钢铁冶炼过程中会产生大量的高炉矿渣，目前综合利用途径主要为生产矿渣微粉和做水泥混合材，以实现改善建筑材料性能和资源循环利用。由于矿渣中含有一定量的放射性核素，综合利用后将导致建筑材料放射水平升高，可能给居民带来额外剂量。但目前针对矿渣基建材辐射影响的研究较少，矿渣综合利用对居民的辐射影响程度及变化尚不明确，难于规范和指导矿渣综合利用于建材的方式和用量。因此，本研究在对矿渣及掺矿渣建材放射性水平调查和研究分析的基础上，估算矿渣综合利用于建材所致的居民剂量，探讨矿渣综合利用于建材的方式和掺加量对居民剂量的影响，为科学地利用矿渣生产建筑材料提供依据。

1 材料与方法 1.1 资料来源与分析

本研究主要通过专业数据库检索正式发表的论文文献获得基础数据资料。

收集统计2005—2016年矿渣产生量、综合利用于建材的相关数据，分析矿渣综合利用方式及其利用量的发展趋势，作为居民集体剂量估算的数据基础。

收集统计不同时期的全国或者各地矿渣及其建筑材料中镭（²²⁶Ra）、钍（²³²Th）和钾（⁴⁰K）等天然放射性核素含量等数据资料，分析数据资料的代表性，剔除重合的数据，确保数据资料具有一定时间长度和地区分布广度，得到矿渣及矿渣水泥中天然放射性核素的平均含量，以此估算矿渣综合利用于建材所致居民的剂量。

1.2 居民剂量估算方法 1.2.1 γ外照射年有效剂量估算

矿渣综合利用途径主要是生产矿渣微粉和矿渣水泥，因此，外照射剂量估算采用混凝土结构房间模型的剂量转换关系^[1]，见式1）。

$ D_{i n}=0.92 C_{R a}+1.1 C_{T h}+0.080 C_{K} $

(1)

式中：D_in为辐射剂量率，nGy/h；C_Ra、C_Th、C_K分别为²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K的放射性活度浓度，Bg/kg。

室内 γ 外照射的年有效剂量H_E外^[2]，由下式计算：

$ H_{E {\text{外}} }=0.7 \times 0.8 \times 8760 \times 10^{-6} \times D_{{in }} $

(2)

式中：H_E外为外照射年有效剂量，mSv/a；D_in为室内 γ 辐射剂量率，nGy/h；系数0.7、0.8、8760 分别为γ射线空气吸收剂量率转换为人体吸收剂量率的转换系数（Sv/Gy）、居住因子和全年的小时数。

1.2.2 内照射剂量估算

室内氡（²²² Rn）射气来源于地层、建材、天然气及水源。其浓度不仅取决于这些材料的含²²⁶ Ra的量、物理性质（如孔隙率、孔隙大小等）、环境条件（温度、湿度、气压等）和时间因素（季节、昼夜），而且决定于室内的通风率。

采用Krisihk等提出的室内建材中²²⁶ Ra的比活度推算平衡当量氡浓度模式^[3]。

$ C^{e}{ }_{R n}=F \cdot C_{R n} $

(3)

$ C_{R n}=\frac{Q \bullet S}{\lambda_{v} \bullet V} \times 3.6 \times 10^{3} $

(4)

式中：C_Rn室内氡浓度，Bq/m³；F为氡子体的平衡因子，取0.485^[4-6]；Q为建材中单位面积上氡的析出率，Bq/（m²·s）；S为室内墙、地板、天花板的表面积，m²；V为房间空间的体积，m³，取S/V = 1.67（房间尺寸6 m× 3 m× 3 m，实际需根据房屋结构特点选取参数计算）；λ_v为室内通风率，可取0.5/h^[6-7]。

建材中氡的析出率与建材中²²⁶ Ra比活度，建材的密度、厚度及材料的性质有关。根据文献^[8]，室内氡的析出率可用下式表示：

$ Q=C_{R a} \cdot \eta \cdot \lambda \cdot d \cdot \rho\left(B q \cdot m^{-2} \cdot s^{-1}\right) $

(5)

式中：C_Ra 为建材中²²⁶ Ra 的放射性活度浓度，Bq/kg；λ 为氡的衰变常数，2.1 × 10⁻⁶/s；d为墙的半厚度，取0.12 m；η 和 ρ 分别为材料的氡释放系数和密度，混凝土分别取10%和2.2 × 10³ kg/m^3[9-10]。

将有关参数代人平衡当量氡浓度公式，则有：

$ C^{e}_{R n}=0.32 C_{R a} $

(6)

根据室内氡子体浓度与内照射年有效剂量转换因子为0.061（mSv/a）/（Bq/m³），则室内氡子体内照射年有效剂量H_内计算公式为：

$ H_{\text{内}} =0.061 C_{R n}^{e}=1.97 \times 10^{-2} C_{R a} $

(7)

1.2.3 普通水泥的辐射照射剂量

根据文献^[11]，水泥的²²⁶ Ra、²³²Th和⁴⁰K比活度分别为50、32和140 Bq/kg，按照上述居民有效剂量估算方法，普通水泥作混凝土原料所致居民年有效剂量为1.2 mSv/a。

1.2.4 掺矿渣建材所致居民附加有效剂量估算

掺矿渣建材所致居民附加年有效剂量为室内γ外照射剂量和内照射剂量之和，然后减去普通水泥作混凝土原料所致居民年有效剂量H₀，见公式8）。

$ H_{E {\text{附}} }=\left(H_{E{\text{外}} }+{H}_{ {E}{\text{内}} }\right)-{H}_{0} $

(8)

新增居民附加集体剂量估算见式9），假设房屋使用寿命为50 年，n 为每年新增矿渣建材所建居室的居民数。

$ \triangle {H}_{{n}}={H}_{E {\text{附}}} \cdot {n} \cdot 50 $

(9)

式中：△H_n为居民附加集体剂量，（人·Sv）；H_E附为居民附加年有效剂量，mSv/a；n 为新增居民数量，人；50，房屋使用寿命假设为50 年。

2 结　果 2.1 矿渣产生与综合利用

伴随着经济发展与技术进步，矿渣产生量和用于建材的量均逐年增长，见表1^[12-14]。2013年前，矿渣产生量每年以10%左右的速度增长，之后产生量则略有下降；而矿渣综合利用于建材的量则逐年增加，利用率由60%提高到80%左右。由此可见，矿渣基建材的产量越来越大，使用也愈发广泛。

2.2 矿渣及其建材放射性水平

通过分析收集不同时期全国和各地关于矿渣及矿渣水泥的放射性调查研究文献资料，得到全国矿渣及矿渣水泥中天然放射性核素的含量平均水平。见表2和表3。

由表2和表3可知，矿渣中²²⁶Ra和²³²Th的含量相对较高，⁴⁰K含量较低，平均分别为106.4 Bq/kg、147.3 Bq/kg和134.2 Bq/kg；相较于矿渣，矿渣水泥中的放射性核素含量明显降低，分别为²²⁶Ra 70.1 Bq/kg、²³²Th 40.8 Bq/kg和⁴⁰K 162.8 Bq/kg，可能由于水泥生产中添加其他原料的稀释作用所致；矿渣水泥中放射性核素²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的含量平均值低于推荐废渣水泥典型值，但高于普通水泥典型值。

与我国2011—2015年环境天然辐射水平监测结果中的土壤中天然放射性核素活度浓度比较（²³²Th 平均为52～55 Bq/kg，²²⁶Ra平均为37～42 Bq/kg）^[41]，矿渣和矿渣水泥中²²⁶Ra的平均含量相对较高，矿渣中²³²Th的含量相对较高，但矿渣水泥²³²Th的基本与之处于同一水平。

2.3 矿渣综合利用与建材所致居民剂量 2.3.1 居民年附加有效剂量

按照《现代混凝土配合比设计手册》^[42]推荐普通混凝土常用配合比参考C40掺加22%（w/w%）的水泥，以普通水泥作为对照，利用上述居民年附加有效剂量估算模式计算由矿渣综合利用于建材所致居民年附加有效剂量。矿渣用于混凝土掺合料和矿渣水泥所致居民年附加有效剂量见表4。

我国矿渣用于混凝土掺合料和水泥混合材相对普通水泥住房导致公众增加的年有效剂量分别为0.40 mSv·a⁻¹和0.20 mSv·a⁻¹，矿渣直接用于混凝土掺合料所致居民年附加有效剂量要远高于矿渣水泥，这主要由于矿渣可直接大比例用作混凝土掺合料，而在水泥生产中则不允许大比例掺加矿渣，因此，2种综合利用方式所致居民年有效剂量差别较大。与推荐废渣水泥所致的居民年附加有效剂量相比，矿渣直接用于混凝土所致居民有效剂量与其相当，而矿渣水泥所致居民年附加有效剂量远低于推荐废渣水泥。此外，矿渣2种综合利用方式所致居民附加年有效剂量分别约为我国环境中天然辐射照射所致公众人群年均有效剂量（3.1 mSv•a⁻¹，2009年）^[43]的12.9%和6.5%，可见矿渣综合利用于建材所致居民年有效剂量增加较为明显，需要予以重视。

2.3.2 居民集体剂量

根据《建筑施工手册》^[44]中民用建筑工程主要材料消耗参考指标，每平米高层住宅消耗水泥260 kg左右，以此分别计算利用矿渣粉生产混凝土和矿渣水泥可建造住宅面积，进而按照现阶段我国人均居住面积32.9 m²计算入住人口；取房屋居住期为50年，按照居民集体有效剂量计算方法，得到不同年度的集体有效剂量值，见表5。

我国2005—2016年期间，矿渣用于建材所致公众年附加集体剂量和50年集体剂量分别为3.87 × 10³～1.84 × 10⁴人·Sv 和1.94 × 10⁵～9.20 × 10⁵人·Sv。随着矿渣综合利用率的提高，矿渣综合利用于建材所致公众年附加集体剂量和50年附加集体剂量均明显升高，其与矿渣产生量和综合利用量变化趋势一致，在2013年后虽略有下降，但趋于稳定。

3 讨　论

随着经济发展速度调整，矿渣产生量和综合利用于建材的量在快速增长后，虽略有下降但呈现趋于稳定的态势。由于经济发展规模已处于较高的水平，而科技创新水平在不断提高，矿渣产生量和综合利用于建材的量将保持较高水平，尤其是矿渣综合利用于建材的量或将稳中有升。

矿渣和矿渣水泥放射性核素含量高于普通水泥典型值和土壤中天然放射性核素含量，矿渣中²²⁶Ra和²³²Th的含量相对较高；矿渣水泥中的放射性核素²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的含量低于矿渣，因此矿渣综合利用于建材所致居民年有效剂量增加较为明显，同时矿渣的不同利用方式所致居民的附加年有效剂量相差较大。

矿渣产生量和综合利用于建材的量随着经济发展和技术进步而变化的态势，直接影响了矿渣综合利用于建材所致居民年附加集体剂量和50年集体剂量的变化，2者显示出较为一致的变化趋势。由此，矿渣综合利用于建材所致居民附加集体剂量将长期保持当前水平，亦或稳定增加。

调查发现，矿渣综合利用于建材的放射性指标绝大多数低于有关国家标准限值^[45]，所致居民附加有效剂量也属于低剂量照射。低剂量γ射线对人外周血miRNA的表达影响实验显示可使某些miRNA发生显著变化，可能通过参与调控MARK、RAS、P53、RIG-I等信号通路影响细胞增殖、凋亡、DNA损伤修复及免疫调控^[46]；辐射流行病学及临床研究表明，低剂量电离辐射可诱发癌症，以及先天异常、心脑血管疾病、白内障等非癌疾病；亦可激发有益的健康效应^[47]。虽然低剂量辐射造成癌症或遗传病的概率很低，某些矿渣使用也应引起注意，因此，矿渣综合利用于建材使居民附加有效剂量有所增加需予以重视。为减少矿渣综合利用的辐射影响，需要从矿渣的利用途径、利用方式、利用量、矿渣基建材应用途径及使用量等多方面进行综合控制，未来也要加强放射性水平评价、健康风险评价方面的研究，既要做到资源循环利用、发挥最大经济效益，又可兼顾保护居民身心健康。