混凝土高整体容器（HIC）用密封材料耐久性及渗透性研究.pdf

中国科技核心期刊 新 巍 圃 混凝土高整傩窨器( H I C) 用宙封材料 刺久胜及滢透性研穷 李清海， 王菲菲， 李清原， 高建伟 ， 周胜男 ( 中国建筑材料科学研究总院， 绿色建筑材料国家重点实验室， 北京1 0 0 0 2 4 ) 摘要： 对混凝土高整体容器( H I C ) 用密封材料的耐久性进行研究， 探讨了环氧乳液掺量对混凝土H I C用密封材料抗冻性能、 抗 硫酸盐侵蚀性能的影响规律 。研究 结果表 明， 聚灰 比为 6 时， 混凝土 HI C用密封材料 的抗冻性 能、 抗硫酸盐侵蚀性能最佳 ， 且按 此 配合 比配制 的密封材料 其碳 化性能、 耐辐照性能及渗透性 能也均 符合 低、 中水平 放射性废物 高整 体容器混凝 土容 器 标准 要 求 。并对其机理进行分析 关键词： 混凝土高整体容器； 密封材料； 聚灰比； 抗冻性能； 抗硫酸盐侵蚀性能： 碳化性能： 耐辐照性能： 渗透性能 中图分类号： T U 5 7 8 文献标识码： A 文章编号； 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 4 ) 0 6 - 0 0 8 4 0 4 I n v e s t i g a ti o n o n d u r a b i l i t y a n d p e n e t r a t i n g q u a U t y o f c o n c r e t e h i g h i n t e g r i t y c o n t a i n e r( I I I C) s e a l i n g ma t e r i a l L I Q ， l g ， WAN G F e ， L I Q i n g y u a n ， G A0 J i a n w e i ， Z HOU S h e n g n a n ( C h i n a B u i l d i n g Ma t e r i a l s A c a d e my ， S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f G r e e n B u i l d i n g Ma t e ri a l s , B e i j i n g 1 0 0 0 2 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： A c c o r d i n g t o t h e r e se h o f c o n c r e t e ， h iis h i n t e g r i t y c o n t a i n e r ( HI C ) s e a l i n g m a t e ri al， t h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t C p o x y e mu l s i o n d o s a g e o n a nt i - f r o s t p r o p e r t y an d s u l f a t e a t t a c k res i s t a n c e o f c o n c ret e HI C s e a l i n g ma t e r i al wa s e x p l o r e d Re s u l t s h o ws t h a t t h e a n t i - f r o s t p rop e r t y an d s u lfa t e a t t a c k res i s t a n c e o f c o n c r e t e HI C s e a l i n g ma t e ria l we re b e s t wh e n t h e p o l y me r c e me nt r a t i o w a s 6 ， a n d c a r b o n i z a t i o n res i s t a n c e ， i r r a d i a t i o n res i s ta n c e a n d p e n e t r a t i n g q u a l i t y of c o n c r e t e HI C seali n g ma t e rial me t t h e r e q u i r e me n t s of s t anda r d： Th e l o w， h J g h l e v e l r a d i o a c t i v e wa s t e i n t h e h i s h o v e r a l l me c h an i s m wa s ana l y z e d Ke y wo r d s ： c o n c ret e h i s h i n t e g r i t y c o n t a i n e r ( HI C ) ； sea l i n g m a t e ri al； p o l y me r - c e me n t r a t i o ； ant i - f r o s t p rop e r t y ； s u l f a t e a t t a c k r e - s i s t a n c e ； c a r b o niz a t i o n r e s i s t an c e ； i r r a d i a t i o n res i s t an c e ； p e n e t r a t i n g q u ali t y O 前言 高整体容器( H I C ) 是一种具有高强度、 密封性好、 化学稳 定性和耐久性好的特殊容器，可用于装载未经固化或固定处 理的放射性废物，其包容放射性物质的预期寿命不低于3 0 0 年。H I C 按材料类型可分为： 交联聚乙 烯H I C 、 球墨铸铁H I C 以 及混凝土H I C t 。其中混凝土H I C主要适用于核电厂运行 过 程中产生的 低、 中水平的放 射性固 体废物处置。 目 前许多国 家和地区都有对混凝土H I C的相关研究， 如法国、 中国台湾、 基金项 目： 国家科 技支撑计划项 目( 2 0 1 l B A E 2 7 B o 2 ) 收稿 日期： 2 0 1 3 一 l 1 1 4 ； 修订 日期： 2 0 1 4 0 5 0 6 作者简介： 李清海， 男， 1 9 6 7年生， 内蒙古商都人， 博士， 教授级高级 工程师。 地址： 北京市朝阳区管庄东里 l 号 ， E - m a i hl i q i n g h a i c b ma m a i l co m cno 8 4 新型建筑材料 2 0 1 4 6 日本等， 但由于混凝土H I C的研究属于核工业领域， 相对敏 感， 故可查的相关文献资料极少。 密封材料作为混凝土 H I C的一部分， 在混凝土H I C中起 连接容器和密封盖的作用， 故要求其具有良 好的力学性能( 尤 其粘结性能 ) 和耐候性能。而 普通的 水泥基复合材料( 如 普通 混凝土或水泥砂浆) 是非均质、 多相无机脆性材料， 而且这种 多孔 材料 在外界侵蚀性介质( 如二 氧化碳、 水、 氯离子、 硫酸盐 等) 和贮存材料 放射性侵蚀作 用下， 会加速破坏， 使用寿命大 大缩短。本文主要采用聚合物环氧乳液对水泥基材料进行改 性制备混凝土H I C 用密封材料， 并对其耐久性( 抗冻性能、 抗 硫酸盐侵蚀性能、 碳化性能、 耐辐照性能及渗透性能) 进行系 统研究， 其中混凝土H I C用密封材料的力学性能已另撰文发 表3 1 。 根据我国正在编制的 低、 中水平放射性废物高整体容 器混凝土容器 标准， 要求养护2 8 d 混凝土 H I C用密封 材料的耐久性应满足的指标如表 1 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李清海， 等： 混凝土高整体容器( H I C ) 用密封材料耐久性及渗透性研究 表 1 混凝土 H I C用密封材料的耐久性指标要求 项目 标准要求 耐 辐照性 ( 1 0 G y ) 耐冻融性 ( F 4 0 0 ) 碳化性能 硫酸 盐侵蚀 ( K S I 6 0 ) 渗水性能 ( 1 6 MP a ) 氮气渗透 性， ( m2 s ) 强度损失率2 O 质量损 失率 2 ， 强度损失率2 O ， 动弹性模量3 2 G P a 碳化深度 d O 1 I n to 质量损 失率 2 ， 强度损失率 2 0 渗水高度 h 1 0h i m 本征渗透系数 K v 5 O x l O - l 实验 1 1 原材料 ( 1 ) 水泥： 基准水泥， 细度( 0 0 8 m m筛筛余) 1 9 ， 安定性 合格， 其化学成分见表2 、 物理性能见表3 。 表 2 基准水泥的化学成分 S i 0 2 A I 2 O a F e 2 0 3 C a O Mg 0 S O 3 Na 2 0 q f - C a O L o s s C 1 2 5 1 O 6 3 8 4 1 9 5 48 7 2 6 l 2 6 6 O 5 6 O7 9 2 1 8 O 0 09 ( 2 ) 石英砂： 细砂， 5 0目 筛筛余7 。 ( 3 ) 环氧乳液： 聚合物环氧乳液， 自制， 固含量6 O 1 ， p H值7 8 ， 钙离子稳定性和机械稳定性均合格。 1 2 实验方法 ( 1 ) 聚合物砂浆制备 在试验室搅拌砂浆时采用机械搅拌，搅拌机符合 J G T 3 o 3 3 1 9 9 6 试验用砂浆搅拌机 的规定， 掺有掺合料和外加 剂的砂浆， 其搅拌时间不少于5 ra in 。 ( 2 ) 抗冻性能测试 按照D L D 5 1 2 6 - - 2 0 0 1 聚合物改性水泥砂浆试验规程 规定的快冻法进行。试块尺寸4 0 m m x 4 0 m m x 1 6 0 m m 。 ( 3 ) 抗硫酸盐侵蚀测试 按照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9普通混凝土长期性能和耐久性 能实验方法标准 进行测试。试块尺寸 1 0 0 m m x l 0 0 m m x l 0 0 I I l I I l 0 ( 4 ) 碳化性能测试 按照D L D 5 1 2 6 -2 0 0 1 规定的试验方法进行。试块尺寸 1 0 0 m mx l 0 0 m mx l 0 0 mm。 ( 5 ) 耐辐照性能测试 混凝土H I C用密封材料通过钴一 6 0 射线辐照， 测定其经 剂量率为 1 2 x 1 0 3 1 4 x 1 0 G y h 、 累积计量不小于 1 0 x l 0 6 G y 的 y 射线辐照后的性能保持能力。 样品室环境温度( 2 0 + 1 ) o C 、 环 境湿度约3 0 、 常压、 空气换气次数 2 4次， h 。试块尺寸1 0 0 mmxl 0 0 mmxl 0 0 mm。 ( 6 ) 渗水性能测试 按G B ， I t 5 0 0 8 2 _ - 2 0 0 9 规定的试验方法进行。 抗渗仪设备 应保证2 4 h 加压期间的水压力恒定在2 0 M P a 。 ( 7 ) 氮气渗透性能测试 密封材料砂浆搅拌方法同上， 成型模具为( I ) 1 5 0 m in x 2 0 0 m m的专用模具。试样养护按照G B f r 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 规定的方 法 养护 2 8 d 。 将试件切割成(I ) 1 5 0 m m x 5 O m m圆 饼， 分别编号 为M 1 M 4 ； 试件称量后放入6 0烘箱2 5 d ， 然后称量， 再将 试件置于相对湿度6 0 、 温度2 O 的室内2 2 d 。按照改进的 C E M B U R E A U法进行气体渗透性测试， 施加围压 O 7 M P a 。 分 析整理数据时，计算不同压力条件下试件表观渗透系数 ， 并利用式( 1 ) 回归出本征渗透系数K ： = v ( 1 + 6 ， ( 1 ) 2 实验结果 2 1 混凝土 HI C用密封材料的抗冻性能 抗冻融循环性能是评价密封材料耐久性的一项重要指 标， 考核指标将其设定为F 4 0 0 。对密封材料胶砂比为 1 ： 1 ， 减 水剂掺量为O 5 ， 膨胀剂掺量为5 ， 聚灰比分别为2 、 6 、 8 的试样进行抗冻性测试， 结果如表4 、 表5 所示。 表 4 自然养护与冻融处理后密封材料的质量变化 由表4 可以看出， 当聚灰比分别为2 、 6 、 8 时， 质量 损失率分别为一 0 5 4 、 0 1 1 、 一 0 2 6 ，均符合标准规定的质 量损失 率 2 的 指标要求。 表 5 自然养护与冻融处理后密封材料试块的 强度和动弹性模量变化 聚 灰 比 苎 兰 竺 ， 自然养 冻融处理 损失率 护 M P a 后 MP a， 抗折强度变化 动弹性 MP a M P a 慧 a 护 | 后 f|u I NE W B UI L DI NG MAT R I AL 5 8 5 加 4 2 8 6 加 M m ： 2 铊 铝 吣 眩 强 鲫 2 6 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 黄宝玉， 等： 一种新型屋顶保温绿化植物卷材的研究 萌发生长， 使其应用受到极大的限制。因此， 如何突破植物卷 材结构构造限制， 满足城市建 筑绿化对轻质、 隔 热保温、 节水、 低荷载、 低管护、 高防水、 生态环保产品的需求， 还需要大量的 研究突破。 6 结语 ( 1 ) 随着其温度调节层厚度的增加， 综合植物的株高、 盖 度和种群密度来看， 具有3 层温度调节层的植物长势最好， 而 植物作为植 物卷材最重要的 有机载体， 其影响 到卷材的绿化 和景观效果，其在不同卷材结构和基质情况下的生长特性还 有待进一步研究。 ( 2 ) 该植物卷材能在一定程度上起到保温的作用， 除8 月 份的日均温度( 略高于T 1 ) 和3月份最大月温差( T 2略大 于T 1 ) 随温度调节层厚度的 增加呈现完全相同的趋势外， 其 余的都表现出相同的保温效果趋势： C K T 1 T 2 T 3 。综合来 看， 温度调节层厚度为1 5 m m时效果最好。 ( 3 ) 实验中主要研究了植物卷材结构中的温度调节层在 不同厚度下对植株生长以及屋面温度的影响，而温度调节层 与其它卷材结构之间的相互偶联关系还有待研究。 参考文献： 【 1 1 陶莉 草地式屋顶绿化的应用现状与发展【 J 】 计量与测试技术， 2 0 0 9， 3 6( 3 )： 8 7 88 【 2 】 鲁敏 ， 王 菲， 杨盼盼 城 市生态绿地 建设 的理 论基础和 途径探 索 fJ 汕 东建筑 大学学报 ， 2 0 1 1 ， 2 6( 4 ) ： 3 6 9 3 7 4 【 3 】 F e n g C ， Me n g Q L， Z h a n g Y F T h e o r e t i c a l a n d e x p e r i me n t al a n a l y s i s o f t h e e n e r g y b ala n c e o f e x t e n s i v e g r e e n r o o f s J E n e r g y a n d B u i l d i n g s ， 2 01 0， 4 2( 6 )： 9 5 9 -9 6 5 4 】 G e t t e r K L ， R o w e D B rr I l e r o l e o f e x t e n s i v e gre e n r o o f s i n S U S t a i n a b l e d e v e l o p me n t J Ho r t S c i e n c e ， 2 0 0 6 ， 4 1 ( 5 ) ： 1 2 7 6 1 2 8 5 5 】 J i m C Y， P e n g L L HS u b s t r a t e mo i s t u r e e f f e c t o n w a t e r h al- a n c e a n d t h e r ma l r e g i me o f t r o p i c a l e x t e n s i v e g r e e n r oof J 1 E - c o l o gi e al E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 2 ， 4 7 ： 9 - 2 3 【 6 徐 峰， 封蕾 ， 郭子一 屋顶花 园设计与施工 M】 北京 ： 北京化 学出 版社， 2 0 0 6 ： 8 0 8 2 【 7 】 李树一 营造屋顶生态环境f J 】 国土绿化， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 5 6 8 】 杰瑞 哈勃 ， 大卫 史蒂芬 屋顶 花园阳台与露天设计 M 北京 ： 中 国建筑工业出版 社， 2 0 0 5 A ( 上接第 8 7页) 能跨越裂纹并防止裂缝扩展； 同时部分聚合物填充在砂浆内 的孔隙中， 不仅减小了孔隙尺寸， 同时也切断了孔隙与外界的 通道， 使空隙大多呈互不连通的 状态存在， 从而 起到桥接、 粘 结、 填充空隙、 加强界面结合及防止裂缝扩展的作用。 以 上3 种材料的加入不仅提高了 混凝土H I C 用密封材 料浆体的致密性， 同时提高了其内部晶体间的作用力， 有利于 提高混凝土H I C 用密封材料的耐久性( 抗冻性性能、 抗硫酸 盐侵蚀性能、 碳化性能、 耐辐照性能 及渗 透性能) 。 4 结论 ( 1 ) 聚灰比为2 、 6 、 8 时， 混凝土H I C 用密封材料的 抗冻性能及抗硫酸盐侵蚀性能均符合 1 氐 、 中水平放射性废物 高整体容器混凝土容器 标准要求， 且在聚灰比为6 时， 其抗冻性能及抗硫酸盐侵蚀性能较为稳定。 ( 2 ) 聚灰比为6 的 混凝土H I C 用密封材料的碳化性能、 耐辐照性能 及渗透性能均符合(低、 中 水平放射性废物高整体 容器混凝土容器 标准要求。 辐照对密封材料外观及水化 产物结构均无明显影响。 ( 3 ) 混凝土H I C用密封材料的渗水性( 2 0 M P a ， h = 1 0 m m ， ) 及氮气渗透性( K v = 0 3 4 x 1 0 。 m 2 s ) 极低， 且均符合 低、 中水平 放射性废物高整体容器一 混凝土容暑 标准要求( 渗水： 1 6 M P a ， 1 0 m m 、 氮气渗透性： K v 5 0 x l 0 m g s ) 要求。 (4 ) 混 凝土H I C 用密封材料浆体中 适量的 聚羧酸减水剂 的 加入， 能够降低浆体自由 水含量， 减小孔隙尺寸； 膨胀剂的 加入促进了 水泥水化产物钙矾石晶体A f f 的生长， 填充了 胶 凝材料的微孔洞和缝隙； 同时环氧乳液固化后形成有机、 无机 互穿网络结构， 填充了胶凝材料的空隙和裂纹， 故混凝土 H I C 用密封材料中加入以上3 种外加剂能够减小孔隙尺寸、 减少 连通孔隙的数量及微裂纹的产生， 提高密封材料的密实度， 从 而提高密封材料的抗渗水性及抗氮气渗透性。 参考文献： 【 1 】 裴勇， 潘跃龙， 高整体容器在我 国放射 性废弃物管理中的应用分 析叨 核动力工程， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 3 ) ： 1 1 - 1 3 【 2 罗上庚谈谈高整体容器啊 核安全， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 9 - 1 0 【 3 李清海， 王菲菲， 李清原， 等 混凝土高整体容器 ( H I C ) 用密封材 料力学性能研究 J 】 新型建筑材料， 2 0 1 3 ( 1 O ) ： 7 7 7 9 A N E W B Ul L DI NG MAT E R I AL 5 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m