铀尾砂固化体物理力学特性及降氡效果的实验研究

摘要

铀尾砂是铀矿石经过固液分离或萃取等一系列复杂工艺后形成的，一般贮存在铀尾矿库中。铀尾矿库中含有的废物量巨大、物质种类多且毒性高，其中近30%的核素为长寿命核素。铀尾砂与重金属元素可通过空气、生物和水等方式迁移和扩散，这些核素将给自然环境带来潜在辐射危害。某铀尾矿库滩面主要通过真空预压法和水泥搅拌桩法进行治理，但上述方法在局部区域无法实施。因此，为了保证该铀尾矿库退役治理的安全性和可靠性，仍需选择添加化学固化剂来进行固化处置。 对于中低放射性废物，目前主要采用水泥固化技术，也取得了较好的效果，但纯水泥固化有增容和经济成本较高等缺陷。本文选用高炉矿渣、粉煤灰、生石灰和水泥共同固化铀尾砂，因为前三种材料与水泥一样在固化过程中可以水化生成胶凝物质和膨胀性水化物，这样可以减少水泥用量，降低工程造价。本文分别将高炉矿渣、生石灰、和粉煤灰三种材料分别与水泥、铀尾砂按照一定质量百分比混合后进行固化研究，对不同配比的铀尾砂固化体的物理性能参数、力学性能参数和降氡效果等进行了较为系统的研究。实验结果得出掺有高炉矿渣的固化效果最佳，具体内容包括： （1）对某铀尾矿库内铀尾砂的理化特性进行了测定，包括：化学组成、物相分析、微观形貌和能谱分析、含水率、粒径分布以及γ剂量率等。通过查阅相关文献，综合分析确定选用高炉矿渣、生石灰和粉煤灰这三种材料作为固化铀尾砂的基料，配合水泥使用。 （2）将三种材料分别与水泥等比例混合后，以15%、20%和25%的掺量掺入铀尾砂中，通过配料、搅拌、装料、振捣、脱模和养护后制备70.7×70.7×70mm、?50×100mm、?50×25mm和150×150×150mm的试样；对掺有三种材料的固化体试样进行了物理参数（包括微观形貌和渗透系数等）、力学参数（抗压强度、抗拉强度和抗剪强度）和降氡效果的实验研究。 （3）与铀尾砂原状砂相比，同种掺量下高炉矿渣试样胶结程度最佳，其次是粉煤灰试样，最差的为生石灰试样；固化后的高炉矿渣2号试样、高炉矿渣3号试样、生石灰3号试样、粉煤灰2号试样和粉煤灰3号试样的渗透系数值比铀尾砂原状砂5.58×10-3cm·s-1和铀尾砂筑坝的现场测定值小，均达到0.136×10-3cm·s-1；高炉矿渣2号试样、高炉矿渣3号试样、粉煤灰2号试样、粉煤灰3号试样和生石灰3号试样均达到退役治理的抗压强度要求，同时同种掺量下试样的抗压强度（抗拉强度和抗剪强度）值从大到小依次为高炉矿渣试样、粉煤灰试样和生石灰试样，而且得出固化体试样的抗压强度值是抗拉强度的8-10倍，是抗剪强度的3-5倍。 （4）本文基于小波理论，对测得的累积氡浓度值进行降噪处理后重新获得氡析出率、氡扩散长度和氡扩散系数值。结果表明：降噪后拟合斜率的相关系数从降噪前的0.90-0.94提高至0.96以上，各试样氡析出率、扩散长度和扩散系数值分别增大0.0002Bq·m-2·s-1、0.06m和0.008×10-6m2·s-1。采用小波理论进行降噪处理可提高氡析出率、扩散长度和扩散系数的准确度，同时为本文铀尾砂固化降氡效果提高说服力。 本研究中取得的相应成果可为铀尾矿库退役治理提供技术参考。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 放射性废物分类

1.2.2 固化技术研究现状

1.3研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第2章 铀尾砂基本性质

2.1 铀尾砂来源

2.2 铀尾砂化学成分

2.2.1 化学组成

2.2.2 物相分析

2.3 微观形貌与能谱分析

2.4 含水率和粒径分布

2.4.1 含水率

2.4.2 粒径分布

2.5γ剂量率

2.6 本章小结

第3章 铀尾砂固化试验

3.1 试验材料选择

3.1.1 高炉矿渣

3.1.2 生石灰

3.1.3 粉煤灰

3.1.4 水泥

3.2 固化实验

3.2.1 固化机理

3.2.2 试样制备

3.3 实验内容

3.3.1 实验仪器

3.3.2 物理参数

3.3.3 渗透系数

3.3.4 力学参数

3.4.5 放射性参数

3.4 本章小结

第4章 固化试验结果与分析

4.1 物理参数

4.1.1 密度

4.1.2 含水率

4.1.3微观形貌

4.1.4 渗透系数

4.2 力学参数

4.2.1 抗压强度

4.2.2 抗拉强度

4.2.3 抗剪强度

4.3 本章小结

第5章 基于小波理论的累积氡浓度值降噪处理与分析

5.1 小波降噪原理

5.1.1 小波降噪基本原理

5.1.2 阈值降噪基本原理

5.2 阈值降噪分析基本步骤

5.2.1 小波函数基选取

5.2.2 分解尺度选择

5.2.3 阈值选取

5.3 处理结果与分析

5.3.1 γ剂量率

5.3.2 降噪前后氡析出测量结果

5.3.3 降噪前后氡析出率

5.3.4 降噪前后扩散长度与扩散系数

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

作者攻读学位期间的科研成果、参与项目和获得的奖项

致谢