Радиохимия, 2019, т. 61, N 6, c. 529-532

529

Влияние состава компаунда на его прочностные свойства

при цементировании отработанных масел

^а ПО «Маяк», 456780, Озерск Челябинской обл., пр. Ленина, д. 31, *е-mail: cpl@po-mayak.ru

^б Озерский технологический институт НИЯУ МИФИ, 456783, Озерск Челябинской обл., пр. Победы, д. 48;

**е-mail: oti@mephi.ru

^в Дальневосточный федеральный университет, 690090, Владивосток, ул. Суханова, д. 8;

***е-mail: tananaev.ig@dvfu.ru

Получена 12.07.2019, после доработки 09.09.2019, принята к публикации 10.09.2019

УДК 665.66

Произведено отверждение адсорбированного поглотителем масла в цементную матрицу с различны-

ми значениями водоцементного отношения (далее - ВЦО). Опытным путем определены значения проч-

ности образцов компаундов на сжатие. Выявлена линейная обратно пропорциональная зависимость

механических свойств маслосодержащих компаундов от доли масла в компаунде и типа поглотителя.

Оптимальное значение ВЦО для включения масла составляет 0.4. С увеличением ВЦО наблюдается

ухудшение прочностных свойств компаунда до 40% в зависимости от типа поглотителя. Тип поглотите-

ля влияет на прочность компаунда, в частности оксид магния способствует упрочнению матрицы, а ок-

сид кремния вызывает снижение ее прочности. Расчетным путем определено предельное значение доли

масла в компаунде, позволяющее получить компаунд удовлетворительной прочности.

Ключевые слова: иммобилизация, цементирование, органические жидкие радиоактивные отходы,

масло, водоцементное отношение, поглотитель.

DOI: 10.1134/S0033831119060157

Важнейшим направлением развития современ-

повторного использования продукта (особенно при

ной фундаментально-ориентированной радиохимии

его низкой товарной стоимости).

является разработка и практическое внедрение тех-

Одним из возможных методов переработки ОЖ-

нологий переработки и утилизации радиоактивных

РО является иммобилизация (отверждение) в матри-

отходов (РАО), в том числе выступающих в качест-

цы различных типов. Основной недостаток методов

ве «ядерного наследия». В литературе уделяется

прямого отверждения заключается в низкой степени

особое внимание поиску новых методов фракциони-

включения органической составляющей. Поэтому

рования высокоактивных отходов (ВАО), перера-

на практике для снижения объема получаемых твер-

ботки накопленных отходов от осадительных техно-

дых отходов прибегают к различным технологиче-

логий и созданию новых матричных композиций.

ским приемам, позволяющим повысить долю ОЖ-

Однако остается малоизученной важная область

РО в матрице. Весьма перспективным представляет-

обращения с органическими и органо-неоргани-

ся двухстадийный процесс, предполагающий пред-

ческими гетерогенными отходами (ОЖРО), вклю-

варительное (перед отверждением) связывание от-

чающими в себя битумные композиции, отработав-

ходов материалом-поглотителем и последующее

шие на производстве растворы экстрагентов в орга-

отверждение поглотителя с адсорбированными от-

нических разбавителях, вакуумные и технические

ходами в матричный материал [1]. Предлагаемый

масла, нефтепродукты. Специфика составов данной

подход позволяет получить однородный монолит-

категории отходов обусловливает невозможность

ный компаунд, обладающий высокой механической,

использования в полной мере существующих мето-

химической, иммерсионной и радиационной стой-

дов переработки за счет наличия органических ком-

костью [2, 3]. Кроме того, предварительное связыва-

понентов.

ние отходов поглотителем препятствует расслоению

системы в процессе твердения, что позволяет суще-

Разделяют два подхода в обращении с ОЖРО:

ственно повысить степень наполнения компаунда

очистку с последующим повторным использовани-

отходами. Перспективность указанного подхода

ем продукта и переработку, предполагающую безо-

подтверждена многолетними исследованиями в ука-

пасное уничтожение отходов. В большинстве случа-

занной области.

ев прямая переработка является более целесообраз-

ным подходом, так как позволяет сократить расхо-

В качестве поглотителей возможно использова-

ды на получение кондиционного, пригодного для

ние различных пористых материалов, как природ-

530

Т. С. Волкова и др.

ных, так и синтетических, обладающих высокой

полностью адсорбировано материалом, т.е. свобод-

поглощающей способностью (далее - ПС) по отно-

ная фаза масла отсутствовала.

шению к отходам. Ранее [4] была выявлена линей-

В качестве матричного материала использовали

ная зависимость величины удельного поглощения

смесь, состоящую из портландцемента марки 400

масла материалом-поглотителем от его удельной

(94.7%), бентонита (5%) и суперпластификатора

поверхности. Таким образом, величина удельной

С-3 (0.3%). ВЦО варьировали в диапазоне от 0.40

поверхности может быть предварительным крите-

до 0.50 с шагом 0.05. После смешения всех компо-

рием пригодности материала для связывания отхо-

нентов и добавления воды цементное тесто переме-

дов. Однако с технологической точки зрения пер-

шивали до получения однородной массы, затем

спективность использования материала в качестве

вводили материал с сорбированным маслом. Полу-

поглотителя ОЖРО обусловливается совместимо-

ченную смесь тщательно перемешивали и оставля-

стью его с матрицей, поскольку поглотитель должен

ли твердеть в форме. Формы с образцами выдержи-

равномерно распределяться в матрице, не оказывать

вали в эксикаторе в воздушно-влажной атмосфере

отрицательного влияния на ее физико-химические

при 20 ± 5°С в течение 28 сут.

свойства, в том числе механическую прочность, ко-

После полного затвердевания образца определя-

торая строго нормируется [5].

ли наличие и массу несвязанного масла на поверх-

ВЦО является важным параметром, от значения

ности. После извлечения образца из формы опреде-

которого напрямую зависит прочность компаунда:

ляли его массу и геометрические размеры для рас-

чем меньше ВЦО, тем прочнее компаунд. Цемент

чета доли масла, локализованного в компаунде, и

реагирует лишь с четвертью массы воды от своей

плотности компаунда, г/см³. Объемную долю мас-

собственной массы, поэтому теоретически для гид-

ла в образце (ω, %) вычисляли по формуле

ратации достаточно ВЦО = 0.25. Однако у такого

композита слишком низкая пластичность, поэтому

ω = [(m₀ - m_изб)/М_обр](ρ_обр/ρ_м)·100%,

(1)

на практике используются ВЦО в диапазоне от 0.3

до 0.75. Избыточная вода, не вступившая в химиче-

где m₀ - масса масла, внесенного в матричный мате-

риал, г; m_изб - масса несвязанного масла на поверх-

скую реакцию с цементом, остается в бетоне в виде

водяных пор и капилляров или испаряется, оставляя

ности образца, г; М_обр - масса образца, г; ρ_обр и ρ_м -

воздушные поры, которые ослабляют матрицу. Та-

плотности образца и масла соответственно, г/см³.

ким образом, чем больше будет воды в цементной

Необходимо отметить, что при использовании в

смеси, тем больше будет пористость и меньше

качестве поглотителя MgO масло на поверхности

прочность матрицы.

образца наблюдалось лишь при отверждении смеси

В настоящей работе проанализировано влияние

с соотношением М : П = 3.5 г/г при включении бо-

состава маслосодержащих образцов цементных

лее 32 об% масла. Доля несвязанного масла (не

компаундов (степени включения ОЖРО, ВЦО и ти-

включенного в компаунд) составляла не более 5.5%

па поглотителя) на их прочностные свойства.

от внесенной массы. В случае применения аэросила

масло на поверхности образца наблюдалось при

включении в компаунд выше 16 об% масла, доля

Экспериментальная часть

его не превышала 6.0% от внесенной массы.

В качестве ОЖРО использовали реальные РАО

Прочность образцов на сжатие определяли на

химико-металлургического производства - отрабо-

гидравлическом прессе со скоростью перемещения

танное вакуумное масло марки ВМ-4 (далее - мас-

активного захвата 10 мм/мин (скорость деформации

ло). В качестве поглотителей масла рассмотрены

составляла 0.008 с^-1) согласно ГОСТ [6]. Количест-

оксид магния, полученный электролизом расплава

во параллельно тестируемых образцов составляло

карналлита (Михайловский завод химических ре-

не менее 4.

активов, Екатеринбург), и аэросил, представляю-

щий собой высокодисперсный диоксид кремния

Результаты и обсуждение

SiO₂ (Реахим, Среднеуральск). Высокая ПС указан-

ных материалов (4.0 и 12.5 г/г соответственно) бы-

По приведенной выше методике проведено от-

ла подтверждена ранее [1, 4].

верждение поглотителей с адсорбированным мас-

Отверждение отработанного масла проводили

лом в цементную матрицу. Определена прочность

следующим образом. На основании величины ПС

полученных маслосодержащих компаундов на сжа-

материала готовили его смесь с маслом с опреде-

тие. По полученным данным построены графики

ленным массовым соотношением (М : П), которую

зависимостей прочности компаунда от объемной

выдерживали на воздухе не менее 1 сут. Следует

доли масла в нем (с учетом ВЦО и соотношения

подчеркнуть, что в получаемой смеси масло было

М : П), которые представлены на рис. 1 и 2.

Влияние состава компаунда на его прочностные свойства при цементировании отработанных масел

531

Уравнения линий тренда, отражающих зависимость прочности (у) маслосодержащего компаунда в зависимости от

объемной доли масла в компаунде (х)

Соотношение

Достоверность аппрок-

Допустимая^а доля масла в

Поглотитель

ВЦО

Уравнение линии тренда

М : П, г/г

симации (R²)

компаунде, об%

0.40

y = -4.0221x + 192.11

0.9935

35.3

3.0

0.45

y = -2.6387x + 129.55

0.9989

30.1

0.50

y = -2.6282x + 118.06

0.9951

25.9

Оксид магния

0.40

y = -3.7724x + 177.29

0.9950

33.7

3.5

0.45

y = -1.5488x + 96.214

0.9999

29.8

0.50

y = -2.0513x + 95.974

0.9987

22.4

0.40

y = -4.0032x + 128.65

0.9960

19.6

10.0

0.45

y = -3.4368x + 111.16

0.9918

17.8

0.50

y = -3.7075x + 106.35

0.9962

15.2

Аэросил

0.40

y = -5.9698x + 168.40

0.9980

19.8

12.0

0.45

y = -5.8251x + 160.43

0.9841

19.0

0.50

y = -4.8952x + 131.16

0.9964

16.6

^а Для обеспечения прочности компаунда на сжатие не менее 50 кг/см².

Как видно из рис. 1 и 2, наблюдается линейная

мость прочности маслосодержащего компаунда от

зависимость прочности маслосодержащего компа-

объемной доли масла в компаунде и типа исполь-

унда от объемной доли содержащегося в нем мас-

зуемого поглотителя масла, приведены в таблице.

ла. Уравнения линий тренда, отражающих зависи-

Полученные уравнения прямых характеризуются

отрицательным угловым коэффициентом. Это оз-

начает, что прочностные свойства маслосодержа-

щего компаунда обратно пропорциональны коли-

честву включенных в компаунд органических от-

ходов.

Из рис. 1 следует, что при более низком значе-

нии соотношения М : П (что соответствует более

высокой доле поглотителя в компаунде) получае-

мые компаунды характеризовались более высоким

значением прочности на сжатие (на 10-15% при

одинаковой доле масла в нем и ВЦО матричного

материала). Зависимость, представленная на рис. 2,

наоборот, свидетельствует о понижении прочности

Рис. 1. Влияние объемной доли отходов в компаунде на проч-

образцов компаунда на сжатие на 10-20 % при уве-

ность маслосодержащих компаундов с MgO. М : П (г/г), ВЦО

соответственно: 1 - 3.5, 0.40; 2 - 3.5, 0.50; 3 - 3.0, 0.45; 4 - 3.5,

личении доли в нем аэросила, связывающего мас-

0.45; 5 - 3.0, 0.40; 6 - 3.0, 0.50.

ло. Более высокие значения прочности образцов

получены при более высоком значении соотноше-

ния М : П. Это позволяет заключить, что аэросил в

отличие от MgO не способствует упрочнению ком-

паунда.

Более существенным параметром, влияющим на

изменение прочности компаунда, являлось значе-

ние ВЦО. При увеличении последнего с 0.40 до

0.50 наблюдалось уменьшение прочности компаун-

да на сжатие примерно на 20 и 40% при использо-

вании в качестве поглотителя аэросила и MgO со-

ответственно.

Согласно нормативным требованиям [5], предъ-

являемым к цементированным РАО, механическая

Рис. 2. Влияние объемной доли отходов в компаунде на проч-

прочность (предел прочности при сжатии) цемент-

ность маслосодержащих компаундов с аэросилом. М : П (г/г),

ВЦО соответственно: 1 - 10.0, 0.40; 2 - 10.0, 0.50; 3 - 12.0,

ных компаундов после 28 сут твердения должна

0.45; 4 - 10.0, 0.45; 5 - 12.0, 0.40; 6 - 12.0, 0.50.

быть не менее 50 кг/см². С использованием уравне-

532

Т. С. Волкова и др.

ний прямых, приведенных в таблице, можно рас-

Работа выполнена при финансовой поддержке

считать максимальные значения объемной доли

РФФИ (код проекта 19-03-00119 А).

масла в компаунде, соответствующей предельному

значению механической прочности (50 кг/см²). По-

Список литературы

лученные значения также приведены в таблице.

Из таблицы следует, что предварительное свя-

[1] Слюнчев О. М., Козлов П. В., Иванов И. А. Патент RU

2437178. Опубл. 20.12.2011 // БИ. 2011. N 35.

зывание масла оксидом магния позволит получить

[2] Волкова Т. С., Тананаев И. Г. // Радиохимия. 2017. Т. 59, N

компаунды с максимальной долей масла 35.3 об%,

5. С. 466-469.

при этом получаемые компаунды будут обладать

[3] Волкова Т. С., Тананаев И. Г., Волков В. С., Слюн-

приемлемой прочностью на сжатие (выше

чев О. М. // Радиохимия. 2013. Т. 55, N 4. С. 374-377.

50 кг/см²). Это может быть достигнуто при значе-

[4] Волкова Т. С., Тананаев И. Г. // Вопр. радиац. безопасно-

нии соотношения М : П = 3.0 г/г и ВЦО = 0.40. Ко-

сти. 2015. N 1. С. 29-36.

[5] ГОСТ Р 51883-2002: Отходы радиоактивные цементиро-

эффициент увеличения объема отходов в данном

ванные. Общие технические требования. Введ.

случае составит 2.8. При использовании в качестве

01.01.2003. М.: Изд-во стандартов, 2002. 7 с.

поглотителя аэросила максимально возможная до-

[6] ГОСТ 310.4-81: Цементы. Методы определения предела

ля масла в компаунде составляет 19.8%, коэффици-

прочности при изгибе и сжатии. Введ. 07.01.1983. М.:

ент увеличения объема отходов - 5.1.

Изд-во стандартов, 2003. 11 с.