浅议屏蔽混凝土的低放射性

郑捷

（上海建工材料工程有限公司，上海 200041）

技术版

浅议屏蔽混凝土的低放射性

郑捷

（上海建工材料工程有限公司，上海 200041）

通过对中日两国混凝土组成材料核素含量的比较分析，提出了混凝土低放射化的必要性，并就低放射性混凝土的评价和组成阐述了自己的观点。建议将混凝土的低放射性问题作为安全性能的评价指标之一，研究制定低放射性混凝土的设计方法，促进混凝土行业整体水平的提高。

屏蔽混凝土；核素；低放射性；放射性比活度；比活度限量

0 前言

当前人们对装饰材料中的苯、甲醛、挥发性有机化合物等有害物质的污染已较为警觉，但对主体建筑材料混凝土中的辐射性污染的认识尚且不足。2010年由国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会联合发布的 GB 6566－2010《建筑材料放射性核素限量》分别对核素镭－226、钍－232、钾－40 作出了限量规定，事实上混凝土中的放射性核素远不止这些。

随着我国核电事业的发展以及医用加速器的广泛应用，特别是我国自 2014、2015年开始进入了质子重离子治疗装置建设的高潮期，大体积屏蔽混凝土得到了广泛的应用。但是用于核电、加速器设施进行屏蔽的混凝土如何降低工作人员因日常工作或维护而遭受辐射导致的危害，如何减少屏蔽混凝土中由热中子而生成的短寿命核素24Na，以及因感生放射而形成的长寿命核素如152Eu、60Co 等的生成量，此外，对于完成使用寿命即将退役的核电及实验室设施，如何降低处置费用以及促进混凝土解体后的综合利用等都是必须面临的实际问题，混凝土的低放射性问题正是在以上背景下提出的。如今，在低碳、环保、绿色理念的倡导下，低放射性混凝土理应得到应有的重视。

1 混凝土低放射化的必要性

1.1 混凝土原材料中的天然核素

混凝土中的原材料因地质历史和形成条件的不同，或多或少存在着一些放射性核素，以硅酸盐水泥生产为例，一般以粘土和石灰石为原料，经高温煅烧得到以硅酸钙为主要成分的熟料，再加入 5% 以下的混合材和适量石膏作为缓凝剂磨细而成。原料中还可能掺入硅石以弥补粘土中 SiO2的不足，掺入铁质材料主要为 Fe2O3用来降低原料的熔点。随着各种工业废渣综合利用的开展，原料中也掺入了一定比例的粉煤灰或矿渣。经过有关部门对 2002～2005年生产的普通硅酸盐水泥 373个样品的调查[1]，镭、钍、钾核素比活度平均值分别为53.6Bq/kg、28.4Bq/kg、163.6Bq/kg，其中镭比活度大于 70Bq/kg 的普通硅酸盐水泥为 37 个，占统计总数的9.9%，镭比活度超标的样品为 5 个占 1.3%，最大值达341.5Bq/kg，上述调查结果表明虽然总体上水泥中天然核素比活度平均值尚在标准规定范围内，但仍有少量水泥品种超出规定值。除了在水泥生产中掺入矿渣和粉煤灰之外，在商品混凝土中作为外掺料也被大量使用，因此在配制低放射性混凝土时对其中的核素限量进行控制是很有必要的。

日本的有关机构对本国生产的各品种水泥及混合材所含放射性核素进行了检测，其中 Eu 和 Co 的检测结果见表 1[2]。

表1 水泥及混合材的分析结果 mg/k g

由表 1 分析结果可知，硅酸盐水泥品种因生产中使用煤作为燃料 Eu 的含量在 0.31～0.81mg/kg 间波动，低热水泥的 Eu 要低于普通硅酸盐水泥，也低于混合水泥，显然混合水泥由于掺加了矿渣或粉煤灰使得 Eu 的含量高于硅酸盐水泥。核素 Co 含量的离散性较大无规律可循。在混合材中石灰石微粉中的 Eu 和Co 都大大低于其它混合材。在粗骨料方面，通过对核素 Eu 和 Co 含有量的测定发现石灰石骨料的 Eu 含量在 0.01～0.1mg/kg 范围内，Co 含量在 0.01～1mg/kg之间，可见石灰石配制的混凝土其长寿命核素60Co 及152Eu 的生成量也相应较少。

原材料中存在的微量放射性核素由于其不稳定的原子结构会自发地放射出各种射线，最常见的就是α、β、γ射线，虽然这些射线的穿透能力各不相同，但都将对人体造成不同程度的辐射伤害，不可小觑。

1.2 天然核素的被动激发问题

对于原材料中放射性核素限量的控制不仅仅是为了降低混凝土的放射性从而减少对人体的伤害，同时还在于降低感生放射性所产生的辐射危害。如医用加速器产生的辐射还与加速器的结构材料以及环境介质如空气、屏蔽混凝土等有关。通过辐射作用而诱发产生感生放射性更值得我们关注。医用加速器的基本原理都是利用电磁场使带电粒子获得高能量，其中质子束流能量幅度在 50～221MeV，重离子束流能量幅度在 85～430MeV范围，如此高的能量在质子重离子医院的治疗装置区域对主屏蔽区都设计成较厚墙体的大体积屏蔽混凝土。如上海市质子重离子医院整个结构设计的屏蔽墙厚度从1500～3750mm 不等，墙板厚度从 1200～2500mm 不等，而且混凝土内微量放射性核素必须控制在一定限量内，即钴、银、铱、铕、钐、镝、铥等元素含量必须小于 10ppm，防止因感生放射被激发而产生新的辐射源。

1.3 核污染及核废料处置的需要

2011年 3 月受大地震的影响位于日本福岛工业区的东京电力公司核电站发生核泄漏事故。在诸多泄漏的放射物质中最令人关注的是134Cs、137Cs 和131I。从半衰期角度分析，134Cs 的半衰期为 2年，137Cs 为 30年。而131I 的半衰期较短仅为 8 天。通常衰变所产生的产物也是带有放射性的，这些放射物质通过雨水、土壤、下水道污染环境，为此日本的相关水泥生产企业从 2011年 5 月起必须出具放射能的测定结果，测定对象主要是134Cs、137Cs 和131I。目前对核污染物以及核电站正常运行中产生的核废料、退役实验室放射物的处置，根据污染浓度除了深度填埋和中间储存还未有更好的办法，而深度填埋或中间储存装置都需要既经济屏蔽效果又好的混凝土，这些屏蔽混凝土设施的年限少则几十年多则上千年甚至几万年，从今后的解体循环利用角度来看，提出混凝土的低放射性绝非一时之策。

2 低放射性混凝土的评价与组成

2.1 低放射性混凝土的评价

质子重离子医院及核电设施采用的大体积屏蔽混凝土经过长期营运都累积了残余的放射能，既不利于日常的维护也不利于退役后的处置或循环利用，因此屏蔽混凝土应由低放射性的原材料组成。然而如何评定低放射性混凝土以及与普通混凝土的区别是值得研究的问题。按照国家 2002年 10 月 8 日发布的 GB 18871－2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》的规定，公众照射剂量限值不应超过年有效剂量 1mSv。此外，在GB 6566－2010 中规定建筑主体材料中天然放射性核素镭－226、钍－232、钾－40 的放射性比活度应同时满足 IRa≤1.0 和 Iγ≤1.0，其中 IRa为内照射指数，Iγ为外照射指数，并规定了各自的比活度限量和计算方法。由于该标准仅规定了 3 种核素的比活度限量，尚不能涵盖混凝土主体材料中存在的放射性核素，考虑到在医用加速器和核电站屏蔽混凝土中长期运行产生的残余放射能以及感生放射性问题，为此建议适当增加24Na、22Na、3H、60Co、152Eu 的比活度限量，借用 GB 6566－2010 中规定的外照射指数 Iγ计算方法稍作改动和延伸进行量化评价，即上式中 H 为列入量化评价的各核素的放射性比活度与相对应的核素比活度限量值之比的和，Ci 为核素 i 的放射性比活度，Bi 为核素 i 的比活度限量值。与普通混凝土相比，若其和仅是普通混凝土的十分之一或几十分之一，则可认为该混凝土属低放射性混凝土。由于人们的居住空间是由混凝土结构和混凝土制品或粘土砖等材料构成的，混凝土中的放射性核素含量必须控制在低放射性范围内，从而消除或减弱对人体的危害。

2.2 低放射性混凝土的组成

在表 1 中我们发现硅酸盐各品种水泥的 Eu 含量分布不均，一个重要原因是以煤作为煅烧燃料，在熟料中灰分约占 1.5% 左右，而灰分中 Eu 和 Co 的含量分别在1mg/kg 和 10mg/kg 以上，导致成品水泥中 Eu 和 Co 的含量升高。从工艺上分析若以油或天然气代为燃料则可减少 Eu 和 Co 的含量。我国水泥行业大部分还以煤为燃料，今后随着替代能源如垃圾焚烧、旧轮胎等的相继利用，将逐步减少以上放射性物质的含量。当然利用垃圾焚烧及其它替代能源不可避免会产生其它有害物质，这就有待进一步的研究和改进。从水泥生产原料分析，石灰石是重要原料之一，其成分组成与 Eu 和 Co 的含量高低有关。有研究表明[3]，石灰石成分中的 P2O5和Fe2O3的含量与 Eu 和 Co 的含量高低有一定的相关性，选择较低含量的 P2O5和 Fe2O3的石灰石有助于降低水泥中的 Eu 和 Co 的含量。从水泥中化合物组成分析，低热水泥 C3A 的含量较少而 C4AF 的含量较多，说明在水泥原料组成中要注重成分比例的调整有利于减少 Eu和 Co 的含量。由于低热水泥的水化热低，若对水泥生产工艺及原料成分作适量调整，用于大体积屏蔽混凝土的配制则可以达到低放射性的目的。

在混凝土骨料方面，粗骨料一般都由岩石经开采、破碎、筛分取得。以地质成因区分可分成火成岩、沉积岩和变质岩。我国在各种岩石的放射性核素调查方面鲜有资料。刘娟红、包文忠、赵为新等人在《新疆地区骨料资源状况与产品现状的调查与分析》一文中通过对新疆地区 27 个矿点资源及 17 个砂石生产企业的调研和取样，结果表明[4]，27 个矿点资源中有 18 个矿点可用于混凝土骨料，8 个矿点由于内照射指数和外照射指数以及风化严重坚固性不合格，不能用于混凝土。可见对岩石资源或砂石矿点的检测是很有必要的。在河砂资源方面，近年来个别地区在铀矿开采过程中片面追求经济效益，忽视开采过程中的“三废”处理，造成部分地区河砂被放射性污染，因此，加强骨料的放射性核素的检测，选用低放射性的粗细骨料也是配制低放射性混凝土的重要环节。

3 结语

虽然人们每时每刻都受到来自自然界的放射性核素的辐射，但人体与生俱来的特性能够抵御这种轻微的辐射入侵。当辐射剂量超出人体能承受的限值时，轻则会使人体感到不适，重则造成人体组织的损伤，直接导致各种疾病的发生，如核素镭－226 在衰变过程中产生的氡气被公认为诱发肺癌的主要环境因素。很显然，从这个意义上讲，混凝土的低放射性问题已经大大超出了屏蔽混凝土本身。因此，提倡低放射性不仅仅是关注当下混凝土发展的可持续性，更是着眼于未来绿色、环保、生物多样性生态环境的建设，为此必须站在新的高度上重新认识混凝土低放射化的重要性，研究制定低放射性混凝土的设计方法，促进混凝土行业整体水平的提高。

[1] 张永贵，于涛，马振珠，等．我国水泥产品天然放射性核素比活度的调查分析[J]．中国建材科技，2009(6)：1-5．

[2] 田野崎隆雄，三浦太一，齐滕究，等．低放射化コンクリ—ト[C]．コンクリ—ト工学会．コンクリ—ト工学年次论文集.日本东京：コンクリ—ト工学会，2003：18-50．

[3] 田野崎隆雄，一坪幸辉，三浦啓一，等．コンクリ—ト系低放射化材料の開發[C]．コンクリ—ト工学会．コンクリ—ト工学年次论文集．日本东京：コンクリ—ト工学会.2007：84．

[4] 刘娟红，包文忠，赵为新，等．新疆地区骨料资源状况与产品现状的调查与分析[J]．混凝土世界，2013(01)：69．

［通讯地址］上海市陕西北路 868 弄 9 号（200041）

郑捷（1948—），男，高级工程师