Effects of inactive mineral fillers and fine aggregate on the strength and crack resistance of cementitious immobilization matrices

Quando vengono generati rifiuti radioattivi a bassa attività, devono essere sigillati in una forma solida che non si sgretoli, non si crepi e non perda sostanze nocive per migliaia di anni. Uno dei modi più comuni per farlo è mescolare i rifiuti con il cemento, creando un blocco solido che intrappola il materiale pericoloso all'interno. Questo processo, noto come immobilizzazione, si basa sul fatto che il cemento indurisca in una matrice durevole. Tuttavia, il cemento ha una tendenza naturale a restringersi mentre si asciuga e reagisce con l'acqua. Se questo restringimento non viene contrastato, il materiale sviluppa crepe. Per un contenitore di rifiuti radioattivi, anche una minuscola crepa invisibile rappresenta un fallimento, perché crea un percorso per l'ingresso dell'acqua e il trasporto di particelle radioattive nell'ambiente. Gli ingegneri sanno da tempo che l'aggiunta di sabbia al cemento aiuta a prevenire questo restringimento e la formazione di crepe, ma per molti tipi di rifiuti, la miscela viene mantenuta come una pasta liscia o una malta fine senza pietre grossolane. Questo studio si è posto una domanda critica: se non possiamo usare la sabbia, possiamo semplicemente aggiungere altre polveri fini per rendere il cemento abbastanza resistente da sopravvivere senza creparsi?

I ricercatori della FNC Technology Co., Ltd. e del Korea Atomic Energy Research Institute si sono posti l'obiettivo di testare questa idea creando dieci diverse miscele di cemento progettate per contenere rifiuti radioattivi. Si sono concentrati su due tipi specifici di polveri fini che non reagiscono chimicamente con il cemento ma che vengono spesso aggiunte per modificarne le proprietà: il quarzo ultrafine, che è essenzialmente sabbia molto fine, e la magnetite, un pesante minerale di ferro spesso utilizzato per la schermatura dalle radiazioni. Hanno incluso anche sabbia standard in alcune miscele per vedere come si confrontasse con queste polveri fini. L'obiettivo era vedere quali miscele potessero soddisfare rigorosi standard di sicurezza: dovevano essere abbastanza forti da resistere alla pressione, resistere alla infiltrazione d'acqua e, cosa più importante, rimanere completamente prive di crepe visibili dopo l'asciugatura e aver sopportato estremi cambiamenti di temperatura.

Il team ha creato miscele utilizzando solo cemento, miscele con solo le polveri fini e miscele che combinavano le polveri con la sabbia standard. Hanno aggiunto una piccola quantità di polvere di cobalto in ogni blocco per fungere da sostituto sicuro del cobalto-60 radioattivo, permettendo loro di testare quanto bene il cemento trattenesse il materiale. Dopo aver lasciato stagionare i blocchi per 28 giorni, li hanno sottoposti a una serie di test severi. I blocchi sono stati asciugati, poi sottoposti a cicli di temperatura che variavano dal gelo al caldo intenso per trenta volte e, infine, immersi in acqua per 90 giorni. Durante questo processo, i ricercatori hanno osservato attentamente ogni segno di crepe e hanno misurato la resistenza dei blocchi in ogni fase.

I risultati hanno rivelato un sorprendente distacco tra resistenza e sicurezza. La miscela contenente solo quarzo ultrafine si è rivelata la più resistente di tutte, raggiungendo una resistenza alla compressione di 46,3 megapascal dopo 28 giorni. Questa era significativamente superiore alla resistenza del blocco di cemento puro, nonostante la miscela di quarzo avesse un contenuto d'acqua più elevato e sembrasse avere più piccoli fori al suo interno. I ricercatori hanno scoperto che le particelle di quarzo agivano come un riempitivo fisico, aiutando la struttura del cemento a formarsi più densamente senza creare nuovi legami chimici. Tuttavia, nonostante questa impressionante resistenza, il blocco di solo quarzo ha fallito un test cruciale: ha sviluppato crepe visibili entro un giorno o due dall'asciugatura. Anche il blocco di sola magnetite si è crepato, sebbene non così rapidamente del quarzo. Al contrario, il blocco di cemento puro è rimasto privo di crepe durante l'asciugatura iniziale, ma ha finito per sviluppare crepe dopo i cicli di temperatura e l'immersione in acqua.

La storia è cambiata completamente quando è stata aggiunta la sabbia standard alle miscele. Ogni singolo blocco che conteneva sabbia è rimasto perfettamente liscio e privo di crepe visibili, anche dopo l'asciugatura, i cicli di temperatura estrema e la lunga immersione in acqua. Questi blocchi contenenti sabbia hanno mantenuto alti livelli di resistenza, ben al di sopra del requisito minimo di 3,44 megapascal, e non hanno mostrato segni di cedimento strutturale. I ricercatori hanno osservato che le particelle di sabbia agivano come uno scheletro, trattenendo fisicamente la pasta di cemento al suo posto e impedendo al materiale di restringersi abbastanza da lacerarsi da solo. Questo vincolo fisico è stato molto più efficace nel prevenire le crepe rispetto alle proprietà chimiche o fisiche delle sole polveri fini.

Forse il dato più rivelatore riguardava la sicurezza del materiale radioattivo all'interno. I ricercatori hanno misurato quanto cobalto fosse fuoriuscito dai blocchi in cinque giorni. Tutte le miscele, comprese quelle che si erano crepate, hanno trattenuto il cobalto estremamente bene, con tassi di perdita molto al di sotto del limite di sicurezza. Ciò significa che anche i blocchi crepati erano tecnicamente validi nel trattenere il materiale radioattivo durante questo specifico test. Tuttavia, lo studio ha concluso che fare affidamento solo su questa alta resistenza alla perdita o sull'alta resistenza è pericoloso. Un blocco può essere forte e privo di perdite in un test di laboratorio, ma può comunque fallire nel mondo reale se presenta crepe visibili, perché quelle crepe rappresentano una perdita di integrità strutturale che potrebbe portare al cedimento in condizioni diverse.

Lo studio ha infine dimostrato che, sebbene le polveri minerali fini come il quarzo e la magnetite possano rendere il cemento molto resistente, non possono sostituire il ruolo della sabbia nel prevenire le crepe. Le polveri fini hanno migliorato la struttura interna del cemento, ma non sono riuscite a impedire al materiale di restringersi e rompersi durante l'asciugatura e il raffreddamento. L'aggiunta di sabbia standard ha fornito il necessario vincolo fisico per mantenere intatti i blocchi. Per lo smaltimento sicuro dei rifiuti radioattivi, i ricercatori hanno scoperto che una miscela non deve solo essere forte e resistente alle perdite, ma deve anche essere fisicamente integra. La soluzione più affidabile identificata è stata quella di includere un aggregato fine, garantendo che la forma di scarto rimanga un pezzo unico e solido, capace di resistere agli stress dell'ambiente senza sviluppare i percorsi che potrebbero portare a un rilascio.