富含重金属工业渣泥制备防辐射混凝土用集料的焙烧机理及其服役特性

The treatment ratio of rich heavy metal content industry sludge is very low, and brings serious environment problem. The study presents the technical method of using this sludge to produce radiation shielding aggregate, replacing natural mineral aggregate to prepare radiation shielding concrete, saluting the problem of heavy metal sludge pollution, reducing the exploitation of natural high density mineral, protecting environment, and resolving segregation problem by high density mineral in concrete. According to the study of roasting mechanism, the influence rules between physic-chemical properties of heavy metal, burning system, material composition and component, structure, properties of aggregate can be revealed. Establishing the relationship between composition, structure, properties of aggregate and its physic-chemical properties, shielding properties. Uncovering the attenuating principle of high-energy radiation's transmission in aggregate. Investigating the thermodynamics and dynamics in solid phase reaction, as well as lixiviate characteristic of heavy metals in service condition, to provide theoretical foundation for physic-chemical properties and shielding properties matching design and preparation of radiation shielding aggregate. Reaching the relationship between gradation, pore structure, water absorption-release rate of aggregate and internal structure relative humidity, volume stability of concrete. Proposing the design method of radiation shielding concrete with good homogeneous, anti-cracking, perdurable properties, which was prepared by radiation shielding aggregate. The achievements will provide technology support for utilizing rich heavy metal content industrial sludge, and formulating high performance radiation shielding concrete.

针对工业排放的富含重金属渣泥处置率低、污染环境等问题，提出将其烧制成防辐射人工集料，替代天然矿石制备防辐射混凝土的技术思路。有效解决重金属污染问题，减少天然高密度矿石开采，保护自然环境；并解决天然高密度矿石配制防辐射混凝土易分层离析的问题。通过对集料焙烧机理的研究，探明重金属的物理化学性质、烧成制度、生料组成对集料组成、结构、性能的影响规律，建立防辐射集料组成、结构与物理力学性能、屏蔽性能之间的关系，揭示高能射线在集料传输过程中的衰减机理；探讨焙烧过程中的固相反应热、动力学，以及重金属在服役环境下的浸出迁移特性，为防辐射集料物理力学性能和屏蔽性能匹配设计与制备提供依据；研究防辐射集料的级配、孔结构、吸水-释水率与混凝土内部相对湿度及体积稳定性的关系，提出基于防辐射集料的匀质、抗裂、耐久的防辐射混凝土设计方法，研究成果可为富含重金属渣泥资源化利用和高性能防辐射混凝土的制备提供技术支撑。

含有重金属的渣泥对环境具有危害性，目前缺乏有效的处置办法。重金属元素对高能射线具有优良的屏蔽性能，将该污泥烧制成集料，并利用其制备防辐射混凝土，既可以解决天然高密度矿石防辐射混凝土的匀质性不良导致的射线屏蔽薄弱区域及收缩变形不一致开裂问题；又可以消纳含重金属的工业污泥，变废为宝，减少天然矿石的开采，具有重要的环境保护意义。. 本项目以富含重金属渣泥（钡渣、铜渣、电镀工业污泥、钢铁废水污泥、城市废水污泥）为主要原材料，以粉煤灰、页岩等为校正原料，研究了重金属的种类、含量以及生料的化学组成、烧成制度对防辐射功能集料的物理力学性能和射线屏蔽性能的影响规律，取得了以下的研究成果：. 探明了富含重金属渣泥制备防辐射功能集料的焙烧机理，揭示了集料的矿物组成、结构与性能间的关系，钡渣集料的主要矿物为钡长石、莫来石和石英；Zn、Cr电镀污泥集料的主要矿物为石英、铁尖晶石、铬锌尖晶石及正方铬铁矿；钢铁废水污泥集料的主要矿物为石英、ZnCr2O4、Al6Si2O13；铜渣集料的主要矿物为石英、镁铁矿、赤铁矿、辉石矿、钙长石等；随着重金属渣泥掺量的增加，高温液相量增大，粘度降低，含重金属矿物相增多，表观密度和强度先增大后降低，其屏蔽性能提高；焙烧气氛对含有变价金属集料的矿物组成和力学性能略有影响，但对射线屏蔽性能影响较小。. 确定了利用含Cr、Zn电镀工业渣泥烧制防辐射功能集料的生产工艺，并试生产出防辐射功能集料，其筒压强度＞10MPa，体积密度为2.3~2.9g/cm3，线性衰弱系数为0.21~0.26cm-1，其重金属离子的浸出特性符合国家标准GB5080.3-2007《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》要求。. 提出利用烧制的防辐射功能集料制备防辐射混凝土的配合比设计方法，建立了防辐射混凝土的组成、孔结构与屏蔽性能关系模型，利用烧制的功能集料制备的可泵送C30防辐射混凝土，对0.662Mev的γ射线的线性衰减系数为0.169cm-1，与重晶石混凝土屏蔽性能相当（μ=0.174cm-1）。. 发表论文10篇，其中SCI收录1篇，EI收录3篇，申请专利6项，授权3项。