含重金屬污泥制備防輻射功能集料及其混凝土的研究.pdf

1、含重金屬污泥是指工業(yè)排放的含有Ba、Cr、Ni、Cu、Zn等重金屬元素的廢水污泥,易對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成極大危害。重金屬元素對高能射線具有優(yōu)良的屏蔽性能,將含重金屬的污泥燒制成集料,并利用其制備防輻射混凝土,既可以解決天然高密度礦石防輻射混凝土的勻質(zhì)性不良導(dǎo)致的射線屏蔽薄弱區(qū)域問題,又可以消納含重金屬的污泥,符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。本文依托國家十二五科技支撐計劃項目(2011BAJ04805-02)開展研究,通過對含重金屬污泥防輻射

2、功能集料的組成設(shè)計和煅燒制度優(yōu)化,制備了屏蔽性能優(yōu)異的防輻射功能集料。探明防輻射功能集料的組成、結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系,研究采用此功能集料制備的RSC的物理力學(xué)性能、屏蔽性能、耐久性能和水化硬化及微觀結(jié)構(gòu)特性,掌握了基于功能集料的RSC設(shè)計方法與制備技術(shù),為含重金屬污泥制備功能集料及其防輻射混凝土提供了理論依據(jù)。本文進(jìn)行的主要工作和取得的重要成果有:
　　 從防輻射混凝土的發(fā)展方向、技術(shù)要求、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合考慮,提出

3、了利用含重金屬污泥制備防輻射功能集料及其防輻射混凝土的設(shè)計理念,建立了功能集料理想結(jié)構(gòu)模型,該模型由含重金屬礦物和莫來石礦物為主的致密內(nèi)核基體和多孔外殼組成。內(nèi)核基體為集料強度和射線屏蔽性能的主體,外殼包裹基體利于集料燒成,并改善水泥石和集料的界面結(jié)構(gòu),對混凝土起到內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用。采用CT對制備的功能集料進(jìn)行斷層掃描,表明通過對內(nèi)核基體材料的組成設(shè)計,選擇合適的殼核質(zhì)量比,采用合理的煅燒制度,可以實現(xiàn)此理想結(jié)構(gòu)。
　　 系統(tǒng)研究了含

4、重金屬污泥功能集料的礦物組成、制備工藝參數(shù)對其微觀結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性能和屏蔽性能的影響規(guī)律,探討了含重金屬污泥制備防輻射功能集料的焙燒機(jī)理,確定了功能集料原材料的合理組成、燒成工藝參數(shù)以及制備關(guān)鍵技術(shù)。利用含Ba污泥,含Zn、Cr等的鋼鐵廢水污泥,含Zn、Cr、Ni、Cu的電鍍廠污泥制備出抗壓強度達(dá)50MPa以上,對于0.662MeV能量的γ射線的線性衰減系數(shù)μ分別達(dá)到0.19cm-1、0.16cm-1、0.17cm-1的防輻射功能集料,

5、其屏蔽性能與鐵礦石(μ=0.19cm-1)相當(dāng),可用于制備防輻射混凝土。
　　 采用XRD、BSE-EDXA、SEM、ICP等對功能集料的礦物組成和微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究,結(jié)果表明:各污泥中的重金屬元素與Si、Al相形成了穩(wěn)定的礦物相,較好的固化于功能集料中,其離子溶出率小,無堿活性,體積穩(wěn)定性好。運用Matlab軟件的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊分析方法,建立了相同礦物組成的集料孔結(jié)構(gòu)與其屏蔽性能之間關(guān)系,提出運用Mont-Carlo計算

6、模型預(yù)測和評價不同礦物組成和孔隙率的污泥防輻射功能集料在不同能量射線下的屏蔽性能,結(jié)果表明:功能集料的屏蔽性能模擬結(jié)果與測試結(jié)果相吻合,采用此分析方法可以對功能集料的屏蔽性能進(jìn)行預(yù)測。
　　 提出了防輻射混凝土理想結(jié)構(gòu)模型,該模型以緊密堆積的粗細(xì)防輻射功能集料為屏蔽主體,以水泥石和鉛纖維、聚丙烯纖維混雜為輔助屏蔽體,各組分勻質(zhì)分布,形成密實堆積的整體結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,依據(jù)Dinger方程,提出RSC配合比設(shè)計方法,并通過Matl

7、ab和MicrosoftExcel分析方法進(jìn)行規(guī)劃求解,實現(xiàn)防輻射混凝土的膠凝體系、集料體系和整體的密實堆積,有效提高混凝土的屏蔽性能和耐久性能。探明了功能集料的特征粒徑、水泥種類、纖維的種類、結(jié)合水含量、水膠比等參數(shù)對RSC的屏蔽性能的影響規(guī)律,建立了RSC的組成、孔結(jié)構(gòu)與屏蔽性能關(guān)系模型,利用該模型可對RSC的屏蔽性能進(jìn)行預(yù)測和評價,為RSC的設(shè)計、制備及應(yīng)用提供參考依據(jù)。利用功能集料制備出的可泵送C30防輻射混凝土,其表觀密度為2

8、300kg／m3,對0.662Mev的γ射線的線性衰減系數(shù)達(dá)0.169cm-1,與利用重晶石制備的表觀密度為3500kg／m3的C30防輻射混凝土的屏蔽性能相當(dāng)(μ=0.174cm-1)。
　　 運用XRD、SEM、顯微硬度、MIP分析等測試手段,系統(tǒng)研究了RSC的水化硬化機(jī)理、微觀結(jié)構(gòu)與界面特性,揭示了RSC優(yōu)異的物理力學(xué)性能、抗裂性能、耐久性能和屏蔽性能的根本原因:粉煤灰和礦粉等活性組分的次第水化效應(yīng)和密實填充效應(yīng)的有效發(fā)揮