水泥是一种常用的建筑材料, 根据文献报道, 我国2005年水泥产量10.6亿吨, 此后每年都有增长, 2009年产量达到了16.5亿吨, 2010年产量预计将超过18亿吨^[1]。如果国民经济发展不出现大的波动, 国家的宏观经济政策不出现大的调整, 初步判定2015年全国水泥需求量约为(20.4±0.3)亿吨, 在"十二五"期间水泥产销将会持续、快速增长^[2]。

生产水泥的主要原料有石灰石、粘土、矿渣、金属渣、石膏等, 由于这些原材料或多或少都含有天然放射性核素, 因此生产出的水泥具有放射性^[3]。水泥质量的好坏将会对人们的居家生活造成重要的影响。我国发布了《民用建筑工程室内环境污染控制规范》(GB 50325-2010)、《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566 -2001)等国家标准对水泥中的放射性水平进行了限制^[4]。近年来, 大量固体废料和尾矿被用于水泥生产, 矿渣的最大掺入量达到了40%^[5]。这样虽然加强了废物利用, 有一定的经济和环境效益, 但也有可能致使水泥中放射性核素含量增加, 造成居室内放射性水平过高, 影响人们的健康。因此本工作通过测定分析常用水泥中的放射性核素²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的含量, 计算了这些水泥的内、外照射系数, 并利用欧盟委员会推荐的方法对这些水泥的安全性进行了评估, 从而引导建筑部门及公众科学选材, 预防放射性的污染。

1 材料与方法

我们在北京地区收集了9种常用的水泥样品, 表 1列出了这些水泥样品的具体信息。将收集到的水泥在70℃下烘干, 然后研磨成粉末, 过60目筛, 装入测量盒, 密封放置一段时间后测量各个样品的γ能谱。所用的仪器为MCA2500低本底多道γ能谱仪(美国PGT公司), NaI (Tl)探头, 测量时间为10 h。

用SPAN/WinNaI软件对所得到的γ能谱进行分析, 给出各个水泥样品中²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的比活度以及内照射指数(I_Ra)和外照射指数(I_γ)。软件所用的解谱方法为最小二乘法, 内外照射指数的计算则利用国际标准《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566- 2010)所规定的方法。

2 结果与讨论 2.1 核素含量

图 1是样品2的γ能谱图, 其他样品的γ能谱图都与之类似。在所有的水泥样品中均没有发现人工核素(如¹³⁷Cs)的存在。表 2列出了用WinNaI软件处理得到的各个水泥样品中²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的比活度。目前建材²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K比活度值的世界平均水平分别是50 Bq·kg^-1、50 Bq·kg^-1、500 Bq·kg^-1[6]。我国普通水泥和矿渣水泥²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K比活度值的平均值分别是50 Bq·kg^-1、30 Bq·kg^-1、140 Bq·kg^-1和110 Bq·kg^-1、50 Bq·kg^-1、300 Bq·kg^-1[7]。此次测量的结果与这些平均值基本相符。

水泥放射性的大小一般由其生产原料决定。有些制水泥用的矿渣中放射性核素的含量较高, 如某地的石煤渣中, ²²⁶Ra的含量高达689~3 133 Bq·kg^-1[8]。因此在通常情况下, 矿渣水泥中所含的放射性核素比普通水泥要高, 此次实验中6、7号水泥样品为矿渣水泥, 其中²²⁶Ra和²³²Th的含量明显高于其他水泥样品, 与通常情况相符。粘土是生产水泥的主要原料之一, 含有一定量的钾元素。水泥中⁴⁰K的含量与其生产所用的粘土密切相关, 因此⁴⁰K在各种水泥样品中呈现随机分布的趋势。9号样品为白色硅酸盐水泥, 其中放射性核素含量最少。可能的原因是天然放射系如U系、Th系常与铁矿伴生, 而白水泥是由氧化铁含量少的硅酸盐水泥熟料加入适量石膏制成。白水泥常用于室内墙面的装饰, 含有较少的放射性有利于降低建材的辐射剂量。

2.2 内、外照射指数

内照射指数(I_Ra)和外照射指数(I_γ)主要用于评估建筑材料是否达到辐射安全要求。WinNaI软件计算得到的水泥样品内、外照射指数均列入表 2。与放射性核素分布的趋势类似, 内、外照射指数也呈现出白色硅酸盐水泥＜复合硅酸盐水泥＜普通硅酸盐水泥＜矿渣硅酸盐水泥的趋势。《建筑材料放射性核素限量》(GB 6566-2010)标准规定建筑主体材料中的天然放射性核素²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的放射性比活度应同时满足I_Ra ≤ 1.0和I_γ ≤ 1.0。我国传统建材中的水泥的I_Ra和I_γ分别为0.27和0.38, 其变化因子(即最大值与最小值之比)在2.0到4.0之间波动^[4]。由表 2可以看出, 所测水泥样品的I_Ra在0.16到0.46之间, I_γ在0.16到0.52之间, 均符合国家安全标准。

2.3 ²²⁶Ra当量比活度

各种建筑材料中的²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的分布有很大的差异, 为了能够比较不同类型建材的相对γ放射性, 可以通过计算²²⁶Ra当量比活度来进行比较。²²⁶Ra当量比活度(Ra_eq)见计算公式(1)。

(1)

式中C_Ra、C_Th、C_K分别是²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的比活度, 单位为Bq·kg^-1。这是根据1 Bq的²²⁶Ra和1.43 Bq的²³²Th或0.077 Bq的⁴⁰K产生大致相同的剂量率得来的^[6]。计算得到的²²⁶Ra当量比活度列入表 3。

计算结果表明, 所有水泥样品的Ra_eq均小于370 Bq·kg^-1, 达到了国家所规定的安全标准。Ra_eq的变化规律同样满足白色硅酸盐水泥＜复合硅酸盐水泥＜普通硅酸盐水泥＜矿渣硅酸盐水泥的顺序。

2.4 室内吸收剂量估算

上面所讨论的放射性指数和²²⁶Ra当量比活度适用于在生产和销售中评估建造材料是否满足安全要求。为了在实际的建筑活动中安全地使用这些材料, 还需要建立一个辐照情景来评估这些建筑材料所贡献的吸收剂量。欧洲委员会已经提出的年有效剂量的计算方案(RP 112)如下:混凝土房间尺寸为长4 m宽5 m高2.8 m, 墙的厚度和密度分别为20 cm和2 350 kg·m^-3[9]。整个房间吸收剂量率D (nGy·h^-1)见计算公式(2)。

(2)

其中C_Ra、C_Th和C_K分别是²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的活度。

根据这一计算方案, 为了评估那一房间中由建筑材料提供的γ射线吸收剂量率, 需要减掉来自天然辐射的那部分。1983-1990年期间, 国家环境保护部门在全国开展了环境天然放射性水平调查。根据调查结果统计:我国原野辐射剂量率为2.4~340.8 nGy·h^-1, 按面积和人口加权的均值分别为62.8 nGy·h^-1和62.1 nGy·h^-1[10]。取62.1 nGy·h^-1的作为我国的天然辐射本底值, 计算得到的吸收剂量率D列入表 3。

各种建筑物是人类日常活动的主要场所, 一天24小时中人类大部分时间都是在室内的。因此取室内居住时间取7 000 h·a^-1, 空气中吸收剂量对有效剂量的转换因子取0.7 Sv·Gy^-1[9]。则年有效剂量DE (Sv·a^-1)可用以下公式(3)计算:

(3)

由于白水泥只用于室内装饰, 而不用于建设建筑的主体结构, 因此上述的计算模型并不适用于白水泥, 故没有开展相应的计算。其他水泥样品的计算结果列入表 3。对于一个以建筑水泥为原料的混凝土房间, 欧共体推荐的年平均有效剂量为0.30 mSv·a^-1[6]。根据我们的计算结果, 复合硅酸盐水泥所产生的年平均有效剂量均小于该值, 说明可以安全的使用。但6、7、8号水泥的年有效剂量均大于该推荐值。这就说明, 尽管生产的水泥是符合国家相关的辐射安全标准, 但若在建筑工程中不加限制地使用, 如在某一区域内大量使用放射性核素含量较高的矿渣水泥, 仍然可能造成局部区域的放射性水平较高, 对在此建筑中所生活的人群有构成的辐射安全风险。因此, 在使用水泥(尤其是矿渣类水泥)的过程中一定要避免此种情形的发生。

3 结论

水泥中放射性核素的含量与其生产原料有关, 此次实验的结果表明, ⁴⁰K在各种水泥中随机分布, 而矿渣硅酸盐水泥中含有较多的²²⁶Ra和²³²Th。水泥样品放射性水平的顺序为白色硅酸盐水泥＜复合硅酸盐水泥＜普通硅酸盐水泥＜矿渣硅酸盐水泥。所收集的9种水泥样品都符合国家相关的辐射安全标准。然而室内吸收剂量计算结果表明, 不恰当地使用这些水泥仍然可能造成建筑物内局部区域放射性水平较高, 有潜在的辐射安全风险。因此, 在使用水泥(尤其是矿渣类水泥)的过程中, 一定要避免此种情形的发生。