水泥在建材工业中占有举足轻重的位置。近年来, 随着工业生产的发展和工业废渣的综合利用, 使得一些掺用工业废渣的建材中天然放射性含量较之传统建材有增高的趋势。湖南为有名的有色金属和铀矿之乡, 调查全省水泥中放射性水平, 评价其辐射安全, 对于保障人民身体健康, 促进建材工业和综合利用的发展非常必要。为此, 我们共采集了全省13个市(州)共100家水泥厂的水泥成品并同时采集了水泥生产中应用较为广泛的工业废渣样品按照国家颁布的《建筑材料放射性核素限量》(GB6566-2001)的规定, 对其中²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的含量进行分析测定, 并依据《基本标准》^[1], 对所致建筑物内辐射剂量的贡献份额作出估算及评价。

1 测量方法

将采集的水泥样和废渣样置于烘箱内100℃下烘干, 研磨混合并筛至80~100目, 然后分别进行²²⁶Ra、⁴⁰K、²³² Th的放射化学分析, 其中²²⁶Ra采用射气闪烁法测定:²³²Th采用N-263萃取, 铀试剂Ⅲ(偶氮砷Ⅲ)比色测定; 40K采用火焰原子吸收分光度法测定K, 再换算成⁴⁰K的活性浓度。三种分析方法总不确定度的满足不得大于±10%~±20%的要求。

2 结果与讨论 2.1 水泥成品测定结果

水泥样品按原料和工艺方法不同分为普通硅酸盐水泥, 矿渣水泥, 火山灰水泥, 彩色水泥等, 标号多为425, 亦有少量325和525号。用A_Ra、A_Th、A_K分别表示²²⁶Ra、³²³Th、⁴⁰K的活度浓度(Bq·kg^-1), 用M_Ra=A_Ra/200和M_γ =M_Ra/350+A_Th/260+A_K/4000分别表示内、外照射指数, 来说明建材对居民内、外照射的相对剂量贡献, 将测定结果列表 1。其中国家标准规定M_Ra和M_r均不得大于1^[2]。

我国传统建材中水泥的M_Ra和M_r分别为0.29和0.38, 其变化因子(最高值与最低值之比), 在2.0~4.0间波动^③。从表 1可知, 全省水泥的MRa为0.33, Mr为0.36。从各地区分析数据来看, M_Ra在0.3以上的市(州)占62%, M_r的上限值为0.67。变化因子按单个核素的水平分析, ATh为4.6, A_k为6.8, 而A_Ra却达到10.0。同时建材的变化因子增大表明, 建材中放射性水平与当地所用的原材料以及天然水平确有密切关系。

世界上苏联、瑞典、西德等国家分布的水泥中比活度浓度(Bq·kg^-1)的平均水平是:A_Ra为41.9(14.9~83.7);A_Th为38.2 (8.5~55.5);A_k为202.7(148.0~336.0)^[3], 我国1986年分布的水平是A_Ra为51.8(33.0~85.6);A_Th为25.9(1.5~59.0);A_k为104.0(22.0~211.30)^[3], 而从表 1最后一横栏中可以看到, 我省水泥中A_Th与国内外水平大致相近, A_k居二者之间, A_Ra则要高于国内、外平均水平。

一般说来, 在建材进行放射卫生评价时, A_Ra的高低是值得关注的。因氡是由²²⁶Ra衰变而来, 而氡及其子体进入人体造成内照射的危害已为人们公认。图 1为湖南省水泥中²²⁶Ra比活度的频数分布; 图 2为全省室内γ辐射空气吸收剂量率频率分布图。经正态概率检验的均基本上遵从正态分布。

表 2中出了两种不同类型建筑物的室内γ辐射水平。经过数据进行统计推断, 在95%置信限上, 两类建筑物内辐射水平间有着明显差异(P < 0.05), 可以认为是由于建材种类所致。同时从表 1和表 2分析, 建筑物内γ空气吸收剂量率随地域的变化梯度不如因建筑材料本身放射性比活度差异的变化大。

2.2 由水泥所致室内γ辐射剂量率的估算

我国住宅楼和宿舍100 m²用料百分比:砖46.5%、水泥5.1%、石灰3.2%、砂34.8%、碎石10.4%^[4]。由于南方、北方气候的传统习俗上存在差别, 各地建筑施工的具体情况有所不同, 这里我们就水泥中核素含量和按其在混合材中占有的比例用量来估算水泥对室内γ辐射水平的贡献份额。选用Krisiuk估算模式作计算基础, 经对门窗墙壁厚等因子校正, 得出水泥对建筑物内辐射剂量如下:

式中X_r为水泥贡献室内γ照射量率(Gy·h^-1)。0.873为照射量率换算为空气吸收量率的系数。

此结果占全省砖瓦类房屋室内γ辐射水平的3.1%。也就是说, 混合材中含5.1%的水泥, 则有3.1%的辐射剂量为水泥贡献。

最后的资料报道, 用土壤中天然放射性核素浓度来说明天然γ辐射水平是适当的, 并将与其建筑材料的天然放射性核素浓度基本一致^[6]。从表 3的数据比较可知, 我省的水泥与土壤、岩石的²²⁶Ra含量较接近, ²³²Th含量亦差别不大, 唯有⁴⁰K含量相差较大。水泥中⁴⁰K含量低于土壤、岩石的原因可能是水泥主要原材料石灰石(GaO含量一般在80%左右)本身⁴⁰K含量不高所致。

2.3 掺用的工业废渣放射性水平

水泥生产掺用较普通的工业废渣有高炉水渣、炉渣、石煤渣和煤矸石等、其²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K比活度和掺与比见表 4。

可见三种常用工业废渣比活度大小排序为A_Ra:石煤、煤矸石>炉渣>水渣; A_Th:炉渣>水渣>石煤、煤矸石; A_k:石煤、煤矸石>炉渣>水渣。

根据表 4中的掺与比例生产, 水泥成品一般不致超过国家标准。但有少数地区建材厂采用的炉渣、石煤渣具有较高的本底水平, 生产中如不加以控制, 则将造成成品水平增高, 对居民带来不必要的附加剂量。这类问题可以通过改变原材料来源, 降低掺与比例等手段使成品符合国家规定的标准。

3 结论

(1) 湖南省水泥中²²⁶Ra含量66.03(27.2~272.2) Bq· kg^-1, ²³²Th含量为39.76(20.02~92.06) Bq·kg^-1, ⁴⁰K含量为126.17(49.28~336.17) Bq·kg^-1。

(2) 通过估算, 水泥对建筑物内γ辐射水平的贡献份额为0.42 ×10^-8 Gy·h^-1, 相当本省砖瓦类房屋内γ辐射水平的3.2%。

(3) 水泥中²²⁶Ra、²³²Th含量与土壤、岩石大致相同, ⁴⁰K含量低于土壤和岩石的含量。

(4) 通过对水渣、炉渣和石煤渣的测定表明, 按目前的掺用比例是可行的。但有的炉渣, 石煤渣比活度较高, 使用中应控制比例, 防止导致成品中放射性含量超标。

(参加本项工作样品分析的有省劳卫所环境放射卫生室全体同志, 并一直得到省建材工业局, 省乡镇企业局大力支持, 一并感谢。)