不同類型水泥產品放射性核素比活度測定及輻照分析

湯寅寅，趙峰 (蘇州市相城檢測股份有限公司，江蘇 蘇州 215131)

1 引言

民用建筑工程室內環境的污染安全問題在近幾年已然成為人們關注的焦點，人們對甲醛、氨、苯系物等污染物有了越來越多地認識，從而采取一系列有效的措施控制其指標，而氡由于其無色無味的特性，常被人們所忽視。在《民用建筑工程室內環境污染控制標準》（GB 50325-2020）中，氡也是室內環境七項污染物控制指標之一[1]。氡元素位于元素周期表中的第86號，是自然界唯一的天然放射性惰性氣體，氡元素本身很難與其他元素發生化學反應，但其自身衰變而產生的放射性射線及其衰變產物對人體健康會產生危害[2]。

室內環境中氡主要來源于兩方面：房屋地基土壤中析出的氡以及建筑裝修材料析出的氡。而氡是鐳、釷等放射性元素蛻變時的產物，所以只要控制好建筑物所使用的主體材料及裝修材料中的鐳-226、釷 -232、鉀 -40，同時控制好土壤氡影響，即可使室內氡濃度符合國家規定要求[1]。水泥作為一種非常重要的建筑主體材料，其主要成分包括粘土、石灰石、石膏、礦渣及粉煤灰等，因此水泥產品也具有放射性。《民用建筑工程室內環境污染控制標準》（GB 50325-2020）中明確規定：民用建筑工程使用的水泥等無機非金屬建筑主體材料，其放射性應符合現行國家標準《建筑材料放射性核素限量》（GB 6566）的規定，即天然放射性核素鐳 -226、釷 -232、鉀 -40的放射性比活度必須同時滿足 IRa≤1.0和Ir≤1.0[3]。

近幾年為保護生態，節約資源，在國家相關政策的引導下，各類產業廢渣材料作為混合材料被摻加至水泥產品中，獲得了一定的經濟效益。但水泥產品中若毫無節制地添加放射性比活度較高的產業廢渣，其產品的放射性指標勢必會增高，以市場上主要銷售的復合硅酸鹽水泥為例，其產品中工業廢渣摻量普遍大于10%，最高可達50%，若不經有效的生產控制，放射性產品會通過“廢渣—建筑材料—建筑物”的渠道接觸人體，對身體健康產生損害，影響人們的健康安全[4]。潘自強[5]多年前曾對我國大陸88份水泥產品進行調研，結果顯示226Ra含量的平均值為50Bq/kg，232Th含量的平均值為 30Bq/kg，40K含量的平均值為140Bq/kg，其中226Ra和232Th的含量較于歐洲水平相對偏高。

本文通過測試不同類型水泥產品的放射性核素比活度，對水泥產品的輻射安全性進行評估分析，從而希望能夠引導大家正確選擇水泥產品，降低因建筑主體材料引起的放射性污染。

2 試驗方法

收集建設工程中常見不同類型的水泥產品共計9種，品牌及廠家見表1。將水泥產品70℃烘干，研磨過篩孔尺寸為0.16mm的篩，裝入標準樣品盒，密封10d后開始測量每種樣品中的226Ra、232Th、40K的放射性比活度，測量時間為5h。測量設備為PGS-6000低本底多道γ能譜儀(配備NaI射線探測器)。

水泥產品類型、品牌及生產廠家 表1

3 結果與分析

3.1 核素比活度及內、外照射指數

9 種水泥樣品的226Ra、232Th、40K的放射性比活度及內、外照射指數見表2。

由表2的數據可以看出，9種不同品牌水泥的內照射指數和外照射指數均符合國家標準的要求：IRa≤1.0，Ir≤1.0。內照射指數和外照射指數呈現的趨勢大致為：礦渣硅酸鹽水泥＞粉煤灰硅酸鹽水泥＞普通硅酸鹽水泥＞復合硅酸鹽水泥＞白色硅酸鹽水泥，其中礦渣硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥的226Ra、232Th、40K含量明顯比其他三種類型的水泥要高。同一水泥品牌廠家生產的不同類型的水泥產品放射性核素有明顯區別：石井牌粉煤灰水泥中的226Ra含量要高于同品牌的普通硅酸鹽水泥，這是因為粉煤灰水泥中添加了含鐳量較高的粉煤灰（摻加量按重量百分比計為20%～40%），可見摻合料的添加對水泥產品的核素含量造成了較大的影響。9號樣品的核素含量在這9種水泥產品中最低，白水泥是以硅酸鈣為主要成分，氧化鐵含量較少的熟料，再添加適量的石膏磨細而制成，而放射性鈾系和釷系一般與鐵礦共生，所以白水泥的核素含量較低。

3.2 鐳當量濃度

由于該試驗中樣品的核素含量分布不均勻，需要引用一個常用的輻射指數來對比評估各種不同類型水泥產品的實際核素水平及相應的輻射危險程度，這個輻射指數通常叫做鐳當量濃度，用Raeq來表示，鐳當量濃度是將建筑材料中232Th和40K均以相當于226Ra含量的數值來表示的放射性指標，計算公式為：Raeq=CRa+1.423CTh+0.088CK[6]。

由建筑主體材料的外照射指數應≤1.0，可以得出鐳當量濃度的限量值應為370 Bq/kg，上述水泥產品的鐳當量濃度換算值見表3。由表3可見，所有水泥產品的鐳當量濃度均小于370 Bq/kg，符合國家要求，且其變化趨勢與內、外照射指數的變化趨勢相同：礦渣硅酸鹽水泥＞粉煤灰硅酸鹽水泥＞普通硅酸鹽水泥＞復合硅酸鹽水泥＞白色硅酸鹽水泥。

3.3 居民年外照射有效劑量實際值D1及居民接受有效劑量E

為更加直觀地評估居民實際使用的房間中，由建筑主體和裝修材料造成的輻射吸收劑量，本文借鑒歐洲委員會采用的輻照模型及計算方案[7]：標準混凝土房間尺寸為4m×5m×2.8m，四周墻壁厚度及密度分別為20cm和2350kg/m3，居民年外照射有效劑量按D（nGy/h）=0.92 CRa+1.1CTh+0.08CK來計算，在此計算數據的基礎上，扣除按我國人口加權的原野天然輻射劑量均值62.1nGy/h[8]，可得到由建筑主體和裝修材料致使居民年外照射有效劑量的實際值，本文以D1（nGy/h）來表示，9種不同類型水泥產品的居民年外照射有效劑量實際值見表3。

根據聯合國原子輻射效應委員會（UNSCEAR）[9]推薦的人類年室內暴露時間為 8760h（24h×365d），居民年外照射有效劑量與居民接受有效劑量E的轉換因子取0.7Sv/Gy，室內居留因子取0.8，那么居民接受有效劑量E按公示E（mSv/y）=D1×0.7×0.8×8760×10-6來計算，結果列入表3。

9種水泥產品的放射性比活度及內外照射指數 表2

9種水泥產品的鐳當量濃度、室內空氣吸收劑量及年吸收劑量 表3

以水泥作為建筑主體材料的建筑物，居民接受有效劑量的控制上限為0.3 mSv/y[10]。由表3數據可以看出，9種產品中，普通硅酸鹽水泥和復合硅酸鹽水泥均符合指標，而礦渣硅酸鹽水泥及粉煤灰硅酸鹽水泥均超標。結合本文3.1章節結論，可以看出，水泥產品的內、外照射指數雖符合國家安全標準，但在建設工程中若不加限制地采用礦渣硅酸鹽水泥或粉煤灰硅酸鹽水泥作為建筑材料，可能會使建筑物的輻照水平提升，從而對居民造成輻照危害。

4 結論

9種不同類型水泥產品的內、外照射指數均符合國家規定，其中礦渣硅酸鹽水泥及粉煤灰硅酸鹽水泥的核素含量遠高于其他類型硅酸鹽水泥，同時這兩種水泥產品的居民接受有效劑量均超出了歐洲會員會的安全推薦值。因此在建設工程中，需謹慎使用放射性含量較高的礦渣及粉煤灰硅酸鹽水泥，否則可能會造成建筑物輻照水平的升高。