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

当产生低水平放射性废物时，必须将其锁定在一种在数千年内都不会碎裂、开裂或泄漏有害物质的固体形式中。实现这一目标最常用的方法之一是将废物与水泥混合，制造出一种将危险物质包裹在内的固体块。这种被称为“固化”的过程，依赖于水泥硬化成一种耐用的基质。然而，水泥在干燥并与水发生反应时，具有天然的收缩倾向。如果这种收缩得不到抑制，材料就会产生裂缝。对于放射性废物容器而言，即使是一个微小的、肉眼不可见的裂缝也是一次失败，因为它为水分进入并携带放射性颗粒流出到环境中创造了路径。工程师们早已知道，向水泥中添加沙子有助于防止这种收缩和开裂，但对于许多类型的废物，混合物会被保持为光滑的浆体或细砂浆，而不添加粗石子。这项研究提出了一个关键问题：如果我们不能使用沙子，能否简单地添加其他细粉末，使水泥足够坚固，从而在不产生裂缝的情况下生存下来？

FNC科技股份有限公司和韩国原子能研究研究院的研究人员通过设计十种不同的水泥混合物来测试这个想法，这些混合物旨在储存放射性废物。他们专注于两种不与水泥发生化学反应、但常被添加以改变其性质的特定类型细粉末：超细石英（本质上是非常细的沙子）和磁铁矿（一种常用于辐射屏蔽的重铁矿物）。他们还在一些混合物中加入了标准沙子，以观察其与这些细粉末的对比情况。目标是看哪些混合物能够满足严格的安全标准：它们需要足够强壮以承受压力，能够抵抗水分渗透，并且最重要的是，在干燥并经历极端温度变化后，必须完全保持无可见裂缝的状态。

团队利用仅含水泥、仅含细粉末以及将粉末与标准沙子结合的混合物创建了实验样本。他们在每个块体中加入了一小 amount 的钴粉，作为安全替代品来模拟放射性钴-60，从而测试水泥对材料的束缚能力。在让这些块体养护28天后，他们对其进行了一系列严苛的测试。块体被干燥，然后经历了三十次从极冷到极热的温度循环，最后在水中浸泡了90天。在整个过程中，研究人员密切观察是否有任何裂缝迹象，并在每个阶段测量了块体的强度。

结果揭示了强度与安全性之间令人惊讶的脱节。仅含有超细石英的混合物表现出了最强的强度，在28天后达到了46.3兆帕的抗压强度。尽管该石英混合物的含水量更高且内部似乎有更多微小孔隙，但这仍显著高于纯水泥块的强度。研究人员发现，石英颗粒起到了物理填充的作用，在不产生新化学键的情况下帮助水泥结构形成得更加紧密。然而，尽管拥有这种令人印象深刻的强度，该仅含石英的块体却未能通过一项关键测试：它在干燥后的第一天或第二天就出现了可见的裂缝。仅含磁铁矿的块体也出现了裂缝，尽管速度不如石英快。相比之下，纯水泥块在初始干燥阶段保持无裂缝，但在经历温度循环和水浸后最终产生了裂缝。

当在混合物中加入标准沙子时，情况发生了彻底的变化。每一个含有沙子的块体都保持了完美的光滑且无可见裂缝，即使在干燥、极端温度循环和长时间浸水之后也是如此。这些含沙块体保持了极高的强度水平，远高于3.44兆帕的最低要求，并且没有表现出结构失效的迹象。研究人员观察到，沙粒就像一个骨架，物理性地固定住水泥浆，防止其因收缩而导致自身撕裂。这种物理约束在防止开裂方面比单纯依靠细粉末的化学或物理特性要有效得多。

或许最具有启发性的发现与内部放射性物质的安全性有关。研究人员测量了钴从块体中渗漏出的量，持续时间为五天。所有混合物（包括那些已经开裂的混合物）都极好地锁住了钴，泄漏率远低于安全限值。这意味着，即使是开裂的块体，在这次特定的测试中在捕捉放射性物质方面在技术上也是合格的。然而，研究结论指出，仅仅依赖这种高泄漏抗性或高强度是危险的。一个块体可以在实验室测试中表现出高强度和无泄漏，但如果它有可见的裂缝，在现实世界中仍可能失败，因为这些裂缝代表了结构完整性的丧失，可能导致在不同条件下发生失效。

这项研究最终证明，虽然像石英和磁铁矿这样的细矿物粉末可以使水泥变得非常坚固，但它们无法取代沙子在防止开裂方面的作用。细粉末改善了水泥的内部结构，但它们无法阻止材料在干燥和冷却过程中发生收缩和破裂。添加标准沙子提供了必要的物理约束，使块体保持完整。对于放射性废物的安全处置，研究人员发现，一种混合物不仅必须具备高强度和抗泄漏性，还必须在物理上保持完整。他们确定的最可靠的解决方案是包含细集料，以确保废物形态保持为一个单一的、坚固的整体，能够承受环境压力，而不会产生可能导致释放的路径。