建筑材料工业在国民经济中的地位十分重要, 其产品用途广泛, 涉及到城市住宅、公共建筑、农田水利、国防工程建设等, 其用量之大, 居所有行业之冠, 其中的天然放射性是人群受到辐射剂量的主要来源, 建材中的放射性水平是出口产品必测的限制指标, 因此, 研究建材中放射性水平是一项重要工作, 对促进我国建材走向国际市场具有重要意义。

山东省是我国建材主要产地, 水泥厂遍布全省所有县市乃至乡镇, 大理石和花岗岩产品为全国之首。此外, 大量工业废渣已用于建材生产^{[1, 2, 3]}, 掌握建材中放射性水平, 以便指导建材生产和使用, 该工作测定了三十多种建设材, 共150多个样品中的²³⁸U、²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的含量, 计算了镭当量。

1 仪器与方法

用美国CANBERRA公司生产的8180-4K Ge(li)γ谱仪与微机联用, 探测器对⁶⁰Co 1.33MeV能峰半宽度为2.00keV, 相对效率为25%, 铅室本底为1.3计数/秒, 测量2×10⁴秒, 用剥谱法进行解谱, 其分析精度读差小于10%。

样品的制备, 样品烤干破碎成40目以下的粒度, 装入MB-1000型剂测杯, 称重、密封20天, 用Ge(Li)γ谱直接进行分析。

对每一种核素, 尽量选用多(n)个有意义的特征峰面积Si计算相应的含量Ai, 并将各特征峰面积比作权重因子Ki, 最后用加权平均的方法确定含量A, 即:

(1)

(2)

用标准源确定定量分析所采用的常数(见表 1)。

2 结果与分析

山东省的建筑材料品种繁多, 分析结果列于表 2, 由于品种和产地的差异, ²³⁸U、²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K四种核素含量也各自不一, 为了便于比较评价, 根据不同抗素的生物效应的贡献, 我们用Krisuk EM等给出的等效公式进行镭当量的计算^[4], 结果也列于表 2。

(3)

式中Ci均为Bq/kg。为保障公众及其后代的健康与安全, 促进建材工业的合理发展, 按国标^[5]要求, 计算了建材中天然放射性核素比活度限制系数f₁、f₂。

(4)

(5)

f₁主要考虑内照射的剂量限制, f₂则主要考虑外照射, 用于建造住房和公共生活用房的建材成品的比活度, 应同时满足上面2个公式。

2.1

水泥。它是最常用的建材之一。能将砖、石子、砂子等粘在一起, 成为一个坚硬的整体, 水泥加水后, 不但能在空气中变硬, 而且还会在潮湿空气及水中继续增长它的强度, 称为水硬性胶凝材料, 其主要成分是CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等, 由于用途和原料配比不同, 形成不同产品, 放射性含量也不同, 除个别样品外, 山东的水泥及其制品中的放射性均不超过国家标准。

2.1.1

硅酸盐水泥(国际上称波特兰水泥), 在世界上用量最大, 其中²³⁸U、²²⁶Ra、²³²Th平均水平较高, 分别为101、99.2、86.4Bq/kg, 钾较低, 镭当量为218Bq/kg。

2.1.2

普通水泥, 以CaO为主, 放射性一般较低, ²³⁸U、²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K分别为51、50、26、104Bq/kg, 镭当量为92Bq/kg, 仅为硅酸盐水泥的一半。

2.1.3

矿渣水泥。为了减少环境污染, 化害为利, 变废为宝, 综合利用工业矿渣, 制成水泥, 但此类物质, 放射性比活度较高, 与硅酸盐水泥差不多, 镭当量为236Bq/kg。

2.1.4

赤泥水泥。该产品是铝矾土冶炼提出铝后的废渣, 比放射性高, 镭当量为216Bq/kg, 比河南的赤泥水泥低一倍。

2.1.5

白水泥, 是放射性含量最低的水泥, 镭当量为70Bq/kg, 仅为硅酸盐水泥的1/3。

2.2 砖瓦

其主要原料为当地泥土, 比活度略高于土壤, 青砖与红砖只是生产工艺有所差别, 放射性比活度差异不大。煤渣砖、煤硷石砖比普通砖高1/3。

2.3

石料。随着社会的发展, 现代化建筑越来越多, 大理石、花岗岩石料花纹奇异, 表面干净明快, 是中高档建筑必需的建材。放射性水平是重要的限制指标。

2.3.1

大理石, 多为石碳岩变质, 主要含CaCO₃、MgCO₃等, 放射性水平较低, 该类岩石构成的地壳, 地表γ辐射率低, 土壤中放射性也低^[8]。镭当量仅7.8Bq/kg, 是理想的装饰材料, 由于含各种盐的比例不一, 颜色花纹也有变化, 如汉白玉, 主要含MgCO₃。

2.3.2

花岗岩石料, 它是由岩浆岩构成, 含放射性较高, ²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K分别平均为82.5、280、1256Bq/kg, 镭当量为543Bq/kg, 如费县产花岗岩石料镭当量为1450Bq/kg, 超过国家标准, 故使用此类石料, 需查看放射性水平数据, 方可确定使用范围。

2.3.3

砂砾。红砂一般为花岗石风化而成, 放射性水平较高, 镭当量平均为572Bq/kg, 红色石料含K较高。适易在外墙皮上使用。青石子、白石子都属于碳酸盐, 放射性水平较低, 镭当量为25Bq/kg, 使用范围较广。

2.4

其他建材。石炭, 多用于内墙, 其放射性水平很低、彩釉, 是釉面砖的重要原料, 含有较多的稀钍元素, 放射性水平很高, ²³⁸U、²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K分别为920, 1100, 1500, 790Bq/kg, 镭当量高达3000Bq/kg, 内外照射限制系数分别为5.5和9.1, 本身不能单独作建材, 由于它的原因, 使釉石砖放射性比活度提高, 镭当量为165Bq/kg, 主要用于厨房、厕所和浴池等, 用它装修的场所比一般房间高1/4 ~1/3。但使用仍然是安全的。

由于产地、种类的不同, 建材中天然放射性核素水平差异较大, 但我省建材的总体水平在世界建筑材料平均水平之内。

3 人群剂量负担的估算

人们住的房子, 四面八方都是建筑材料, 其中的放射性, 从各个方面射入人体, 对此, Krisink和Karpov提出估算室内空气吸收剂量上限的空腔剂量计算公式^[6]。

(6)

式中C为²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的比活度, Bq/kg。与计算镭当量公式一致, 并可改为:

P_4Π(10^-8GY/h)=0.1035C_Ra^e, 累积一年, 为:

P_4Π(10^-5GY/年)=0.9068C_Ra^e

由于门窗的校正系数为0.7, 居住停留因子为0.72, 空气吸收剂量换算为全身吸收剂量系数为0.7, 故全身吸收剂量当量为:

H(10^-5Sv/年)=P_4Π(10^-5GY/年)×0.7×0.72×0.7=0.32C_Ra^e

用此式计算山东省主要建材中天然放射性核素对人体可能造成的外照射吸收剂量当量H, 列于表 3。

4 小结 4.1

山东省的建材品种繁多, 其天然放射性差异较大, 但一般都不超过国家标准, 并与国际平均水平相当。

4.2

锆荧石、彩釉和铝矾土中的放射性高, C_Ra^e分别为21500、3060和877。故要严格控制其参入建材的比例, 以防超出国标, 以此为原料的成品要加强监测。

4.3

花岗岩石料的使用要慎重。此类建材有的放射性超出国家标准。故需对²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K进行测定, 方可用于内装修。

4.4

普通釉面砖装修的浴室等, 剂量率提高1/4以上。

4.5

山东省主要建材对人体的剂量负担, 低于ICRP1991年60号出版物推荐的限制水平^[7]。由建材释放的氡氢子体给人体可能造成的内照射附加剂量当量更加重要, 因此限制高放射性水平的建材用于公众设施建设是必要的。