrFe12O19含量为96.3％。
石英砂为高品质石英粉，它的SiO2含量为99.3％，它的粒径分布为0.075mm-4.75mm。
水为自来水。
减水剂为聚羧酸高效减水剂，外观呈浅黄色，密度为1.10g/ml，固含量为41.2％(质量含量)，含气量7％(体积含量)，pH值为7.2，减水率为33.5％。
实施例1
一种锶铁氧体基牺牲砂浆，按重量份数计，包括以下组分：
硫铝酸盐水泥900份、锶铁氧体100份、石英砂600份、水400份、减水剂0.30份。
制备方法：
(1)称取所需的材料，包括硫铝酸盐水泥、锶铁氧体粉末、石英砂、自来水、减水剂；
(2)润湿搅拌机及所有需要使用的工具及模具；
(3)依次将称好的硫铝酸盐水泥、锶铁氧体粉末、石英砂加入到强制式单卧轴混凝土搅拌机，选择搅拌速度为45转/分钟，混合时间200秒，搅拌均匀得到混合材料M1；
(4)首先将1/2的水与全部的减水剂混合，搅拌均匀，然后将混合均匀的溶液加入到混合材料M1中，然后用剩余的水去清洗盛放减水剂的容器，清洗后再将水加入混合材料M1中，混合200秒后得到混合材料M2，然后按照国家标准进行成型养护。
实施例2
一种锶铁氧体基牺牲砂浆，按重量份数计，包括以下组分：
硫铝酸盐水泥800份、锶铁氧体200份、石英砂600份、水400份、减水剂1.0份。
制备方法：
(1)称取所需的材料，包括硫铝酸盐水泥、锶铁氧体粉末、石英砂、自来水、减水剂；
(2)润湿搅拌机及所有需要使用的工具及模具；
(3)依次将称好的硫铝酸盐水泥、锶铁氧体粉末、石英砂加入到强制式单卧轴混凝土搅拌机，选择搅拌速度为45转/分钟，混合时间200秒，搅拌均匀得到混合材料M1；
(4)首先将1/2的水与全部的减水剂混合，搅拌均匀，然后将混合均匀的溶液加入到混合材料M1中，然后用剩余的水去清洗盛放减水剂的容器，清洗后再将水加入混合材料M1中，混合200秒后得到混合材料M2，然后按照国家标准进行成型养护。
实施例3
一种锶铁氧体基牺牲砂浆，按重量份数计，包括以下组分：
硫铝酸盐水泥700份、锶铁氧体300份、石英砂600份、水400份、减水剂35.0份。
制备方法：
(1)称取所需的材料，包括硫铝酸盐水泥、锶铁氧体粉末、石英砂、自来水、减水剂；
(2)润湿搅拌机及所有需要使用的工具及模具；
(3)依次将称好的硫铝酸盐水泥、锶铁氧体粉末、石英砂加入到强制式单卧轴混凝土搅拌机，选择搅拌速度为45转/分钟，混合时间200秒，搅拌均匀得到混合材料M1；
(4)首先将1/2的水与全部的减水剂混合，搅拌均匀，然后将混合均匀的溶液加入到混合材料M1中，然后用剩余的水去清洗盛放减水剂的容器，清洗后再将水加入混合材料M1中，混合200秒后得到混合材料M2，然后按照国家标准进行成型养护。
上述的3个实施例，制备工艺完全相同。其不同之处在于，实施例1硫铝酸盐水泥900份、锶铁氧体100份，实施例2硫铝酸盐水泥800份、锶铁氧体200份，实施例3中硫铝酸盐水泥700份、锶铁氧体300份，3个实施例中硫铝酸盐水泥与锶铁氧体的质量之和均为1000份，而3个实施例中的锶铁氧体的质量依次增大；三个实施例中的石英砂均为600份，水均为400份，保持不变；为了让制备的锶铁氧体基牺牲砂浆达到要求的工作性能，3个实施例中的减水剂的掺量差别很大。
性能检测
根据国家标准GB/T 14902-2012测量上述实施例中锶铁氧体基牺牲砂浆的工作性能，测量指标为扩展度。根据国家标准GB/T 50107-2010测量锶铁氧体基牺牲砂浆28天抗压强度。根据热重综合分析测量锶铁氧体基牺牲砂浆的焓变，采用高温实验测量其分解温度，两个实验相结合即可得到锶铁氧体基牺牲砂浆分解焓变。3个实施例的实验结果，如下表1所示。
表1 测量结果
编号 扩展度(mm) 28天抗压强度(MPa) 分解焓变(kJ/kg)
实施例1 253 45.3 509.9
实施例2 249 40.4 572.9
实施例3 252 37.1 627.7
由上表1可以看出，3个实施例中扩展度均大于245mm，满足自密实工作性能的要求。随着锶铁氧体的掺量增加，锶铁氧体基牺牲砂浆28天抗压强度逐渐降低，但是其最低强度为37.1MPa，这依然比技术要求的30MPa提高了23.67％。随着锶铁氧体的掺量增加，锶铁氧体基牺牲砂浆分解焓变逐渐增大，这表明其熔蚀速率逐渐降低，从而可以提高核电站的安全性。
此外，需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案。若本领域普通技术人员对本发明的技术例进行修改或等同替换，而不脱离本发明的宗旨，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
下面说明锶铁氧体基牺牲砂浆的分解焓变增大，导致其熔蚀速率降低的原因：
根据传热学理论，锶铁氧体基牺牲砂浆的熔蚀速率跟向它内部传递的热通量之间的关系，如下式所示：
V＝Q/(ρ×A×ΔH) (1)
上式中，V是锶铁氧体基牺牲砂浆的熔蚀速率，Q是向锶铁氧体基牺牲砂浆内部传递的热通量，A是锶铁氧体基牺牲砂浆的熔蚀面积，ΔH是锶铁氧体基牺牲砂浆的分解焓变。
由上式(1)可以看出，锶铁氧体基牺牲砂浆的熔蚀速率与其分解焓变呈反比。这表明当锶铁氧体基牺牲砂浆的分解焓变增大时，导致其熔蚀速率下降。

Claims (7)

1.一种锶铁氧体基牺牲砂浆，其特征在于，主要有以下重量份比例的原材料组成：硫铝酸盐水泥720-1000份、锶铁氧体100-300份、石英砂600-650份、水400-450份、减水剂0.01-35份；
制备方法包括以下步骤：
(1)取42.5级硫铝酸盐水泥、锶铁氧体粉末、石英砂，混合干拌均匀得到混合材料M1；
(2)向上述均匀混合材料M1中加入水、减水剂二者的混合溶液，进行搅拌后得到均匀混合材料M2，即可得到所述的锶铁氧体基牺牲砂浆。
2.根据权利要求1所述的一种锶铁氧体基牺料砂浆，其特征在于，所述的硫铝酸盐水泥为42.5级硫铝酸盐水泥，其中CaO含量大于40％，Al2O3含量大于20％。
3.根据权利要求1所述的一种锶铁氧体基牺牲砂浆，其特征在于，所述的锶铁氧体呈粉末状，其中SrFe12O19含量大于等于95％。
4.根据权利要求1所述的一种锶铁氧体基牺牲砂浆，其特征在于，所述的石英砂为高品质石英粉，它的SiO2含量大于等于99％，它的粒径分布为0.075mm-4.75mm。
5.根据权利要求1所述的一种锶铁氧体基牺牲砂浆，其特征在于，所述的水为自来水或饮用水，符合《混凝土用水标准》(JGJ63-2006)的要求。
6.根据权利要求1所述的一种锶铁氧体基牺牲砂浆，其特征在于，所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂，外观呈无色至浅黄色，密度为1.05-1.15g/ml，固含量大于等于40％(质量含量)，含气量6％-8％(体积含量)，pH值为6-8，减水率大于等于33％。
7.根据权利要求1所述的一种锶铁氧体基牺牲砂浆制备方法，其特征在于：步骤(1)中，用于混合的各种原材料加入强制式单卧轴混凝土搅拌机，选择搅拌速度为40-50转/分钟，混合时间为200-240秒；步骤(2)中，首先用1/2的水与全部的减水剂混合，搅拌均匀，然后将混合均匀的溶液加入到混合材料M1中，然后用剩余的水去清洗盛放减水剂的容器，清洗后再将水加入到混合材料M1中，混合时间为200-240秒。
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