淺議屏蔽混凝土的低放射性

鄭捷

（上海建工材料工程有限公司，上海 200041）

技術版

淺議屏蔽混凝土的低放射性

鄭捷

（上海建工材料工程有限公司，上海 200041）

通過對中日兩國混凝土組成材料核素含量的比較分析，提出了混凝土低放射化的必要性，并就低放射性混凝土的評價和組成闡述了自己的觀點。建議將混凝土的低放射性問題作為安全性能的評價指標之一，研究制定低放射性混凝土的設計方法，促進混凝土行業整體水平的提高。

屏蔽混凝土；核素；低放射性；放射性比活度；比活度限量

0 前言

當前人們對裝飾材料中的苯、甲醛、揮發性有機化合物等有害物質的污染已較為警覺，但對主體建筑材料混凝土中的輻射性污染的認識尚且不足。2010年由國家質量監督檢驗檢疫總局、國家標準化管理委員會聯合發布的 GB 6566－2010《建筑材料放射性核素限量》分別對核素鐳－226、釷－232、鉀－40 作出了限量規定，事實上混凝土中的放射性核素遠不止這些。

隨著我國核電事業的發展以及醫用加速器的廣泛應用，特別是我國自 2014、2015年開始進入了質子重離子治療裝置建設的高潮期，大體積屏蔽混凝土得到了廣泛的應用。但是用于核電、加速器設施進行屏蔽的混凝土如何降低工作人員因日常工作或維護而遭受輻射導致的危害，如何減少屏蔽混凝土中由熱中子而生成的短壽命核素24Na，以及因感生放射而形成的長壽命核素如152Eu、60Co 等的生成量，此外，對于完成使用壽命即將退役的核電及實驗室設施，如何降低處置費用以及促進混凝土解體后的綜合利用等都是必須面臨的實際問題，混凝土的低放射性問題正是在以上背景下提出的。如今，在低碳、環保、綠色理念的倡導下，低放射性混凝土理應得到應有的重視。

1 混凝土低放射化的必要性

1.1 混凝土原材料中的天然核素

混凝土中的原材料因地質歷史和形成條件的不同，或多或少存在著一些放射性核素，以硅酸鹽水泥生產為例，一般以粘土和石灰石為原料，經高溫煅燒得到以硅酸鈣為主要成分的熟料，再加入 5% 以下的混合材和適量石膏作為緩凝劑磨細而成。原料中還可能摻入硅石以彌補粘土中 SiO2的不足，摻入鐵質材料主要為 Fe2O3用來降低原料的熔點。隨著各種工業廢渣綜合利用的開展，原料中也摻入了一定比例的粉煤灰或礦渣。經過有關部門對 2002～2005年生產的普通硅酸鹽水泥 373個樣品的調查[1]，鐳、釷、鉀核素比活度平均值分別為53.6Bq/kg、28.4Bq/kg、163.6Bq/kg，其中鐳比活度大于 70Bq/kg 的普通硅酸鹽水泥為 37 個，占統計總數的9.9%，鐳比活度超標的樣品為 5 個占 1.3%，最大值達341.5Bq/kg，上述調查結果表明雖然總體上水泥中天然核素比活度平均值尚在標準規定范圍內，但仍有少量水泥品種超出規定值。除了在水泥生產中摻入礦渣和粉煤灰之外，在商品混凝土中作為外摻料也被大量使用，因此在配制低放射性混凝土時對其中的核素限量進行控制是很有必要的。

日本的有關機構對本國生產的各品種水泥及混合材所含放射性核素進行了檢測，其中 Eu 和 Co 的檢測結果見表 1[2]。

表1 水泥及混合材的分析結果 mg/k g

由表 1 分析結果可知，硅酸鹽水泥品種因生產中使用煤作為燃料 Eu 的含量在 0.31～0.81mg/kg 間波動，低熱水泥的 Eu 要低于普通硅酸鹽水泥，也低于混合水泥，顯然混合水泥由于摻加了礦渣或粉煤灰使得 Eu 的含量高于硅酸鹽水泥。核素 Co 含量的離散性較大無規律可循。在混合材中石灰石微粉中的 Eu 和Co 都大大低于其它混合材。在粗骨料方面，通過對核素 Eu 和 Co 含有量的測定發現石灰石骨料的 Eu 含量在 0.01～0.1mg/kg 范圍內，Co 含量在 0.01～1mg/kg之間，可見石灰石配制的混凝土其長壽命核素60Co 及152Eu 的生成量也相應較少。

原材料中存在的微量放射性核素由于其不穩定的原子結構會自發地放射出各種射線，最常見的就是α、β、γ射線，雖然這些射線的穿透能力各不相同，但都將對人體造成不同程度的輻射傷害，不可小覷。

1.2 天然核素的被動激發問題

對于原材料中放射性核素限量的控制不僅僅是為了降低混凝土的放射性從而減少對人體的傷害，同時還在于降低感生放射性所產生的輻射危害。如醫用加速器產生的輻射還與加速器的結構材料以及環境介質如空氣、屏蔽混凝土等有關。通過輻射作用而誘發產生感生放射性更值得我們關注。醫用加速器的基本原理都是利用電磁場使帶電粒子獲得高能量，其中質子束流能量幅度在 50～221MeV，重離子束流能量幅度在 85～430MeV范圍，如此高的能量在質子重離子醫院的治療裝置區域對主屏蔽區都設計成較厚墻體的大體積屏蔽混凝土。如上海市質子重離子醫院整個結構設計的屏蔽墻厚度從1500～3750mm 不等，墻板厚度從 1200～2500mm 不等，而且混凝土內微量放射性核素必須控制在一定限量內，即鈷、銀、銥、銪、釤、鏑、銩等元素含量必須小于 10ppm，防止因感生放射被激發而產生新的輻射源。

1.3 核污染及核廢料處置的需要

2011年 3 月受大地震的影響位于日本福島工業區的東京電力公司核電站發生核泄漏事故。在諸多泄漏的放射物質中最令人關注的是134Cs、137Cs 和131I。從半衰期角度分析，134Cs 的半衰期為 2年，137Cs 為 30年。而131I 的半衰期較短僅為 8 天。通常衰變所產生的產物也是帶有放射性的，這些放射物質通過雨水、土壤、下水道污染環境，為此日本的相關水泥生產企業從 2011年 5 月起必須出具放射能的測定結果，測定對象主要是134Cs、137Cs 和131I。目前對核污染物以及核電站正常運行中產生的核廢料、退役實驗室放射物的處置，根據污染濃度除了深度填埋和中間儲存還未有更好的辦法，而深度填埋或中間儲存裝置都需要既經濟屏蔽效果又好的混凝土，這些屏蔽混凝土設施的年限少則幾十年多則上千年甚至幾萬年，從今后的解體循環利用角度來看，提出混凝土的低放射性絕非一時之策。

2 低放射性混凝土的評價與組成

2.1 低放射性混凝土的評價

質子重離子醫院及核電設施采用的大體積屏蔽混凝土經過長期營運都累積了殘余的放射能，既不利于日常的維護也不利于退役后的處置或循環利用，因此屏蔽混凝土應由低放射性的原材料組成。然而如何評定低放射性混凝土以及與普通混凝土的區別是值得研究的問題。按照國家 2002年 10 月 8 日發布的 GB 18871－2002《電離輻射防護與輻射源安全基本標準》的規定，公眾照射劑量限值不應超過年有效劑量 1mSv。此外，在GB 6566－2010 中規定建筑主體材料中天然放射性核素鐳－226、釷－232、鉀－40 的放射性比活度應同時滿足 IRa≤1.0 和 Iγ≤1.0，其中 IRa為內照射指數，Iγ為外照射指數，并規定了各自的比活度限量和計算方法。由于該標準僅規定了 3 種核素的比活度限量，尚不能涵蓋混凝土主體材料中存在的放射性核素，考慮到在醫用加速器和核電站屏蔽混凝土中長期運行產生的殘余放射能以及感生放射性問題，為此建議適當增加24Na、22Na、3H、60Co、152Eu 的比活度限量，借用 GB 6566－2010 中規定的外照射指數 Iγ計算方法稍作改動和延伸進行量化評價，即上式中 H 為列入量化評價的各核素的放射性比活度與相對應的核素比活度限量值之比的和，Ci 為核素 i 的放射性比活度，Bi 為核素 i 的比活度限量值。與普通混凝土相比，若其和僅是普通混凝土的十分之一或幾十分之一，則可認為該混凝土屬低放射性混凝土。由于人們的居住空間是由混凝土結構和混凝土制品或粘土磚等材料構成的，混凝土中的放射性核素含量必須控制在低放射性范圍內，從而消除或減弱對人體的危害。

2.2 低放射性混凝土的組成

在表 1 中我們發現硅酸鹽各品種水泥的 Eu 含量分布不均，一個重要原因是以煤作為煅燒燃料，在熟料中灰分約占 1.5% 左右，而灰分中 Eu 和 Co 的含量分別在1mg/kg 和 10mg/kg 以上，導致成品水泥中 Eu 和 Co 的含量升高。從工藝上分析若以油或天然氣代為燃料則可減少 Eu 和 Co 的含量。我國水泥行業大部分還以煤為燃料，今后隨著替代能源如垃圾焚燒、舊輪胎等的相繼利用，將逐步減少以上放射性物質的含量。當然利用垃圾焚燒及其它替代能源不可避免會產生其它有害物質，這就有待進一步的研究和改進。從水泥生產原料分析，石灰石是重要原料之一，其成分組成與 Eu 和 Co 的含量高低有關。有研究表明[3]，石灰石成分中的 P2O5和Fe2O3的含量與 Eu 和 Co 的含量高低有一定的相關性，選擇較低含量的 P2O5和 Fe2O3的石灰石有助于降低水泥中的 Eu 和 Co 的含量。從水泥中化合物組成分析，低熱水泥 C3A 的含量較少而 C4AF 的含量較多，說明在水泥原料組成中要注重成分比例的調整有利于減少 Eu和 Co 的含量。由于低熱水泥的水化熱低，若對水泥生產工藝及原料成分作適量調整，用于大體積屏蔽混凝土的配制則可以達到低放射性的目的。

在混凝土骨料方面，粗骨料一般都由巖石經開采、破碎、篩分取得。以地質成因區分可分成火成巖、沉積巖和變質巖。我國在各種巖石的放射性核素調查方面鮮有資料。劉娟紅、包文忠、趙為新等人在《新疆地區骨料資源狀況與產品現狀的調查與分析》一文中通過對新疆地區 27 個礦點資源及 17 個砂石生產企業的調研和取樣，結果表明[4]，27 個礦點資源中有 18 個礦點可用于混凝土骨料，8 個礦點由于內照射指數和外照射指數以及風化嚴重堅固性不合格，不能用于混凝土。可見對巖石資源或砂石礦點的檢測是很有必要的。在河砂資源方面，近年來個別地區在鈾礦開采過程中片面追求經濟效益，忽視開采過程中的“三廢”處理，造成部分地區河砂被放射性污染，因此，加強骨料的放射性核素的檢測，選用低放射性的粗細骨料也是配制低放射性混凝土的重要環節。

3 結語

雖然人們每時每刻都受到來自自然界的放射性核素的輻射，但人體與生俱來的特性能夠抵御這種輕微的輻射入侵。當輻射劑量超出人體能承受的限值時，輕則會使人體感到不適，重則造成人體組織的損傷，直接導致各種疾病的發生，如核素鐳－226 在衰變過程中產生的氡氣被公認為誘發肺癌的主要環境因素。很顯然，從這個意義上講，混凝土的低放射性問題已經大大超出了屏蔽混凝土本身。因此，提倡低放射性不僅僅是關注當下混凝土發展的可持續性，更是著眼于未來綠色、環保、生物多樣性生態環境的建設，為此必須站在新的高度上重新認識混凝土低放射化的重要性，研究制定低放射性混凝土的設計方法，促進混凝土行業整體水平的提高。

[1] 張永貴，于濤，馬振珠，等．我國水泥產品天然放射性核素比活度的調查分析[J]．中國建材科技，2009(6)：1-5．

[2] 田野崎隆雄，三浦太一，齊滕究，等．低放射化コンクリ—ト[C]．コンクリ—ト工學會．コンクリ—ト工學年次論文集.日本東京：コンクリ—ト工學會，2003：18-50．

[3] 田野崎隆雄，一坪幸輝，三浦啓一，等．コンクリ—ト系低放射化材料の開發[C]．コンクリ—ト工學會．コンクリ—ト工學年次論文集．日本東京：コンクリ—ト工學會.2007：84．

[4] 劉娟紅，包文忠，趙為新，等．新疆地區骨料資源狀況與產品現狀的調查與分析[J]．混凝土世界，2013(01)：69．

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鄭捷（1948—），男，高級工程師