屏蔽技术在医疗放射性用建筑中的应用探究

刘学智 贾 梅 戴华兴 刘 阳 王力伟 陶晓坤

(1.秦皇岛市第一医院 河北 秦皇岛 066000 2.河北建材职业技术学院 河北 秦皇岛 066000)

通常，用于放射防护的屏蔽砂浆主要是通过提高其表观密度和容重来实现的。由于重晶石的化学性能稳定，密度大，具有良好的射线吸收性能，提高表观密度和容重的方式通常是在砂浆中拌入重晶石，比如硫酸钡水泥。

但由于重晶石强度较低，重晶砂和水泥砂浆密度差较大，制作出的屏蔽砂浆容易离析，并且强度低，容易开裂，有泄露射线风险。本文将通过实验在屏蔽砂浆中掺入钢纤维来研究其力学性能的改善效果。

1 屏蔽砂浆配制选用材料

1.1 铅粉

铅或含铅的物质原子序数较高，具有较好的射线吸收性能，可以作为屏障吸收不必要的X射线。本文配制屏蔽砂浆所用的铅粉300粒度(目)，活化度99%，含铅量98%。密度5.24kg·m-3。

1.2 骨料

本文采用重晶石配制屏蔽砂浆，为改善砂浆和易性，以及胶凝材料和集料之间密度差的问题，砂浆中另外掺入普通砂石作为细骨料。本文配制屏蔽砂浆所用的重晶砂为火山沉积型，莫氏硬度为2.5，密度为4200kg·m-3，水溶盐含量<0.1；所选用普通砂石细度模数为3.0，含泥量为1.6%，表观密度为2640kg·m-3，堆积密度为1460kg·m-3。

1.3 超细钢纤维

屏蔽砂浆拟掺入超细钢纤维，用以提高砂浆的韧性和强度，本文所选用的超细钢纤维，直径在0.17mm至0.22mm之间，长度在19mm至24mm之间。

1.4 胶凝材料

屏蔽砂浆选用的P·O 42.5硅酸盐水泥符合《普通硅酸盐水泥(GB175-2007)》标准。

1.5 减水剂

为将超细钢纤维均匀的分布在屏蔽砂浆中，可以通过在屏蔽砂浆中加入减水剂实现。拟选用萘系高效减水剂萘甲醛磺酸盐，其减水率为21%，水泥净浆流动度大于234mm。

2 屏蔽砂浆配合比探讨

2.1 配合比

为探讨砂浆配制效果，本文提出两组基础配合比设计进行对比，其中第一组试样编号为A1，配合比为水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3。

第二组试样编号为A2，配合比为水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3，另外掺入超细钢纤维78kg·m-3。

为提高砂浆的屏蔽效果，在屏蔽砂浆中掺入胶凝材料重量10%、20%、30%的铅粉，拌入体积1%的超细钢纤，用以研究屏蔽性能、力学性能的变化。另外提出四组屏蔽砂浆优化试样配合比：

优化第一组试样编号为B1配合比为水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3，掺入超细钢纤维78kg·m-3。

优化第二组试样编号为B2配合比为水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3、铅粉50kg·m-3，掺入超细钢纤维78kg·m-3。

优化第三组试样编号为B3配合比为水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3、铅粉100g·m-3，掺入超细钢纤维78kg·m-3。

优化第四组试样编号为B4配合比为水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3、铅粉150g·m-3，掺入超细钢纤维78kg·m-3。

2.2 屏蔽砂浆配合比效果对比实验

按2.1中配合比配制屏蔽砂浆，将搅拌好的砂浆倒入140mm×140mm×40mm的模具中，并进行同条件养护，养护好后脱模用以放射防护实验。另外，按配合比制备试件进行抗压抗折实验。抗压和抗折试块每个配合比选取3组，试块每组3个，砂浆入模后，放置到振动台上，振动时避免试模跳动，振动5至10秒后取下试件，试件制作完成后放置在平均气温20℃，空气相对湿度60±5%的环境中养护至龄期，然后脱模进行力学实验。

本文所选用的放射源是10MeV的直线加速器，试块在养护28天后，进行屏蔽效果实验，试块上端是直线加速器探头，中间为屏蔽砂浆试块，下端为射线检测装置。

3 屏蔽砂浆的屏蔽效果和力学性能

3.1 砂浆的屏蔽性能

经实验，两组基础配合比试样A1、A2的砂浆屏蔽性能为：

A1：屏蔽前剂量率2.45Gy·min-1，屏蔽后剂量率1.55Gy·min-1，衰减系数1.14×10-2cm-1。

A2：屏蔽前剂量率2.45Gy·min-1，屏蔽后剂量率1.54Gy·min-1，衰减系数1.15×10-2cm-1。

从上述实验结果可以看出，屏蔽放射线的主要途径是对射线能量传导或吸收，放射线能量达到6MeV，超细钢纤维难以对射线能量进行吸收和传导，屏蔽性能上变化微弱。

3.2 砂浆的抗压强度

各试块7天、14天、28天的抗折强度、抗压强度均按《水泥胶砂强度检验方法测试》(GB/T17671-1999)的要求进行实验。

根据检测两组基础配合比试样A1、A2的砂浆力学性能为：

A1：7d龄期抗压强度46.7MPa，14d龄期抗压强度50.1MPa，28d龄期抗压强度53.4MPa。

A2：7d龄期抗压强度47.2MPa，14d龄期抗压强度55.4MPa，28d龄期抗压强度58.7MPa。

根据实验结果可以看出，随着养护龄期的增加，抗压强度增长缓慢，但龄期达到28天时，A1与A2组砂浆强度均达到50MPa以上，砂浆强度较高。在龄期7天时，A1与A2组抗压强度差异较小。当砂浆龄期至28天时，A2比A1组强度提高了9.9%。超细钢纤维提高了砂浆强度，但提高效果不显著。就其破坏形态而言，A1组试件破坏时被压溃，在相同的加荷速度下，A2组试件在破坏时保持了相对较好的整体性，证明超细钢纤维可以提高了砂浆抗压变形的能力。

3.3 砂浆抗折强度

龄期到7天、14天、28天后，检测其抗折强度，各龄期的抗折强度为：

A1：7d龄期抗折强度5.9MPa，14d龄期抗折强度6.0MPa，28d龄期抗折强度6.6MPa。

A2：7d龄期抗折强度6.8MPa，14d龄期抗折强度7.0MPa，28d龄期抗折强度8.4MPa。

从检测结果可以看出，超细钢纤维对增加砂浆抗折强度较显著，两组试样28天抗折强度分别达到6.6MPa和8.4MPa，抗折强度较高。

对比7天、14天、28天各龄期抗折强度，A2比A1组分别提高了15.3%、16.7%、27.3%。在砂浆中掺入超细钢纤维能在开裂破坏的时承担部分荷载，显著提高抗拉强度，可以防止或延缓在受力过程中的裂缝。砂浆在破坏时，超细钢纤维未破坏，只是缓慢地从砂浆中拔出，这一过程中也消耗了外力的部分能量，掺入超细钢纤维的砂浆韧性较普通砂浆明显增加。

3.4 拌入铅粉后砂浆屏蔽性能研究

拌入铅粉后优化组试样屏蔽前后剂量率为：

B1：屏蔽前剂量率2.45Gy·min-1，屏蔽后剂量率1.54Gy·min-1，衰减系数1.15×10-2cm-1。

B2：屏蔽前剂量率2.45Gy·min-1，屏蔽后剂量率1.52Gy·min-1，衰减系数1.18×10-2cm-1。

B3：屏蔽前剂量率2.45Gy·min-1，屏蔽后剂量率1.51Gy·min-1，衰减系数1.21×10-2cm-1。

B4：屏蔽前剂量率2.45Gy·min-1，屏蔽后剂量率1.49Gy·min-1，衰减系数1.23×10-2cm-1。

从检测结果可以看出，对比各优化组试样的屏蔽性能，随着铅粉拌入的增加，屏蔽性能显著提高。B1和B4组试样屏蔽后的剂量率分别为1.54Gy·min-1和1.49Gy·min-1，两组剂量率相比减小显著，衰减系数也提高明显。

从现有理论可知，影响放射衰减的主要因素有：材料的密度、材料的原子序数、材料的吸收限。

铅元素的原子序数大，密度也大，常被用于射线防护。本文选用铅粉的粒度是300目，在屏蔽砂浆配制过程中均匀地分布在砂浆中，形成了屏蔽层，配制出的砂浆屏蔽性能显著提升。

3.5 拌入铅粉后砂浆的抗压强度研究

龄期至7天、14天、28天后，对试样进行抗压实验，各龄期抗压强度为：

B1：7d龄期抗压强度47.2MPa，14d龄期抗压强度55.4MPa，28d龄期抗压强度58.7MPa。

B2：7d龄期抗压强度42.8MPa，14d龄期抗压强度50.8MPa，28d龄期抗压强度53.8MPa。

B3：7d龄期抗压强度42.5MPa，14d龄期抗压强度49.7MPa，28d龄期抗压强度52.1MPa。

B4：7d龄期抗压强度41.0MPa，14d龄期抗压强度46.4MPa，28d龄期抗压强度49.3MPa。

从检测结果可以看出，铅粉的掺入后，抗压强度随之降低。各龄期的试样中B1组强度最高，其余依次为B2组、B3组、B4组。

3.6 拌入铅粉后砂浆的抗折强度研究

龄期至7天、14天、28天后，对试样进行抗折实验，各龄期抗折强度为：

B1：7d龄期抗折强度6.8MPa，14d龄期抗折强度7.0MPa，28d龄期抗折强度8.4MPa。

B2：7d龄期抗折强度5.9MPa，14d龄期抗折强度6.5MPa，28d龄期抗折强度7.9MPa。

B3：7d龄期抗折强度5.5MPa，14d龄期抗折强度6.2MPa，28d龄期抗折强度6.8MPa。

B4：7d龄期抗折强度5.4MPa，14d龄期抗折强度6.2MPa，28d龄期抗折强度6.5MPa。

从检测结果可以看出，拌入铅粉后的砂浆抗折强度均随铅粉的拌入量的增加而降低。

综上所述，抗折强度和抗压强度趋势较为一致的，即随着铅粉的拌入量增加强度下降。拌入铅粉引起抗折强度下降的原因与抗压强度降低相同，铅粉是导致砂浆强度降低的主要原因，改变了砂浆的整体性能，虽然掺入超细钢纤维，但砂浆的强度降低也比较严重。

3.7 结论

通过在砂浆中掺入超细钢纤维、拌入铅粉，研究屏蔽砂浆的屏蔽性能和力学性能的变化，得出的观点有：

(1)以重晶石为主要集料配制的屏蔽砂浆，射线防护效果显著增强，初始剂量率为2.45Gy·min-1的放射线经40mm后的屏蔽砂浆防护后剂量率减少至1.55Gy/min，衰减系数为1.14×10-2cm-1。掺入超细钢纤维后砂浆屏蔽性能略有提高，但影响较小。

(2)掺入超细钢纤维后，屏蔽砂浆的抗压与抗折强度均可得到提高，龄期28天后，抗压强度提高了9.9%，抗折强度提高了27.3%

(3)屏蔽砂浆中掺入铅粉虽然可提高屏蔽性能，但随着铅粉掺入量增加，抗压强度和抗折强度降低明显。

(4)虽然在砂浆中拌入铅粉可提高屏蔽效果，但由于随着铅粉的增加，砂浆的抗压和抗折强度降低，并且用于医疗检查用房放射防护的改造工程，含铅砂浆并不能表现出明显的优势，同时掺入铅粉将提高工程造价。综上所述，医疗检查用房放射防护或放射防护级别增加时，本文建议采用掺入钢纤维的重晶石砂浆对原有墙体进行加厚处理，建议砂浆配合比为水泥500kg·m-3、水180kg·m-3、砂450kg·m-3、重晶砂1000kg·m-3，另外掺入超细钢纤维78kg·m-3。