粉煤灰-偏高嶺土復合基地質聚合物的結構與性能研究.pdf

1、地質聚合物作為一種新型的無機聚合物膠凝材料，不僅具有優(yōu)異的力學性能、耐高溫、耐化學腐蝕性能以及化學性能，而且具有與沸石類似的三維網絡結構。目前，其作為固化/穩(wěn)定重金屬和放射性廢物等有毒有害離子的固化基材備受關注。對于固化體而言，除了力學性能的要求之外，更重要的是基體對離子具有長期滯留的能力，這包括固溶作用、吸附作用和物理固封作用，該固化能力與固化體基體的物相組成和致密程度密切相關。因此，本文以粉煤灰、偏高嶺土、NaOH、水玻璃為主要原料

2、制備了地質聚合物材料，借助XRD、SEM、MIP、AAS等測試技術對樣品的物相組成、微觀結構、孔結構、離子浸出率進行表征，系統(tǒng)研究了原料組成（包括堿激發(fā)劑的組成、粉料的摻合比、粉料的粒度）和工藝條件（包括低溫養(yǎng)護制度、高溫水熱合成溫度、成型壓力）對地質聚合物的結構與力學性能的影響，并將該材料用于固化模擬放射性核素Cs，探索了Cs+在地質聚合物基固化體中的浸出機制。主要結論如下：
　?。?）通過研究原料組成對地質聚合物孔結構與抗壓強

3、度的影響發(fā)現(xiàn)，水灰比是影響地質聚合物孔結構的關鍵因素之一。當水灰比恒定時，堿激發(fā)劑的固含量與模數(shù)、粉料中偏高嶺土與粉煤灰的摻合比、低溫養(yǎng)護條件的改變對地質聚合物的總孔隙率基本無影響。此外，粉煤灰顆粒的細化可降低凝膠孔的孔隙率。試樣FF6MF2MK5C1致密性和力學性能優(yōu)異，養(yǎng)護28d的孔隙率和抗壓強度分別為11.04％、62.6MPa。各因素對地質聚合物抗壓強度的影響由大到小為偏高嶺土與粉煤灰的摻合比、堿激發(fā)劑的組成和粉煤灰顆粒的細化。

4、偏高嶺土取代粉煤灰后，可減少未反應的粉煤灰顆粒與凝膠相之間的界面缺陷，形成更為連續(xù)的凝膠網絡結構，使抗壓強度明顯增強。地質聚合物抗壓強度與總孔隙率滿足指數(shù)關系，其中MHS系列地質聚合物抗壓強度與總孔隙率滿足Y=844.27exp-8.06X關系，相關系數(shù)為0.958，F(xiàn)MC系列地質聚合物則滿足Y=84.07exp-2.64X關系，相關系數(shù)為0.96。
　?。?）通過研究制備工藝對地質聚合物孔結構的影響發(fā)現(xiàn)，高溫水熱條件對地質聚合物

5、的孔結構影響顯著。隨著水熱溫度的升高，凝膠相逐漸向NaP1沸石轉變，繼而向方沸石相轉變，總氣孔率則不斷升高；富方沸石相地質聚合物的總孔隙率高達40.12%。低溫養(yǎng)護制度和壓制成型方式對粉煤灰-偏高嶺土基地質聚合物的總孔隙率無明顯的影響。采用最佳成型壓力200MPa可制備高強度（>100MPa）地質聚合物，試樣PS1的抗壓強度由普通成型的58MPa增至106MPa；摻入樹脂的地質聚合物的抗壓強度更是由普通成型的幾個MPa增加至110MPa

6、。這將為地質聚合物固化放射性樹脂提供新的思路。
　?。?）根據(jù)地質聚合物固化模擬放射性核素Cs的研究發(fā)現(xiàn)，固化體中原位合成的方沸石、NaP1沸石對模擬核素Cs的吸附作用顯著優(yōu)于致密固化體對核素的物理固封作用。富方沸石相地質聚合物雖然具有高孔隙率（40.12%），但Cs+在該固化體中42d累計浸出分數(shù)僅為9.9×10-5cm/d。優(yōu)化地質聚合物中>50nm的大孔孔隙率，可明顯提高固化體對模擬核素的物理固封作用。地質聚合物固化體中Cs