一种地下工程防氡效果评价方法

罗绍东 邓跃全 董发勤 曲瑞雪 解忠雷

（西南科技大学材料科学与工程学院 绵阳 621010）

一种地下工程防氡效果评价方法

罗绍东 邓跃全 董发勤 曲瑞雪 解忠雷

（西南科技大学材料科学与工程学院 绵阳 621010）

针对地下工程中高湿度条件下测量仪器的工作时间短、防氡效果评价难的问题，提出了一种快速评价方法。在密闭的地下工程试验房中，氡的实测浓度由即时本底理论衰变浓度和未屏蔽部分组成，结合初浓度便可计算出屏蔽率。实验表明，得到的地下工程屏蔽率随时间变化而保持一定的稳定，实测的相对标准偏差为3.95%，可以通过短时间内测得的屏蔽率作为最终屏蔽率，从而实现地下工程特殊条件下的氡防护效果快速测定和评价。在地面实验室采用局部静态法进行了对比实验，得到的氡屏蔽率基本相符。

地下工程，防氡效果，评价方法

氡是一种天然产生的放射性惰性气体，它无色无味，被人体吸入后，作用于支气管及肺泡上皮细胞，可引起各种损伤，特别容易诱发肺癌，世界卫生组织把氡列为使人致癌的19种最主要的物质之一[1-2]。国防和人防地下工程，由于深入地下，氡主要源于岩体、土壤中含有的大量铀、钍等天然放射性核素的衰变，再加之地下密闭性好、通风能力差，其氡浓度一般高达到103Bq·m-3甚至104Bq·m-3，远高于国家标准地下工程要求的 400 Bq·m-3[3-4]，如何防护各类工程中的氡污染已成为一个亟待解决的问题。目前，室内防氡处理方法有通风法、静电法以及涂刷防氡材料等[5-6]。对地下工程而言，采用涂刷防氡材料进行防氡处理是一种比较切实可行的方法，但目前针对地下工程的氡防护效果评价方法没有现行的国家标准或其它行业标准。地面实验室进行氡防护材料的防氡效果评价已有一些报道：山东省医科院放射医学研究所林俊明等[7-8]采用了局部静态法以及密封法，通过测定防氡涂料涂层氡的表面析出率来进行防氡效果的评价；南华大学肖德涛等[9]采用含镭较高的碳化砖作为氡源，将其放入自制的有机玻璃检验箱中并密封，对自制氡源涂刷防氡涂料前后的氡浓度进行了测试，根据前后的测试结果进行防氡效果评价；本课题组开展防氡材料研究，也采用了局部静态法和密封法进行氡屏蔽效果的测定[10-13]。在进行地下工程防氡材料研究，开展地下工程防氡效果试验时，选取了某大型地下工程中的某个房间进行防氡材料应用试验，试验房与整个工程其他空间是连通的，为获得防氡效果的测量，必须要密封试验房，测试其防氡处理前后的氡释放浓度，进而评价其防氡效果。然而地下工程的80%-90%高湿度条件下测量仪器的工作时间短，以美国DURRIDGE公司的RAD7电子氡探测仪为例，其工作时间只有两天左右，两天后仪器干燥剂失效，测试数据大幅波动，不能进行长期准确的测量，难以进行地下工程防氡处理的效果评价。

本文结合氡的衰变符合一级反应的特点，提出了一种地下工程防氡效果的评价方法，该法可结合初浓度，在短时间内测试数据，计算出屏蔽率，进而对防氡效果进行评价，并在地面实验室，通过局部静态法进行对比实验，测定相同防氡处理的屏蔽效果，对该评价方法进行了验证，结果表明，该方法结果准确和切实可行。

1 原理

该防氡效果评价方法的基本原理如下：根据氡的衰变链可以知道，其控制步骤为第一步，222Rn→218Po，其半衰期为3.825d，其余几个衰变的半衰期都较短，其衰变链如图1所示。

图1 222Rn的衰变链Fig.1 Decay series of 222Rn.

又因为放射性元素的衰变规律都遵循化学一级反应，其反应速率表示为：

式中，v代表反应速率；dc为瞬时浓度；dt为反应时间；k为一级反应常数；c为即时浓度。由式(1)积分得：

根据半衰期理论可以得出：

将其k代入式(3)得：

式中，c0代表原始浓度（初浓度）；c为即时本底理论衰变浓度；t为衰变时间。

因此氡的衰变率S为：

又因为氡的半衰期为3.825d，因此氡衰变过程中即时本底理论衰变浓度c与c0、t的关系如式(8)所示：

以累积衰变时间t(单位d)为自变量，对c/c0和衰变率S作得的关系图如图2所示。

图2 c/c0和衰变率S与累积衰变时间的关系Fig.2 Relationship between decay concentration c/c0, decay rate S and cumulative decay time.

当t的单位为h时，式(8)可以转换成式(9)：

由图2可知，随着累积衰变时间的增加，即时本底理论衰变浓度c逐渐降低（初浓度c0保持不变），衰变率逐渐增加，经过2d后，c浓度为c0的69%，经过4d后，为49%左右，而欲使c达到c0的10%，则需要13d，24d后，氡才能基本衰变完全，衰变率才能达到98.7%。以一个初浓度c0在2000Bq·m-3左右的地下工程为例，要达到国家地下工程标准要求的400Bq·m-3以内，在完全屏蔽的情况下，需要10d左右才能达到，而本次地下工程实验中，仪器的使用时间只有两天左右，难以获得最终的屏蔽效果数据，因此需要提出一种新的简捷有效的地下工程氡屏蔽效果评价方法。

在实际防氡效果评价中还有一部分为未屏蔽的部分，会不停释放氡及氡子体，因此，实测的氡浓度cm，由未屏蔽部分和即时本底理论衰变浓度两部分组成，初浓度衰变部分符合氡衰变规律，未屏蔽部分定义为cu，其数值应为cm-c（c为即时本底理论衰变浓度）。我们定义屏蔽率为P，因此可通过式(10)计算屏蔽率：

根据式(10)，就可通过实测浓度cm、即时本底理论衰变浓度c以及初浓度c0计算出即时的屏蔽率。如果通过实验验证表明，屏蔽率P能随时间变化而保持一定的稳定，就可通过短时间内测得的屏蔽率作为最终屏蔽率，从而实现地下工程特殊条件下的氡防护效果评价。

2 实验部分

2.1实验仪器及材料

2.1.1 实验仪器

RAD-7型α能谱氡气检测仪，美国Durridge公司；SYM-A型球磨机，河南省宏远机械制造有限公司；DHG-9070A台式干燥箱，上海齐欣科学仪器有限公司；ZT-1型混凝土试验用振动台，无锡建仪仪器机械有限公司；SJ-15型砂浆搅拌机，无锡建仪仪器机械有限公司。

2.1.2 实验材料

防氡材料：自制；普通硅酸盐水泥：四川省江油双马水泥集团生产，密度为3.1g·cm-3，比表面积为3770cm2·g-1；粉煤灰：绵阳热电厂，密度2.55g·cm-3，比表面积5183cm2·g-1。

2.2实验方法

2.2.1 某地下工程的防氡效果测试

用氡防护材料对某地下工程房间做了氡防护实验，并用RAD-7型α能谱氡气检测仪测定了防护前、后的氡浓度，根据前后的测试结果计算出防氡效果。

(1) 防氡处理前的初浓度测试

分别对该房间的空调出口以及插座孔等有可能造成氡气外源进入的空隙进行暂时的密闭处理，封闭12h后放入RAD-7氡探测仪进行本底测试，本文采用美国EPA的规定，测试时间为2d，测试周期为1h。

(2) 防氡处理及效果测试

采用防氡材料对房间进行防氡处理，先对原有的墙面地面进行清理，达到涂刷要求，然后进行防氡层的涂刷，待防氡涂层干燥后进行防氡测试。

2.2.2 氡防护效果的对比测定

采用局部静态法对防氡处理前后的氡浓度进行测定[7]，根据前后测试的结果计算出了氡屏蔽率。

(1) 自制氡源

①原材料的处理

粉煤灰于120-130 °C下烘干，含水量＜0.5%，将烘干后的粉煤灰球磨40min备用，其细度为0.08mm，方孔筛余小于3.0%，勃氏比表面积为480m2·kg-1。

②模块的制备

按水泥:粉煤灰=1:3（质量比）的比例分别称取一定量的水泥和粉煤灰，制备成150mm× 150mm×150mm的氡源模块，放于养护箱里养护24h后脱模，把模块放于养护池里养护28d，以待备用。

(2) 玻璃密封罩的制备

制备规格为130mm×130mm×300mm的玻璃罩，该玻璃罩为5面的空心长方体。分别在距玻璃罩顶面30mm和距底面30mm的侧面上开2个直径为5mm相互对称的小孔作为收集空气样品所用橡胶管的进出口。

(3) 氡防护处理及防护效果测定

①氡源模块初浓度测试

在氡源模块上罩上玻璃密封罩，并对玻璃罩与模块接触面进行密封，然后进行测定，获得自制氡源初浓度。

②防氡处理及效果测试

对氡源模块进行防氡处理（涂刷防氡层），干燥后，罩上玻璃罩密封后进行测试，得出屏蔽后的氡浓度，按局部静态法计算氡的屏蔽率。

3 结果与讨论

3.1应用于某地下工程防氡试验检测结果

对地下工程防氡处理后进行了测试，测得初浓度c0为960 Bq·m-3，初浓度随时间衰变的结果和防氡处理后的测试结果如表1所示，进行了34h的测定，共获得17组测试数据，34h后仪器干燥剂失效，数据出现异常。结合式(10)可以计算出即时的氡屏蔽效率，结果如表1所示。

表1 应用于某地下工程防氡试验的实验结果Table 1 Results of radon protective experiment in underground construction.

由表1可知，在进行测试的时间内，实测氡浓度cm整体呈下降的趋势，屏蔽率P能随时间变化而基本保持稳定，防氡效果稳定。个别数据的偏离，是由于氡测定波动性大的原因造成的（如温度的变化）。从表1中实测氡浓度的波动范围可以看出，氡的浓度测定值本身就有较大波动，因此相对而言，可认为本次试验得出的屏蔽率基本稳定，17次测定的平均值为100.45%，相对标准偏差为3.95%。

3.2局部静态法对氡防护效果的对比测定

采用相同的防氡材料和处理工艺，处理自制的粉煤灰氡源，在地面实验室采用局部静态法进行了对比实验，实验最终测得氡的平均屏蔽率为99.8%，与本文提出的方法测定的地下工程中的屏蔽率基本一致，证明了该评价方法的正确性。

4 结语

(1) 提出了一种快速的地下工程防氡效果的评价方法，推导出氡屏蔽率的计算公式为P=[1-(cm-c)/c0]×100%。其中，氡的实测浓度cm由即时本底理论衰变浓度c和未屏蔽部分组成，c0为初浓度。

(2) 屏蔽率P能随时间变化而保持一定的稳定，实测波动相对标准偏差为3.95%，可通过短时间内测得的屏蔽率作为最终屏蔽率，从而实现地下工程特殊条件下的氡防护效果快速测定和评价。在地面实验室采用局部静态法进行了对比实验，得到的氡屏蔽率与本方法相符。

1 张政国, 张亮, 李纯秀. 湖南省煤渣砖建筑物内及含镭量较高矿区周围室内外氡浓度的调查研究[J]. 辐射防护, 1992, 12(5): 340-350

ZHANG Zhengguo, ZHANG Liang, LI Chunxiu. Investigation on levels of radon in buildings made of cinder bricks or in mineral regions[J]. Radiation Protection, 1992, 12(5): 340-350

2 Sharma N. Exhalation ration study of thoron in some building materials[J]. Radiation Measurements, 2001, 34(6): 467-469

3 GB 16356-1996, 地下建筑氡及其子体控制标准[S]. 国家技术监督局

GB 16356-1996, Underground construction standard for controlling radon and its daughters[S]. State Bureau of Technical Supervision

4 王彦召, 尚爱国, 过惠平. 国防坑道内的氡污染及人员的辐射防护[J]. 中国辐射卫生, 2004, 13(4): 248-249

WANG Yanzhao, SHANG Aiguo, GUO Huiping. Radon pollution in tunnel and protection from the radiation[J]. Chinese Journal of Radiological Health, 2004, 13(4): 248-249

5 王燮华, 张景源. 环境氡的来源及其危害与治理[J]. 国外医学·放射医学核医学分册, 1999, 23(3): 102-105

WANG Xiehua, ZHANG Jingyuan. Sources of environmental radon and its hazard and management[J]. Foreign Medical Science · Radiomedicine and Nuclear Medicine, 1999, 23(3): 102-105

6 刘汉钦, 肖仁义, 曾新元, 等. 871防氡涂料的研制[J].辐射防护, 1990, 10(4): 248-254

LIU Hanqin, XIAO Renyi, ZENG Xinyuan, et al. Development of 871 anti-radon coating[J]. Radiation Protection, 1990, 10(4): 248-254

7 Raimo Mustomen. Natural radioactivity in and radon exhalation from finish building materials[J]. Health Physics, 1984, 6(6): 1195-1203

8 林俊明, 张宝钧, 官庆超, 等. 防氡内墙涂料阻氡效果的实验研究[J]. 中国辐射卫生, 1998, 7(3): 161-162

LIN Junming, ZHANG Baojun, GUAN Qingchao, et al. Study on radon protective effect of radon preventing interior wall coating[J]. Chinese Journal of Radiological Health, 1998, 7(3): 161-162

9 肖德涛, 左富琪, 赵桂芝, 等. 环保降氡涂料的研制及其降氡性能的测定[J]. 中华放射医学与防护杂志, 1999, 19(1): 49-51

XIAO Detao, ZUO Fuqi, ZHAO Guizhi, et al. Development of an environmental protecting and radon mitigating coating and measurements of its radon mitigating efficiency[J]. Chinese Journal of Radiation Mediation and Protection, 1999, 19(1): 49-51

10 何登良, 邓跃全, 董发勤. 防氡防辐射水泥砂浆的研究[J]. 硅酸盐通报, 2005, 24(2): 99-102

HE Dengliang, DENG Yuequan, DONG Faqin. Study on the mortar with radon and radiation proofing[J]. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2005, 24(2): 99-102

11 何登良, 董发勤, 邓跃全, 等. 复合防氡防辐射墙面腻子的研究[J]. 化工进展, 2005, 24(8): 930-934

HE Dengliang, DONG Faqin, DENG Yuequan, et al. Study on composite wall surface putty with anti-radon and anti-radioactivity properties[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2005, 24(8): 930-934

12 何登良, 董发勤, 邓跃全. 功能矿物在防氡防辐射水泥砂浆中的应用[J]. 矿产综合利用, 2005, 26(2): 18-20

HE Dengliang, DONG Faqin, DENG Yuequan. Application of functional minerals in cement sludge capable of preventing radon and radiation[J]. Multipurpose Utilization of Mineral Resources, 2005, 26(2): 18-20

13 张强, 邓跃全, 古咏梅, 等. 建材制品中测定氡的影响因素及其在防氡建材分析中的应用[J]. 核技术, 2007, 30(3): 236-240

ZHANG Qiang, DENG Yuequan, GU Yongmei, et al. Study on influencing factors in radon measurement of building materials and its application in research of radon prevention materials[J]. Nuclear Techniques, 2007, 30(3): 236-240

CLCTL77

Evaluation method of radon preventing effect in underground construction

LUO Shaodong DENG Yuequan DONG Faqin QU Ruixue XIE Zhonglei
(School of Materials, Southwest University of Science and Technology of Sichuan Province, Mianyang 621010, China)

Background:It’s difficult to evaluate the radon prevention effect because of the short operating time of measuring instrument under the circumstances of high humidity in underground construction. Purpose: A new rapid method to evaluate the radon prevention efficiency of underground construction was introduced. Methods: The radon concentrations before and after shielding operation were determined, and according to the regularity of radon decay, the shielding rate can be calculated. Results: The results showed that radon shielding rate in underground construction remains generally stable with variation of time, and the actual relatively standard deviation was 3.95%. So the rapid determination and evaluation of radon preventing effect under special conditions in underground construction can be realized by taking shielding rate in a short time for the final shielding rate. Compared with those by the local static method in ground lab, the results were similar. Conclusion: This paper provided a prompt, accurate and practicable way for the evaluation of radon prevention in underground construction, having a certain reference value.

Underground construction, Radon preventing effect, Evaluation method

TL77

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060501

罗绍东，男，1988年出生，2011年毕业于四川理工学院，现为西南科技大学材料科学与工程学院应用化学硕士研究生

邓跃全，E-mail: dengyuequan@126.com

2013-12-23，

2014-03-24