蒸压加气混凝土砌块辐射防护屏蔽性能试验研究

陆 洋，张永贵，杜 中，陈 志，陶宗硕

(1.中国科学技术大学物理学院,合肥 230027； 2.中国建材检验认证集团安徽有限公司，合肥 230000； 3.合肥市环境监测中心站，合肥 230000)

蒸压加气混凝土砌块是以钙质材料和硅质材料为基本材料，加入发气剂、气泡稳定剂和调节剂等为原料，经配料、搅拌、浇注成型、蒸压养护、成品加工等工艺过程制成的多孔硅酸盐砌块。砌块加工原料从工业废料中获取，不会破坏耕地或造成水土流失，生产过程几乎不产生液体、气体、固体环境污染物，是一种新型环保建筑材料[1]。依据国家公共建筑节能的相关要求[2]，蒸压加气混凝土砌块在国内已被许多新建医院用于非承重墙及隔墙的建造；各医疗机构在新建、改建、扩建射线机房时，也多采用蒸压加气混凝土砌块。蒸压加气混凝土砌块的密度是传统辐射防护屏蔽建筑材料实心红砖的1/3，单块蒸压加气混凝土砌块的厚度通常约240 mm，是实心红砖的4倍，在保证或改善与实心红砖同等辐射屏蔽效果的同时，可减少建筑施工过程中墙体砖与砖之间的搭接缝隙，降低或避免射线泄露风险。砌筑厚度为24 cm，高度为100 cm，长度为60 cm的墙体时，蒸压加气混凝土砌块需要约5块，实心红砖则需要约100块。5块蒸压加气混凝土砌块市场价格约35元，100块实心红砖市场价格约50元，相比之下蒸压混凝土砌块的价格更加便宜一些。

然而，我国《医用X射线诊断放射防护要求》[3]标准中没有蒸压加气混凝土砌块等效铅当量厚度的参数要求。环境影响评价机构在对该类材料进行等效铅当量厚度计算时，往往采用密度换算法进行折算，使得该类材料屏蔽效果的评估存在很大的不确定性。本文选择4种国内常用蒸压加气混凝土砌块作为试验样品，使用不同能量的X射线对每个样品进行照射，依据《医用X射线诊断放射防护要求》[3]、《X射线防护材料衰减性能的测定》[4]、《蒸压加气混凝土砌块》[5]和《蒸压加气混凝土实验方法》[6]等标准，通过试验得出4种蒸压加气混凝土砌块样品的等效铅当量厚度，并结合样品的干密度和抗压强度等参数进行分析。研究结果可为医院射线装置机房建筑用屏蔽材料选取和设计提供数据参考。

1 试验方案

试验使用相同管电流(25 mA)、不同管电压(70～120 kV)下产生的X射线，对国内4种常用蒸压加气混凝土砌块样品进行照射，测量穿过每种样品后固定点位处的透射线空气吸收剂量率，测量相同情况下标准铅片后透射线空气吸收剂量率，将两组数据对比计算各样品等效铅当量厚度。

1.1 试验样品

从江苏、安徽购置的4种蒸压加气混凝土砌块试验样品的尺寸、干密度和平均抗压强度等参数见表1。由表1可见3号样品干密度最大，为623 kg/m3，4号样品干密度最小，为501 kg/m3；1号样品抗压强度最大，为3.7 MPa，4号样品抗压强度最小，为1.9 MPa。本试验所用样品实物照片如图1所示。

表1 样品参数Tab.1 Sample parameters

1)为便于与实物对应，表中编号直接采用样品实物上的编号。

图1 本试验所用样品实物图Fig.1 Physical drawing of sample for this test

1.2 试验设备

1.2.1X射线辐射场产生和测量仪器

X射线辐射场采用英国高美公司生产的GX160高频恒电位X射线机系统(最大功率3 000 W)、德国PTW公司生产的TW23361流气式圆柱形电离室(电离室高度5.1 cm、直径3.1 cm、测量体积30 cm3、能量范围30 keV～50 MeV、在40～150 keV能量范围内能量响应误差≤±4%)和UNIDOSE主机。X射线辐射场通过中国计量科学研究院进行校准，证书编号为DYjl2019-3435，有效期至2020年5月19日，符合《X射线防护材料衰减性能的测定》[4]中的相关要求。

1.2.2标准铅片

本试验所用标准铅片1 mm、1.2 mm、1.5 mm，均经过南京市计量院进行校准，证书编号为00832893，有效期至2020年3月13日，校准铅片厚度精确至0.001 mm。符合《X射线防护材料衰减性能的测定》[4]中的相关要求。

1.3 试验原理及方法

根据《放射卫生学》[7]，X射线的穿透能力与X射线的管电压有关，管电压越大，则产生的X射线的穿透能力越大。在给定的管电压下，X射线的发射量取决于管电流的大小和曝光时间的长短。在X射线的应用中，常以管电压(kV)表征X射线的穿透能力，而以管电流和曝光时间的乘积(mA·min)表征X射线的发射量。因此，所测得射线能量与射线发生器的管电压与管电流有关。结合《医用X射线诊断放射防护要求》[3]附录B中对于不同射线装置在防护检测中检测条件的要求(如透视检测条件：70 kV，3 mA)，附录D引用的NCRP 147号报告中计算屏蔽物质等效铅当量厚度时只考虑射线装置管电压。本试验通过模拟影像诊断X射线装置(如透视机、摄影机、乳腺摄影机、牙片机、CT机等)，在正常工作状态下产生的一定能量X射线，对常见且符合《蒸压加气混凝土砌块》[5]的4种蒸压加气混凝土砌块样品沿宽度方向进行照射，本试验选择的管电压分别为70 kV、80 kV、90 kV、100 kV、110 kV、120 kV，同时为保障X射线的发射量选择固定的管电流为25 mA。

等效铅当量厚度试验装置示意图见图2。该装置配有一个电离室探头，可在配套导轨上前后移动。为便于计算，以X射线发生器出束口在导轨上垂直投影为原点。“仪器探头1号位”是因支架等设备物理体积的影响，距准直器最近的探头放置位置，此位置投影也正好距离原点1 000 mm(样品前预留一个探头位置是为了方便进行其他相关试验)。“仪器探头2号位”指距准直器600 mm探头放置位置，此位置投影距离原点1 400 mm，用以测量透射线空气吸收剂量率。样品放置于探头1号位与2号位之间，考虑探头的物理大小，1号位与2号位间距400 mm，正好可以放下宽度最大为300 mm的4号样品，这样就可以尽可能测量射线在刚穿过样品后的空气吸收剂量率。测量不同管电压下、加不同样品后固定位置的透射线空气吸收剂量率，与相同条件况下加标准铅片后固定位置的透射线空气吸收剂量率进行对比，使用线性插值法得出蒸压加气混凝土砌块的等效铅当量厚度。测试方法符合《X射线防护材料衰减性能的测定》[4]标准中的要求。

图2 试验装置及各组成设备相互位置关系示意图Fig.2 Schematic diagram of the mutual position of the test equipment and its components

2 试验结果与数据分析

2.1 试验结果

X射线经过样品、标准铅片后测量的空气吸收剂量率列于表2。

通过对比表2中各数值，使用线性插值法计算得出4种蒸压加气混凝土砌块的等效铅当量厚度，见表3。可知同种样品在不同能量射线下的等效铅当量厚度是不一样的，但均大于1 mm。在70～120 kV条件下，蒸压加气混凝土砌块的等效铅当量厚度随着管电压的增加出现先增加后减小的变化趋势，在约90 kV时达到最大。其中4号样品等效铅当量厚度最大为1.47 mm(90 kV)、3号样品等效铅当量厚度为1.30 mm(90 kV)、1号和5号样品等效铅当量厚度相同为1.19 mm(90 kV)。

通过以上试验结果可以得出4种蒸压加气混凝土砌块的等效铅当量厚度均大于1 mm。根据《医用X射线诊断放射防护要求》[3]中对不同类型X射线设备机房的屏蔽防护铅当量厚度要求，部分影像诊断装置机房可以选用蒸压加气混凝土砌块作为屏蔽材料，如透视机房、全身骨密度仪机房、口内牙片机房、牙科全景机房(无头颅摄影)、乳腺机房，其正常使用时管电压一般不超过100 kV，均可以选用蒸压加气混凝土砌块对机房进行设计建造。

2.2 影响等效铅当量厚度的因素

(1)等效铅当量厚度与干密度的关系。根据表1和表3数据得到蒸压加气混凝土砌块干密度与其等效铅当量厚度关系，如图3所示。

(2)等效铅当量厚度与平均抗压强度的关系。根据表1和表3数据得到蒸压加气混凝土砌块抗压强度与其等效铅当量厚度关系，如图4所示。

表2 射线经过样品/标准铅片后测得空气吸收剂量率值1)Tab.2 Air absorption dose rate measured by ray after sample/standard lead sheet

1)测量工况：管电压由70 kV升至120 kV，管电流：25 mA；探头刻度因子k=2，每个测量数据由10个测量数值取平均值而得，未扣除环境本底。

表3 不同能量射线下样品等效铅当量厚度(mm)Tab.3 Sample equivalent lead equivalent thickness under different energy rays (mm)

图3 蒸压加气混凝土砌块干密度与等效铅当量厚度关系Fig.3 The relationship between the dry density and the equivalent lead equivalent thickness of autoclaved aerated concrete block

图4 蒸压加气混凝土砌块抗压强度与 等效铅当量厚度关系Fig.4 The relationship between compressive strength and the equivalent lead equivalent thickness of autoclaved aerated concrete block

比较图3中1、3、5号样品发现，三者宽度一样，干密度高的样品(3号)等效铅当量厚度高于干密度低的样品(5号)；比较图4中1、3、5号样品发现，平均抗压强度对等效铅当量厚度影响不明显，平均抗压强度最高的1号样品在各管电压条件下，与5号、3号样品相比，等效铅当量厚度没有提高，甚至与平均抗压强度低于1号样品的3号样品相比，其等效铅当量厚度最多时还少了0.11 mm。比较图3、图4中3、4号样品发现，4号样品干密度、平均抗压强度均低于3号样品，厚(宽)度大于3号样品，试验结果显示4号样品等效铅当量厚度高于3号样品。

对于蒸压加气混凝土砌块来说，其等效铅当量厚度与材料的干密度、厚度有关，而与抗压强度无关，即材料的干密度越大、材料厚度越大，等效铅当量厚度越高，对X射线辐射防护屏蔽效果越好。

3 结论

(1)本试验4种蒸压加气混凝土砌块样品的等效铅当量厚度，随着管电压由70 kV升至120 kV,出现先增加后减小的变化趋势，在约90 kV时达到最大。

(2)在70～120 kV范围内，本试验4种蒸压加气混凝土砌块的等效铅当量厚度均大于1 mm，建设部分影像诊断装置机房时可以满足标准[3]要求。

(3)对于蒸压加气混凝土砌块来说，其等效铅当量厚度与材料的干密度、厚度有关，而与抗压强度无关，即材料的干密度越大、材料厚度越大，等效铅当量厚度越高，对X射线辐射防护屏蔽效果越好。