RU2661905C1 - Composition for cementing liquid radioactive waste - Google Patents
Composition for cementing liquid radioactive waste Download PDFInfo
- Publication number
- RU2661905C1 RU2661905C1 RU2017127351A RU2017127351A RU2661905C1 RU 2661905 C1 RU2661905 C1 RU 2661905C1 RU 2017127351 A RU2017127351 A RU 2017127351A RU 2017127351 A RU2017127351 A RU 2017127351A RU 2661905 C1 RU2661905 C1 RU 2661905C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cement
- portland cement
- carbon nanotubes
- superplasticizer
- composition
- Prior art date
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 239000010857 liquid radioactive waste Substances 0.000 title claims abstract description 14
- 239000004568 cement Substances 0.000 claims abstract description 39
- 239000011398 Portland cement Substances 0.000 claims abstract description 24
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000008030 superplasticizer Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 4
- BCAARMUWIRURQS-UHFFFAOYSA-N dicalcium;oxocalcium;silicate Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[Ca]=O.[O-][Si]([O-])([O-])[O-] BCAARMUWIRURQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 235000019976 tricalcium silicate Nutrition 0.000 claims abstract description 3
- 229910021534 tricalcium silicate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 claims description 11
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 7
- 239000012758 reinforcing additive Substances 0.000 claims description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract description 28
- 238000011049 filling Methods 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000004807 localization Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000005658 nuclear physics Effects 0.000 abstract 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 abstract 1
- 239000011227 reinforcement additive Substances 0.000 abstract 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 abstract 1
- 238000004137 mechanical activation Methods 0.000 description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 6
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 5
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 5
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 4
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 3
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 3
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 3
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 3
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 3
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000669 Chrome steel Inorganic materials 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 2
- 239000010425 asbestos Substances 0.000 description 2
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 239000005445 natural material Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000012763 reinforcing filler Substances 0.000 description 2
- 229910052895 riebeckite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002900 solid radioactive waste Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N Calcium cation Chemical compound [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000000440 bentonite Substances 0.000 description 1
- 229910000278 bentonite Inorganic materials 0.000 description 1
- SVPXDRXYRYOSEX-UHFFFAOYSA-N bentoquatam Chemical compound O.O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O SVPXDRXYRYOSEX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000920 calcium hydroxide Substances 0.000 description 1
- 235000011116 calcium hydroxide Nutrition 0.000 description 1
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000012241 calcium silicate Nutrition 0.000 description 1
- 208000035269 cancer or benign tumor Diseases 0.000 description 1
- 239000011083 cement mortar Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000006735 deficit Effects 0.000 description 1
- HOOWDPSAHIOHCC-UHFFFAOYSA-N dialuminum tricalcium oxygen(2-) Chemical compound [O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[O--].[Al+3].[Al+3].[Ca++].[Ca++].[Ca++] HOOWDPSAHIOHCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910001653 ettringite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 description 1
- 229940029985 mineral supplement Drugs 0.000 description 1
- 235000020786 mineral supplement Nutrition 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 239000002901 radioactive waste Substances 0.000 description 1
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 description 1
- 239000012047 saturated solution Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
- G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
- G21F9/04—Treating liquids
- G21F9/06—Processing
- G21F9/16—Processing by fixation in stable solid media
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Curing Cements, Concrete, And Artificial Stone (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области локализации жидких радиоактивных отходов и может быть использовано в атомной энергетике и на радиохимических производствах для отверждения радиоактивных растворов и пульп методом цементирования.The invention relates to the field of localization of liquid radioactive waste and can be used in nuclear energy and radiochemical industries for the curing of radioactive solutions and pulps by cementing.
Известно техническое решение «Состав для отверждения жидких радиоактивных отходов», патент РФ №2529496, МПК G21F 9/16, опубл. 27.09.2014 г. Состав состоит из портландцемента и природной минеральной добавки, в качестве которой используют высококремнеземистый природный материал с содержанием диоксида кремния не менее 80%, при следующем соотношении компонентов, мас. %: портландцемент 90-95, высококремнеземистый природный материал 5-10.Known technical solution "Composition for the solidification of liquid radioactive waste", RF patent No. 2529496, IPC
Данный состав имеет невысокую механическую прочность цементного компаунда, что влияет на степень его наполнения ЖРО (жидкими радиоактивными отходами).This composition has a low mechanical strength of the cement compound, which affects the degree of its filling with LRW (liquid radioactive waste).
Известно техническое решение, выбранное в качестве прототипа «Композиция для цементирования жидких радиоактивных отходов», патент РФ №2375773, МПК G21F 9/16, опубл. 10.12.2009 г. Данная композиция состоит из вяжущего вещества, бентонита суперпластификатора С-3, волокнистого асбеста, при следующих соотношениях: (79,0-89); (5,0-10,0); (0,2-1,0); (5,0-10,0).A technical solution is known, selected as a prototype “Composition for cementing liquid radioactive waste”, RF patent No. 2375773, IPC G21F 9/16, publ. December 10, 2009. This composition consists of an astringent, bentonite superplasticizer S-3, fibrous asbestos, with the following ratios: (79.0-89); (5.0-10.0); (0.2-1.0); (5.0-10.0).
Недостатком изобретения является то, что увеличение степени наполнения компаунда достигается за счет увеличения раствороцементного соотношения при добавлении асбеста, что может негативно сказаться на пористости цементного камня и, как следствие, на увеличении скорости выщелачивания радионуклидов.The disadvantage of the invention is that an increase in the degree of filling of the compound is achieved by increasing the mortar-cement ratio with the addition of asbestos, which can negatively affect the porosity of the cement stone and, as a consequence, increase the rate of leaching of radionuclides.
Технической задачей заявляемого изобретения является получение состава для цементирования жидких радиоактивных отходов, позволяющего увеличить степень наполнения цементного компаунда элементами ЖРО при сохранении прочностных характеристик компаундов.The technical task of the invention is to obtain a composition for cementing liquid radioactive waste, which allows to increase the degree of filling of the cement compound with elements of LRW while maintaining the strength characteristics of the compounds.
Разработан состав для цементирования ЖРО, состоящий из вяжущего вещества портландцемента, суперпластификатора С-3, который дополнительно содержит в качестве армирующей добавки многослойные углеродные нанотрубки, при следующем соотношении компонентов, мас. %:A composition for LRW cementing has been developed, consisting of Portland cement binder, S-3 superplasticizer, which additionally contains multilayer carbon nanotubes as a reinforcing additive, in the following ratio of components, wt. %:
причем портландцемент предварительно механоактивируют в планетарной шаровой мельнице для увеличения содержания суммарной доли частиц цемента размером до 20 мкм, так как именно эта фракция цемента отличается большим содержанием гексагональных и призматических кристаллов трехкальциевого силиката 3CaO⋅2SiO2, который и определяет высокую прочность портландцемента.moreover, Portland cement is pre-mechanically activated in a planetary ball mill to increase the content of the total fraction of cement particles up to 20 μm in size, since this cement fraction is characterized by a high content of hexagonal and prismatic crystals of 3CaO⋅2SiO 2 tricalcium silicate, which determines the high strength of Portland cement.
Возможность осуществления заявляемого технического решения подтверждается следующими примерами, которые поясняются материалами: на фиг. 1 изображены нанотрубки DEALTOM, на фиг. 2 показано изменение фракционного состава портландцемента в результате механоактивирования, на фиг. 3 представлена зависимость удельной поверхности цемента от продолжительности механоактивирования, на фиг. 4 приведена зависимость механической прочности на сжатие от содержания МУНТ, на фиг. 5 показана зависимость механической прочности на сжатие образцов цементного компаунда заявленного состава от степени наполнения ЖРО.The possibility of implementing the claimed technical solution is confirmed by the following examples, which are illustrated by the materials: in FIG. 1 shows DEALTOM nanotubes; FIG. 2 shows a change in the fractional composition of Portland cement as a result of mechanical activation, FIG. 3 shows the dependence of the specific surface of cement on the duration of mechanical activation, in FIG. 4 shows the dependence of the mechanical compressive strength on the content of MWCNTs; in FIG. 5 shows the dependence of the mechanical compressive strength of the cement compound samples of the claimed composition on the degree of LRW filling.
Для приготовления цементных компаундов использовали следующие материалы и добавки: портландцемент СЕМ I 42,5Н ГОСТ 30515-2013, суперпластификатор С-3 ТУ5870-004-46849456-04, многослойные углеродные нанотрубки DEALTOM ТУ2166-001-88320847-2014.The following materials and additives were used to prepare cement compounds: Portland cement CEM I 42.5N GOST 30515-2013, superplasticizer C-3 TU5870-004-46849456-04, multilayer carbon nanotubes DEALTOM TU2166-001-88320847-2014.
Нанотрубки DEALTOM (Фиг. 1) имеют преимущество по сравнению с другими углеродными нанотрубками, выпускаемыми как отечественными, так и импортными производителями, заключающееся в отсутствии примесных элементов (сера, хлор, фосфор, азот), что позволяет создавать композиты с заданными физико-механическими свойствами. Их синтезируют по методу низкотемпературного термокаталитического пиролиза углеводородов, позволяющему создавать углеродные нанотрубки низкой себестоимости.DEALTOM nanotubes (Fig. 1) have an advantage over other carbon nanotubes produced by both domestic and foreign manufacturers, which consists in the absence of impurity elements (sulfur, chlorine, phosphorus, nitrogen), which makes it possible to create composites with desired physicomechanical properties . They are synthesized by the method of low-temperature thermocatalytic pyrolysis of hydrocarbons, which allows the creation of low-cost carbon nanotubes.
Портландцемент представляет собой тонкомолотый порошок с высокоразвитой удельной поверхностью 350-400 м2/кг и неоднородным фракционным составом. Роль каждой фракции в процессе набора прочности камня зависит от ее содержания в бетонной смеси. Наиболее активной частью портландцемента, влияющей на прирост прочности на начальных стадиях твердения, являются фракции размером 1-20 мкм, отличающиеся большим содержанием алита (3CaO⋅2SiO2), степень гидратации которого на 28 сутки при температуре 20°С достигает 80%. Более крупные фракции портландцемента представляют собой балластную часть вяжущего и в первые 3-6 месяцев практически не участвуют в наборе марочной прочности бетона.Portland cement is a finely ground powder with a highly developed specific surface area of 350-400 m 2 / kg and a heterogeneous fractional composition. The role of each fraction in the process of gaining strength of a stone depends on its content in the concrete mix. The most active part of Portland cement, which affects the increase in strength at the initial stages of hardening, are fractions of 1-20 μm in size, characterized by a high content of alite (3CaO⋅2SiO 2 ), the degree of hydration of which reaches 80% at 28 days at a temperature of 20 ° С. Larger portland cement fractions represent the ballast part of the binder and in the first 3-6 months practically do not participate in the set of brand concrete strength.
Механоактивирование портландцемента проводили в планетарной шаровой мельнице при перегрузке 26,8 g, частоте вращения планетарного диска 400 об/мин, соотношении скоростей 1:-3. Для уменьшения намола материала к оснастке использовали размольный стакан из хромистой стали. В качестве мелющих тел использовали шары из хромистой стали в количестве 25 шт. диаметром 20 мм и общей массой 998 г. Соотношение масс мелющих тел и обрабатываемого материала - 7,5:1. Время механоактивации вяжущего варьировали от 5 до 20 мин.The mechanical activation of Portland cement was carried out in a planetary ball mill with an overload of 26.8 g, a planetary disk rotational speed of 400 rpm, and a speed ratio of 1: -3. To reduce the grinding of the material to the equipment, a grinding cup made of chrome steel was used. As grinding media used balls of chrome steel in an amount of 25 pcs. with a diameter of 20 mm and a total weight of 998 g. The ratio of the masses of grinding media and the processed material is 7.5: 1. The time of mechanical activation of the binder varied from 5 to 20 minutes.
Планетарная шаровая мельница обладает наибольшей активирующей способностью за счет действия так называемых сил Кориолиса. Разница скоростей между шарами и размольным стаканом приводит к взаимодействию сил трения и удара, тем самым способствуя высвобождению максимальной кинетической энергии.The planetary ball mill has the greatest activating ability due to the action of the so-called Coriolis forces. The speed difference between the balls and the grinding bowl leads to the interaction of the friction and impact forces, thereby contributing to the release of maximum kinetic energy.
В результате механоактивирования портландцемента происходит увеличение в 2,8 раза суммарной доли частиц размером до 20 мкм в сравнении с исходными зернами вяжущего при продолжительности активирования 10 мин (Фиг. 2). При оценке эффекта активирования учитывалось, что для высокопрочных цементов принято считать достаточным содержание данных фракций не менее 70% мас.As a result of the mechanical activation of Portland cement, there is a 2.8-fold increase in the total fraction of particles up to 20 microns in size in comparison with the initial binder grains with an activation time of 10 minutes (Fig. 2). When assessing the activation effect, it was taken into account that for high-strength cements it is considered to be sufficient to have a content of these fractions of at least 70% wt.
Также происходит трехкратное увеличение содержания частиц цемента размером до 1 мкм. Мелкие фракции (5 мкм и менее) оказывают решающее влияние на прочность цемента в первые сутки твердения, обусловленное высоким содержанием эттрингита, образующегося в ходе реакцииThere is also a three-fold increase in the content of cement particles up to 1 micron in size. Fine fractions (5 μm or less) have a decisive influence on the strength of cement in the first day of hardening, due to the high content of ettringite formed during the reaction
3СаО⋅Al2O3+3CaSO4+32H2O=3СаО⋅Al2O3⋅3CaSO4⋅32H2O.3СаО⋅Al 2 O 3 + 3CaSO 4 + 32H 2 O = 3СаО⋅Al 2 O 3 ⋅ 3CaSO 4 ⋅ 32H 2 O.
Трехкальциевый алюминат через 1 сут нормального твердения успевает прореагировать до 80%.Tricalcium aluminate after 1 day of normal hardening manages to react up to 80%.
Максимум удельной поверхности единицы, объема цемента, определение которой производили оптическим методом, достигнут при времени механоактивирования 10 мин (Фиг. 3). При увеличении периода активирования наблюдается закономерное снижение суммарной поверхности порошка за счет агрегации переизмельченных частиц.The maximum specific surface area of the unit, the volume of cement, the determination of which was carried out by the optical method, was achieved at a mechanical activation time of 10 min (Fig. 3). With an increase in the activation period, a regular decrease in the total surface of the powder is observed due to the aggregation of over-crushed particles.
Таким образом, установлено, что для улучшения прочностных свойств цементных материалов достаточно проведения предварительного механоактивирования продолжительностью не более 10 мин.Thus, it was found that to improve the strength properties of cement materials, it is sufficient to conduct preliminary mechanical activation lasting no more than 10 minutes.
Изготовленные таким образом образцы цементных компаундов отличались содержанием армирующих наполнителей (0,5-1,5-2,5% от содержания цемента) и способом их диспергирования в объеме цементного компаунда, а именно наличием поверхностно-активного вещества (ПАВ) либо его отсутствием. Для обеспечения сопоставимости результатов изготовлены по три образца каждого состава компаундов.The samples of cement compounds made in this way were distinguished by the content of reinforcing fillers (0.5-1.5-2.5% of the cement content) and the method of their dispersion in the volume of the cement compound, namely, the presence of a surfactant or its absence. To ensure comparability of the results, three samples of each compound composition were made.
Для изготовления образцов цемент загружали в мерные емкости, куда добавляли расчетный объем воды затворения, содержащий выбранные добавки в заданном соотношении. Полученную смесь тщательно перемешивали до получения однородного состава и помещали в специально изготовленные формы из фторопласта. В соответствии с утвержденной отраслевой методикой измерения ОИ001.725-2011 «Цементные компаунды на основе радиоактивных отходов. Определение предела прочности на сжатие» размер образцов цементного компаунда установлен диаметром и высотой 20 мм.For the manufacture of samples, cement was loaded into measuring tanks, where the calculated volume of mixing water containing the selected additives in a given ratio was added. The resulting mixture was thoroughly mixed until a homogeneous composition was obtained and placed in specially made forms of fluoroplastic. In accordance with the approved industry measurement method ОИ001.725-2011 “Cement compounds based on radioactive waste. Determination of compressive strength ”The size of cement compound samples is set to a diameter and a height of 20 mm.
Путем легкого постукивания по корпусу форм в течение нескольких минут смесь уплотняли и удаляли из нее воздух. После этого формы помещали на 24 ч в камеру нормального твердения, обеспечивающую при температуре 20±3°С относительную влажность воздуха 95±5%. Через сутки образцы извлекали из форм и помещали их обратно в камеру нормального твердения на 28 сут. Испытания механической прочности на сжатие производили после истечения 28 сут твердения.By lightly tapping the mold body for several minutes, the mixture was compacted and air was removed from it. After this, the molds were placed for 24 hours in a normal hardening chamber, providing at a temperature of 20 ± 3 ° С a relative humidity of 95 ± 5%. After a day, the samples were removed from the molds and placed back into the normal hardening chamber for 28 days. The mechanical compressive strength was tested after 28 days of hardening.
Испытания на механическую прочность на сжатие образцов проводили на гидравлическом прессе ВМ-3,4, с предельной нагрузкой до 500 кН и погрешностью измерения ±1%.Tests for the mechanical compressive strength of the samples were carried out on a VM-3.4 hydraulic press, with a maximum load of up to 500 kN and a measurement error of ± 1%.
Исследованные составы цементного раствора корректировали исходя из оценки растекаемости (пластичности) пробного замеса. Растекаемость является одной из основных технологических характеристик качества цементного теста. Для обеспечения хорошего смешивания компонентов компаунда, перемешивания смеси и равномерного заполнения цементным раствором контейнера, растекаемость цементного компаунда не должна превышать 200 мм. Оптимальным является диапазон растекаемости компаунда 110÷150 мм.The investigated compositions of the cement slurry were adjusted based on the assessment of the spreadability (plasticity) of the test batch. Spreadability is one of the main technological characteristics of the quality of cement paste. To ensure good mixing of the components of the compound, mixing the mixture and evenly filling the container with cement mortar, the spreadability of the cement compound should not exceed 200 mm. The optimal range is the spreadability of the compound 110 ÷ 150 mm.
В таблице 1 приведены составы цементных компаундов и результаты их испытаний на механическую прочность после предварительного механоактивирования портландцемента в течение 10 мин.Table 1 shows the compositions of cement compounds and the results of their mechanical strength tests after preliminary mechanical activation of Portland cement for 10 minutes.
Для изучения влияния способа диспергирования МУНТ с помощью ПАВ и механического перемешивания в воде затворения были приготовлены образцы, в которых в качестве ПАВ использовали суперпластификатор С-3.To study the effect of the method of dispersing MWCNTs using surfactants and mechanical stirring in mixing water, samples were prepared in which C-3 superplasticizer was used as a surfactant.
Зависимость механической прочности на сжатие от содержания МУНТ и способа его диспергирования в цементном компаунде представлена на Фиг. 4.The dependence of the mechanical compressive strength on the content of MWCNTs and the method of its dispersion in the cement compound is shown in FIG. four.
Установлено, что добавка суперпластификатора С-3 увеличивает механическую прочность компаундов за счет взаимодействия молекул ПАВ с ионами кальция на поверхности зерен цемента и образования поверхностной пленки соединения типа -Si-O-Ca-SO3R. Данная пленка приводит к снижению внутреннего трения в бетонной смеси. Кроме того, добавка обладает пептизирующем действием, которое препятствует образованию флоккул из цементных частиц в процессе гидратации, что в свою очередь приводит к увеличению удельной поверхности частиц и оказывает положительное влияние на интенсивность процессов гидратации и структурообразования цементного камня.It has been established that the addition of C-3 superplasticizer increases the mechanical strength of the compounds due to the interaction of surfactant molecules with calcium ions on the surface of cement grains and the formation of a surface film of the -Si-O-Ca-SO 3 R compound. This film reduces internal friction in concrete mixtures. In addition, the additive has a peptizing effect, which prevents the formation of floccules from cement particles during hydration, which in turn leads to an increase in the specific surface of the particles and has a positive effect on the intensity of hydration and structure formation of cement stone.
Прирост прочности компаунда только за счет механоактивирования и введения пластифицирующей добавки без добавления МУНТ составил 33,3%, максимальный прирост механической прочности компаундов за счет механоактивирования и введения наномодификатора составил 37,2% при содержании нанодобавки 1,5% мас. Максимальный синергетический эффект от механоактивирования цемента и добавления суперпластификатора С-3 с углеродными нанотрубками DEALTOM составил 57%.The increase in the strength of the compound only due to mechanical activation and the introduction of a plasticizing additive without the addition of MWCNTs was 33.3%, the maximum increase in the mechanical strength of the compounds due to mechanical activation and the introduction of a nanomodifier was 37.2% with a content of the nanoparticle 1.5% wt. The maximum synergistic effect from the mechanical activation of cement and the addition of C-3 superplasticizer with DEALTOM carbon nanotubes was 57%.
При таких малых дозировках МУНТ механизм их модифицирования не связан с химическим взаимодействием с составляющими цементной пасты. Необходимо, прежде всего, учитывать поверхностные явления, возникающие при введении нанотрубок.At such low doses of MWCNTs, the mechanism of their modification is not associated with chemical interaction with the components of the cement paste. First of all, it is necessary to take into account the surface phenomena that occur when nanotubes are introduced.
Механизм модифицирования можно объяснить следующим процессом. Ионы Са2+, образующиеся в результате диссоциации клинкерных фаз цемента, осаждаются на поверхности нанотрубок и взаимодействуют с образованными гидроксид- и силикатионами, формируя при этом центры кристаллизации гидратных новообразований. Процесс формирования новообразований протекает интенсивно, так как концентрирование ионов Са2+ на поверхности нанотрубок приводит к реализации условия для роста кристаллов портландита и других аморфных гидросиликатов кальция. Необходимо, чтобы содержание ионов Са2+ в местах формирования новообразований превышало концентрацию насыщенного раствора в 1,5-2 раза. Структурные новообразования на поверхности углеродных нанотрубок формируют плотный высокопрочный пространственный каркас, объединяющий все компоненты компаунда в конгломерат с улучшенными физико-техническими свойствами.The modification mechanism can be explained by the following process. Ca 2+ ions formed as a result of dissociation of the clinker phases of cement are deposited on the surface of nanotubes and interact with the formed hydroxide and silicications, forming crystallization centers of hydrated neoplasms. The process of formation of neoplasms proceeds intensively, since the concentration of Ca 2+ ions on the surface of the nanotubes leads to the realization of the conditions for the growth of Portlandite crystals and other amorphous calcium hydrosilicates. It is necessary that the content of Ca 2+ ions at the sites of neoplasm formation exceed the concentration of the saturated solution by 1.5-2 times. Structural neoplasms on the surface of carbon nanotubes form a dense high-strength spatial framework that combines all the components of the compound into a conglomerate with improved physical and technical properties.
Однако при превышении оптимального значения концентрации нанотрубок углерода (более 1,5% масс.) наблюдается постепенное падение прочности. Данное «разупрочнение» может быть объяснено двумя причинами: дефицитом вяжущего для высокоразвитой поверхности углеродных нанотрубок и невозможностью обеспечения равномерного распределения нанотрубок в объеме компаунда на стадии механического перемешивания. В результате снижается сцепление между частицами вяжущего и наполнителя. При дозировках МУНТ более 1,5% мас. требуется применение специальных технологий по их диспергированию (ультразвуковое, кавитационное и т.д.), но высокая энергоемкость и малая производительность данных процессов существенно затрудняют их применение в рамках реального производства.However, when the optimum value for the concentration of carbon nanotubes is exceeded (more than 1.5 wt%), a gradual decrease in strength is observed. This “softening” can be explained by two reasons: the deficit of carbon nanotubes in the binder for a highly developed surface and the inability to ensure uniform distribution of nanotubes in the volume of the compound at the stage of mechanical mixing. As a result, adhesion between the binder and filler particles is reduced. At dosages of MWCNTs of more than 1.5% wt. The use of special technologies for their dispersion (ultrasonic, cavitation, etc.) is required, but the high energy intensity and low productivity of these processes significantly complicate their application in the framework of real production.
Для увеличения степени наполнения цементного компаунда пульпой необходимо производить предварительное механоактивирование портландцемента в планетарной шаровой мельнице продолжительностью 10 мин и использовать в качестве армирующего наполнителя многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ). При этом дозировка МУНТ не должна превышать 1,5% мас., а для максимального повышения прочности цементного компаунда необходимо вносить углеродные нанотрубки в цементную систему с поверхностно-активным веществом, в качестве которого может выступать относительно недорогой суперпластификатор С-3, содержание которого не превышает 0,6% мас.To increase the degree of filling of the cement compound with pulp, it is necessary to perform preliminary mechanical activation of Portland cement in a planetary ball mill lasting 10 minutes and use multilayer carbon nanotubes (MWCNTs) as a reinforcing filler. In this case, the dosage of MWCNTs should not exceed 1.5 wt.%, And to maximize the strength of the cement compound, carbon nanotubes must be introduced into the cement system with a surfactant, which can be relatively inexpensive C-3 superplasticizer, the content of which does not exceed 0.6% wt.
Достигнутый положительный результат от применения МУНТ и проведения механоактивирования портландцемента для отверждения реальных радиоактивных пульп составил увеличение содержания ЖРО в компаундах с 1,6 до 9,5% мас. (Фиг. 5).The achieved positive result from the use of MWCNTs and mechanical activation of Portland cement for curing real radioactive pulps amounted to an increase in the content of LRW in compounds from 1.6 to 9.5% wt. (Fig. 5).
Данный состав для цементирования ЖРО позволяет сократить образование вторичных твердых радиоактивных отходов (ТРО) до 5 раз за счет увеличения степени наполнения каждого компаунда без снижения его качества.This composition for cementing LRW allows to reduce the formation of secondary solid radioactive waste (SRW) up to 5 times by increasing the degree of filling of each compound without reducing its quality.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017127351A RU2661905C1 (en) | 2017-07-31 | 2017-07-31 | Composition for cementing liquid radioactive waste |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017127351A RU2661905C1 (en) | 2017-07-31 | 2017-07-31 | Composition for cementing liquid radioactive waste |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2661905C1 true RU2661905C1 (en) | 2018-07-23 |
Family
ID=62981454
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017127351A RU2661905C1 (en) | 2017-07-31 | 2017-07-31 | Composition for cementing liquid radioactive waste |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2661905C1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA001125B1 (en) * | 1996-01-16 | 2000-10-30 | Джуроу Л. Коруга | A method of containing radiation using fullerene molecules |
| RU2375773C1 (en) * | 2008-03-03 | 2009-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Маяк" | Composition for cementing liquid radioactive wastes |
| JP2013096764A (en) * | 2011-10-30 | 2013-05-20 | Japan Ecology Carbon Operation | Radiation shielding mortar, and radiation shielding plate and radiation shielding vessel using the mortar |
| RU2610901C1 (en) * | 2015-09-01 | 2017-02-17 | Андрей Владимирович Кисляков | Composition for cementing liquid radioactive wastes |
| US20170200518A1 (en) * | 2014-06-23 | 2017-07-13 | Rsmtech Co., Ltd. | Composition for radiation shielding and method for preparing same |
-
2017
- 2017-07-31 RU RU2017127351A patent/RU2661905C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA001125B1 (en) * | 1996-01-16 | 2000-10-30 | Джуроу Л. Коруга | A method of containing radiation using fullerene molecules |
| RU2375773C1 (en) * | 2008-03-03 | 2009-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Производственное объединение "Маяк" | Composition for cementing liquid radioactive wastes |
| JP2013096764A (en) * | 2011-10-30 | 2013-05-20 | Japan Ecology Carbon Operation | Radiation shielding mortar, and radiation shielding plate and radiation shielding vessel using the mortar |
| US20170200518A1 (en) * | 2014-06-23 | 2017-07-13 | Rsmtech Co., Ltd. | Composition for radiation shielding and method for preparing same |
| RU2610901C1 (en) * | 2015-09-01 | 2017-02-17 | Андрей Владимирович Кисляков | Composition for cementing liquid radioactive wastes |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jo et al. | Investigations on the development of powder concrete with nano-SiO 2 particles | |
| Fernández et al. | Influence of nanosilica and a polycarboxylate ether superplasticizer on the performance of lime mortars | |
| Kundu et al. | Chemically modified jute fibre reinforced non-pressure (NP) concrete pipes with improved mechanical properties | |
| Liu et al. | Effects of accelerator–water reducer admixture on performance of cemented paste backfill | |
| JPH08509670A (en) | Cement manufacturing method | |
| CN1596232A (en) | Particulate additive for dispersing admixtures in hydraulic cements | |
| RU2630322C2 (en) | Method for manufacturing cement, construction grouts, concrete compositions containing filler (fillers) based on calcium carbonate, (preliminary) treated by ultradispersed filler (fillers), compositions obtained and cement materials and their applications | |
| Peng et al. | Mechanism underlying early hydration kinetics of carbonated recycled concrete fines-ordinary portland cement (CRCF-OPC) paste | |
| TWI580659B (en) | Process for the preparation of cement, mortars, concrete compositions containing a calcium carbonate-based filler (pre)-treated with a superplasticizer, compositions and cement products obtained and their applications | |
| Khana et al. | Strength and durability of mortar and concrete containing rice husk ash: a review | |
| CN102285773A (en) | Phosphogypsum-cement retarder and preparation method thereof | |
| Ramadoss et al. | Alternative approach for traditional slaking and grinding of air lime mortar for restoration of heritage structures: natural polymer | |
| Fediuk et al. | Designing of special concretes for machine building | |
| JP5278265B2 (en) | Self-healing concrete admixture, method for producing the same, and self-healing concrete material using the admixture | |
| Adajar et al. | Utilization of aggregate quarry waste in construction industry | |
| Berredjem et al. | Influence of recycled sand containing fillers on the rheological and mechanical properties of masonry mortars | |
| RU2661905C1 (en) | Composition for cementing liquid radioactive waste | |
| JP5227161B2 (en) | Cement admixture and cement composition | |
| KR100698759B1 (en) | Cement composition for concrete having superhigh compressive strength and manufactruing method thereof | |
| HU221747B1 (en) | A method of treating cement clinker | |
| JP2008246901A (en) | Concrete finished product using cement paste and its manufacturing method | |
| RU2370465C1 (en) | Slag-lime binder graund m and method of producing said slag-lime binder | |
| JP4176395B2 (en) | Manufacturing method of low specific gravity calcium silicate hardened body | |
| Jalal et al. | Thermal and mechanical characteristics of cement nanocomposites | |
| RU2569947C1 (en) | Sand concrete |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190801 |