技术摘要：
本发明公开混凝土防护涂层抵抗铯离子渗透效果测试与表征方法，包括：A.准备两个混凝土圆饼试块；B.在一个试块的侧面和上表面或下表面涂覆防护涂层，并按涂层的要求养护；另一个试块不做任何处理置于同样环境条件；C.采用混凝土铯离子渗透装置开展铯离子加速渗透试验；D  全部
背景技术：
核电站在运营过程中，混凝土结构会受到各种放射性核素污染，包括核燃料元件 表面粘带的微量核材料经中子辐照后形成的裂变产物、超铀元素事故工况下燃料元件发生 泄漏导致的放射性核素通过冷却剂沾污形成的表面污染、正常运行和事故工况下放射性工 艺系统正常排放或事故排放的污染物。这些污染物渗入混凝土表层后形成带放混凝土层， 在核电站退役过程中需将其单独切割处理，从而形成大量低中放废物，增加了核电站退役 过程中混凝土废弃物的处置难度。 研究表明，在混凝土表面涂覆一层致密性的防护涂层可有效阻隔渗透性介质向混 凝土内部的渗入。因此，新建核电站正在探索在混凝土表面涂覆水泥基渗透结晶型材料、涂 料等防护涂层来降低放射性核素在混凝土表层的渗透深度，但混凝土表面涂覆防护涂层后 对放射性核素渗入抵抗效果的表征方法尚处于缺失状态，无法为防护涂层的选型提供定量 化的依据。 单从放射性核素在混凝土中的渗透试验方法来看，相关研究甚少，目前了解到的 方法主要是以核电站典型放射性核素137Cs为侵入介质，采用自然扩散法，通过渗透样品中 的放射性活度来评判渗透深度。但该方法的137Cs为放射性介质，试验环境要求苛刻、普适性 差，且自然扩散试验周期长(需渗透1～2年)、效率低。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于提供一种混凝土防护涂层抵抗铯离子渗透效果 的测试与表征方法，从而便于核电站对面临含铯污染物渗透的混凝土结构的防护涂层的比 选。 其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。 一种混凝土防护涂层抵抗铯离子渗透效果测试与表征方法，包括以下步骤： A、成型Φ100×200mm的圆柱体混凝土试块，养护至28d龄期后，从同一圆柱体混凝 土试块中切割出2个圆饼状试块；所述圆饼状试块厚度为50±2mm； B、在其中一个圆饼状试块的侧面和上下表面中的一个表面涂覆防护涂层，并按涂 层的要求养护；另一个试块不做任何处理放置于同样的环境条件下； C、将两个混凝土试块(指圆饼状试块)在饱和NaCl溶液中真空饱水24h后，分别放 入混凝土铯离子加速扩散装置，进行铯离子渗透试验；其中涂覆防护涂层的试块应使铯离 子从带涂层的表面向未带涂层的表面加速渗透； D、将渗透完的试块烘干后，采用高精度分层粉磨设备，以0.02～0.5mm每层的厚度 从带涂层的表面开始进行分层粉磨； 4 CN 111551481 A 说　明　书 2/7 页 E、对分层粉磨得到的所有粉末样品采用X射线荧光光谱仪或质谱仪测试铯离子含 量(以质量分数表示)。 F、分析涂覆防护涂层的试块和不做任何处理的试块表层混凝土铯离子含量随深 度变化，按铯离子的最大渗透深度差异或相同深度铯离子含量的衰减情况对防护涂层抵抗 铯离子渗透效果进行表征。 混凝土抵抗铯离子渗透效果试验，需要从同一个试样中切出2个试样进行效果对 比。一个不做任何处理作为基准试样，一个需要圆饼状试块的侧面和上下表面中的一个表 面涂覆防护涂层，保证铯离子从一个表面穿过涂层和混凝土孔隙往另一个表面扩散，而不 会从侧面渗入。两个试样应置于同样环境条件下，以保证不会因为混凝土自身水化程度的 差异而影响试验结果。 关于分层粉磨精度要求的说明： 本测试方法中对于分层粉磨的精度要求比较高，主要是由于铯的原子序数较高， 铯离子比常见的氯离子的尺寸大，使其在混凝土孔隙中的固有渗透能力减小，加上涂覆防 护涂层后，对铯离子起到了阻隔作用，渗透深度更低。因此分层粉磨精度要求在每层0.02mm ～0.5mm的范围内，明显高于常规的每层1mm的精度要求。 根据前期不同强度等级铯离子扩散试验经验，铯的渗透深度随着混凝土强度等级 增加而降低，因而每层的粉磨厚度也应相应降低。当混凝土的强度等级低于C50时，建议按 0.5mm一层进行分层粉磨；当混凝土的强度等级在C50～C70范围内时，建议按0.1mm一层进 行分层粉磨；当混凝土强度等级高于C70时，建议按0.02mm一层进行分层粉磨，0.02mm的分 层粉磨精度对于混凝土之类的水泥基材料来说相当之高，需要开发配套的高精度专用立式 磨削设备。 关于分层粉磨样品中铯离子含量测试的说明： 铯离子在混凝土中的渗透量相对较少，因此需要采用较高精度的元素含量分析设 备。当混凝土强度等级较低时，可采用X射线荧光分析仪对样品中的铯元素含量进行分析； 当混凝土强度等级较高时，应采用测试精度达到ppm(mg/kg)级的质谱仪对铯元素含量进行 分析。 关于防护涂层抵抗铯离子渗透效果表征方法的说明： 防护涂层抵抗铯离子渗透效果表征方法可以采用以下两种方式表征。 一种是通过对比未做处理的试块与涂覆防护涂层的试块在铯离子加速渗透试验 后，最大渗透深度的差异表征。即涂覆防护涂层后试块的铯离子最大渗透深度降低值与未 做任何处理试块的铯离子渗透深度的最大渗透深度的比值。最大渗透深度是指分层粉磨的 样品中第一次无法检测到铯元素的样品所在层之前的总层数与分层粉磨厚度的乘积。防护 涂层抵抗铯离子渗透系数σ1的具体计算公式如式(1)所示： 式中：σ1为防护涂层抵抗铯离子渗透系数，ht为涂覆涂层的混凝土试块铯离子最大 渗透深度，hb为不做任何处理混凝土试块铯离子的最大渗透深度。 该指标可以为核电混凝土涂覆防护涂层后退役阶段混凝土表面实际需要切除的 受放射性核素污染的混凝土厚度的减小情况提供参考。 5 CN 111551481 A 说　明　书 3/7 页 另一种是通过分析混凝土试块相同深度范围内，涂覆防护涂层后，各层粉磨样品 铯离子含量总和的衰减值。统计的目标深度值取涂覆防护涂层的混凝土试块的铯离子最大 渗透深度。防护涂层抵抗铯离子系数σ2的具体计算公式如式(2)所示： 式中：σ2为防护涂层抵抗铯离子渗透系数，n为涂覆涂层的混凝土试块铯离子最大 渗透深度处对应的分层粉磨层数，mi为涂覆涂层的混凝土试块第i层粉磨样品中铯离子含 量，Mi为不做任何处理混凝土试块第i层粉磨样品中铯离子含量。 该指标反应了混凝土涂覆防护涂层后，混凝土中铯离子实际渗入量的减小情况。 作为本技术方案的进一步改进，用于渗透深度测试的混凝土铯离子加速扩散装 置，包括阳极溶液池、阴极溶液池、试块装载区、阴极棒、阳极棒、可调直流电源、有机硅胶 套。试块侧边通过密封有机硅胶套使阴极溶液池与阳极溶液池隔离。具体来说，所述混凝土 铯离子加速扩散装置包括相互连通的第一腔室和第二腔室，经一安放在两者连通处的所述 圆饼状试块的阻隔和渗透，所述第一腔室和第二腔室被分隔为相对独立的阳极溶液池和阴 极溶液池，所述阳极溶液池内安放有阳极棒，所述阴极溶液池内安放有阴极棒，所述阳极棒 和阴极棒与直流电源相连。 进一步，形成所述阳极溶液池的阳极溶液池壳体具有一法兰式开口端，以其为第 一开口法兰；形成所述阴极溶液池的阴极溶液池壳体也具有一相对的法兰式开口端，以其 为第二开口法兰；所述圆饼状试块夹放在所述第一开口法兰与所述第二开口法兰的法兰面 间，并经连接所述第一开口法兰和第二开口法兰的连接螺栓所紧固。 还作为本技术方案的进一步改进，涂覆防护涂层的混凝土试块的铯离子加速渗透 试验，包括以下步骤： A、将混凝土试块装入铯离子加速扩散装置中，混凝土试块的安装方向保证带防护 涂层的表面与阳极溶液接触，未带防护涂层的表面与阴极溶液接触； B、在阳极溶液池中装满0.2mol/L的CsCl溶液，在阴极溶液池中加入0.2mol/L的 NaCl溶液，将阴极棒和阳极棒分别插入阴阳极溶液池中，并将阳极棒连接电源的正极、阴极 棒连接电源的负极；使铯离子在电流作用下，从带涂层的表面通过涂层和混凝土中的孔隙 加速向混凝土内部渗透； C、打开直流电源，将电压调整至(30～90)V，持续24h； D、将试块取出，去除表面涂层后用于后续分层粉磨。 关于混凝土试块进行加速试验前的预处理工作： 混凝土试块(圆饼状试块)在进行铯离子加速渗透试验前，应在饱和NaCl溶液中充 分保水，使混凝土内部孔溶液中充满Na 和Cl-，在通电后不会发生Cl-迁移，并最大限度减小 Na 迁移造成的影响，从而最大限度提高铯的渗透效率。 关于通电电压选择的说明： 铯离子在自然扩散条件下在混凝土中的渗透深度是极低的，设置直流电源通电就 是为了加速铯离子在混凝土内部的渗透速率。通电电压的选择与混凝土自身的密实度有 关，混凝土越密实，铯离子向内部渗透的难度越大，因而需要加大电压来增加渗透深度。对 于强度等级较低的混凝土取30V，对于中等强度等级的混凝土取60V，对于强度等级较高的 6 CN 111551481 A 说　明　书 4/7 页 混凝土取90V。需要注意的是强度等级较低的混凝土试块不能选择过高的电压，以防铯离子 完全穿透混凝土影响后续防护涂层抵抗铯离子系数的计算。 用于配制CsCl阳极溶液的CsCl试剂中的铯元素需采用铯的非放射性稳定同位 素133Cs，以便于在常规试验条件下进行防护涂层抵抗铯离子侵蚀效果表征。 本发明是基于铯的非放射性同位素133Cs的加速渗透试验方法，结合高精度分层粉 磨技术，通过渗透样品中铯的质量浓度评判渗透深度。在此基础上，可在常规试验室条件 下，短时间内批量化对比涂覆不同防护涂层后Cs元素渗透深度和渗透量，研究不同防护涂 层抵抗铯离子渗透的效果，为新建核电站防护涂层的选型提供试验依据。 本发明首次采用电迁移加速扩散的方法对混凝土及带有涂层的混凝土抵抗大原 子序数阳离子渗透的能力进行测试和表征，除了为核电工程混凝土结构防核素污染效果评 价提供技术支撑外，也为海工混凝土、盐湖地区混凝土结构抵抗侵蚀性阳离子渗透以及防 护涂层对抵抗侵蚀性阳离子渗透防护效果的研究也提供了新的思路。 附图说明 图1为混凝土铯离子加速扩散装置示意图； 图中：1——阳极溶液注液口   2——阴极溶液注液口   3——阳极棒   4——阳极 溶液   5——阴极棒   6——阴极溶液   7——止水片   8——对拉螺栓   9——混凝土试块   10——直流电源   11——阳极溶液池壳体   12——阴极溶液池壳体