含重金屬元素污泥混凝土材料防輻射性能影響因素和最佳制備方案探討

田彬杉

摘 要

在一些工廠（如電鍍廠、冶金廠、化工廠等）產生的廢水或廢渣中，往往含有超標的重金屬元素，如鉛、鋅、鎳、鎘等。由于這類重金屬元素對常見射線（如β、γ射線）屏蔽的能力較強，故本文將這類工業廢渣加入到混凝土中，并制備成防輻射的混凝土材料，通過實驗室對該類混凝土樣品進行屏蔽檢測，最終得出含污泥參量、焙燒溫度和焙燒時間對該種混凝土材料放射性屏蔽性能影響較大，并優選出制備對常見γ射線屏蔽效果最好的含污泥混凝土配比。本文探討的含污泥混凝土不僅可以為需要射線屏蔽的區域提供屏蔽材料，也為解決某些工業廢水或廢渣對環境污染的問題提供一種解決思路。

關鍵詞

含污泥混凝土;屏蔽性能;正交設計;衰減;放射性屏蔽

中圖分類號： X703;TU528 ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 84

Abstract

In the waste water or slag produced by some factories （such as electroplating factory， metallurgical factory， chemical factory， etc.），it often containing excessive heavy metal elements， such as lead， zinc， nickel， cadmium and so on.Because this kind of heavy metal element has strong ability to shield common rays （such as β， γ rays），in this paper， we added this kind of industrial waste to concrete and make it into radiation proof concrete material， and we conduct shielding test on such concrete samples in the laboratory. Finally， it is concluded that the proportion of sludge， baking temperature and baking time have great influence on the radiation shielding performance of this kind of concrete material， and through analysis， we optimized the best manufacturing conditions of sludge concrete with the best shielding effect on common γ- ray. In this paper， the sludge concrete， we discussed， can not only provide shielding materials for areas requiring radiation shielding， but also provide a solution to the problem of environmental pollution caused by some industrial wastewater or waste residue.

Key words

Sludge concrete; Shielding performance; Orthogonal design; Attenuation; Radioactive shielding

0 引言

在一些工廠（如電鍍廠、冶金廠、化工廠等）產生的廢水或廢渣中，往往含有多種重金屬元素，如Zn、Ba、Cr等，其中的一些些金屬元素含量往往超過5.0g/cm3而不能隨意排放。一旦這類污泥殘渣中的重金屬元素進入生物圈，將會對動植物造成極大的影響。將含有重金屬元素的工業污泥按一定比例加入混凝土配方中，制備成特殊的混凝土材料，不僅可以為需要射線屏蔽的區域提供屏蔽材料[1]，也為解決某些工業廢水或廢渣對環境污染的問題提供一種解決思路。

根據射線的防護原理和屏蔽機制可知，重金屬元素對常見的射線具有較好的屏蔽能力，通常材料對γ射線的屏蔽能力作為評價防輻射材料屏蔽核輻射能力強弱的一項指標。當單一能量的γ射線穿過物體時，有一部分γ射線會被物質所吸收，而穿過物體的γ射線會有一定的衰減[2]，我們用衰減系數來表征不同物質吸收射線能力的強弱，其衰減公式為：

μ=[ln（I0/I）]/x（1）

式中，I0為空測時γ能譜儀測量出的計數率;I為通過厚度為x（cm）的物質后γ射線照射量率;μ為衰減系數，Cm-1。

由公式（1）可以看出，線衰減系數越大，γ射線探測到的穿過物質的γ射線的計數率越小，那么線衰減系數的大小就代表了樣品屏蔽γ射線性能的優越程度。

1 測試與分析

實驗設計測試點分別為樣品的中心點、距中心2mm和4mm處的圓環上均布的6個測點，共計13個測量點。實驗時，放射源發出的γ射線由設計的測點穿過含污泥混凝土樣品，再由用多道γ能譜儀測量出γ射線穿過每一個測量點的計數率。本次所用放射源類型為射線能量0.662MeV的137Cs放射源。

測量樣品與樣品上各測點布置與實驗模型如下圖1所示。

在制備樣品時，主要考慮了污泥摻量、焙燒溫度、焙燒時間、預燒溫度、升溫速率、冷卻制度這6各因素對混凝土防輻射能力大小的影響[1]，我們設置每個影響因素各有5個水平（即每個因素下選的變化數值）。制備得的樣品化學組分分析如下表1：

在測量結束后，將多道γ能譜儀記錄的光電凈峰面積求取平均值以后，根據公式（1），計算出各樣片的衰減系數的平均值及其方差，得到表2所示的測量結果。

同時為了比選出最優的制備方案，同時還要考慮試驗的簡潔性和經濟性，本文采用正交實驗設計[3-6]（簡稱正交設計）對試驗所得的線衰減系數與線衰減系數的標準差進行分析，對每個影響因素每個水平的數據進行處理，得到在不同影響因素影響下衰減系數的25種組合，正交分析結果如下表3與表4所示。

2 結論

本文中對含污泥混凝土材料進行γ射線屏蔽性能測試，試驗測試數據經正交分析，得出對含污泥混凝土材料放射性屏蔽性能影響較大的因素有污泥參量、焙燒溫度和焙燒時間，預燒溫度、升溫速率和冷卻制度對其性能影響較小。

參考文獻

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