防辐射建筑材料在医院建设中的应用研究

2023-11-29王姣

粘接 2023年11期

王姣

摘要：现代医院中具有大量的电磁机械设备，这会导致院内辐射量过大，为保证工作人员以及院内患者的身体健康，需要在医院的建设时使用防辐射建筑材料。在制备医院用防辐射混凝土的过程中，设计混凝土配置与施工的具体流程，测试该防辐射建筑材料的工作性能、抗压抗折强度、热重损失率以及孔隙性能，同时获取该混凝土的辐射屏蔽效果，在机房门口、操作空间内部、机房东墙、机房西墙、机房南墙、机房北墙、机房顶部7个位置的辐射量分别为0.001、0.012、0.015、0.007、0.014、0.018、0.015 μSv/h，均小于2.5 μSv/h，可见该防辐射建筑材料在医院基建中确实能够起到应有的防輻射效果。

关键词：医院建设；防辐射性能；防辐射建筑材料；辐射量；混凝土建筑材料；

中图分类号：TU528.35

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）11-0069-04

Research on the application of radiation-proof building materials in hospital construction

WANG Jiao

（

Department of Infrastructure Construction，the Fourth Hospital of Hebei Medical University，Shijiazhuang 050011，China

）

Abstract：There are a large number of electromagnetic mechanical equipments in the modernhospital，which directly leads to a large amount of radiation in the hospital.In order to ensure the health of staff and patients in the hospital，it is necessary to use radiation-proof building materials in the hospital construction.In the process of preparing radiation-proof concrete for hospitals，the concrete configuration and construction process were designed，the working performance，compressive bending strength，thermal weight loss rate and pore performance of the anti-radiation building material were tested，and the radiation shielding effect of the concrete was obtained.The radiation amount at the door of the machine room，the inside of the operating space，the east wall of the machine room，the west wall of the machine room，the south wall of the machine room，the north wall of the machine room and the top of the machine room was 0.001、0.012、0.015、0.007、0.014、0.018 and 0.015 μSv/hrespectively，allless than 2.5 μSv/h，indicating that the radiation-proof building material couldreally play its radiation protective effect in the hospital construction.

Key words：hospital construction，radiation protection performance;radiation-proof building material;radiation amount;concrete building materials

电磁辐射是一种十分常见的污染，长期暴露在电磁辐射的环境中，会导致人体免疫力下降，细胞被破坏，甚至造成器官的恶性病变。大量高强度的电磁波磁场会提高癌细胞的增殖速度，诱发癌变，未成型的胎儿也会在电磁波磁场中提高遗传病的发病率。电磁辐射最严重的区域就是医院，作为承担着急救、医疗、疗养、科研等项目的综合型设施，医院内必然有着很多会发射电磁辐射的大型检查设备［1-3］。因此，需要提高医院内部机械设备周边建筑的防辐射性能，为了提高对辐射的屏蔽性能，可以在建筑施工中使用防辐射建筑材料，使用表观密度较大或者稳定性能较好的粗骨料，切断辐射路径。

1 医院用防辐射混凝土的制备

1.1 原材料选取

相比于普通的混凝土建筑材料，防辐射材料的原材料在选取过程中存在一定的差异。除普通水泥外，还需要一些水化后结合水含量较多的粗骨料和细骨料，除此以外，还需要存在外加剂等减水剂成分［4-5］。在医院的基础建设中，水泥的化学成分含量如表1所示。

由表1可知，组成成分的水泥的标准稠度可以达到27%，初凝时间和终凝时间分别为220 min和330 min，抗压强度在第7 d和第28 d分别为26.4、56.3 MPa，抗折强度在上述2个监测节点则分别为4.4、7.6 MPa［6-8］。在向水泥中添加矿物掺合料时，硅灰、粉煤灰和石灰石粉是必不可少的2个重要组成成分。骨料可以分为粗骨料和细骨料，其自身需要满足一定的密度要求，并符合辐射自身的规定［9］。在实际的工程中，还需要严格控制骨料的级配需求，由于骨料本身质脆的特性，在破碎后的级配差较差，因此很难达到理想的级配要求。此时需要根据实际需求，对骨料进行选择性破碎处理，并按照比例筛选出一定粒径范围内的骨料，使其体积包括在70%～80%［10-11］。天然骨料的表观密度约为2 000～2 500 kg/m3，其变化范围较大，硫酸钡的含量也会随之发生变化。

1.2 配合比设计

想要保证混凝土材料的防辐射性能以及抗压抗折强度，需要令其具备较高的致密堆积结构，计算粒径结构可以使用公式：

Kd=Dp－Dp，minDp，max－Dp，min（1）

式中：Kd表示混凝土颗粒粒径组成部分的整体堆积密度；Dp表示颗粒粒径；Dp，max和Dp，min分别表示最大和最小粒径［12-13］。在不同的混凝土配合比中，需要保证砂浆混合料与目标曲线之间的拟合数据达到最小差值：

Hrss=∑ni=1HminKi+1-HmaxKi+12Nm（2）

式中：Hrss砂浆混合料与目标曲线拟合数据的最小差值；Hmin和Hmax分别表示目标颗粒的粒径与数量偏差的最小值与最大值；Ki+1表示颗粒粒径［14］。在获取了完整的分布拟合曲线之后，还需要获取目标拟合系数：

Rm2=1-∑ni=1HminKi+1-HmaxKi+12∑ni=1HminKi+1-H-min2（3）

式中：Rm表示粒径曲线的相关参数。以10%的差额为一个级别，设置替换率为0%～40%。配置强度的计算公式：

Pf=WiCi+1.254σk（4）

式中：Pf表示配置强度；Wi和Ci分别表示第i中配置材料的表观密度；σk表示水泥塌落度。通过上述公式，可以获取水泥、粗骨料、细骨料、矿物拌合料等混凝土基本材料的配合比［15］。

1.3 混凝土制备

为保证混凝土的防辐射性能更好，在选择材料的过程中，需要适当添加一定量的膨胀剂，并降低水泥水化热量。整体的施工流程如图1所示。

提前掌握室内外温度的变化规律，保证在浇筑时不会因温度温差过大而造成开裂现象［16］。尤其是在炎热的夏季施工时，需要在浇筑间进行降温处理。在制备混凝土过程中，振捣是必不可少的。

2 实验研究

2.1 工程实例

选择某医院的加速器机房作为研究对象，为减少机房对外界的辐射量，使用防辐射建筑材料进行施工，机房的平面设计图如图2所示。

在图2所示的机房中，主屏蔽墙厚度为2.8 m，副屏蔽墙厚度为1.8 m，出入过道的厚度为1.0 m。在门框处安装框架式防护门，门上附带3 mm不锈钢板，门缝衔接厚度为20 cm。依据该机房框架，对防辐射建筑材料的性能进行分析。

2.2 实验结果与分析

将防辐射建筑材料编号为H-0，将其与H-1、H-2、H-3此3种建筑材料进行对比，综合判断4种混凝土材料的性能。

2.2.1 工作性能

使用流动性作为防辐射混凝土工作性能的评价指标，分别对大型粒径、中型粒径、小型粒徑、微型粒径四种型号的混凝土材料流动性进行测试，从而判断其工作性能，实验结果如图3所示。

在图3中，设置0～0.5 mm为微型粒径，0.5～1.0 mm、1.0～1.5 mm、1.5～2.0 mm分别为小型粒径、中型粒径、大型粒径。在4种混凝土材料下，本文H-0材料在上述4种粒径中的流动性分别为257、276、242、235 mm，可见当混凝土材料的大小为小型粒径（0.5～1.0 mm）时，流动性较强，其他3种混凝土材料的对比结果同样可以证明该结果。对比4种不同的混凝土防辐射建筑材料，本文的混凝土材料流动性明显大于其他3种材料。由此可知，H-0材料的工作性能更好。

2.2.2 抗压抗折性能

抗压抗折性能是评价混凝土材料的基本力学性能，对混凝土进行单向施压，材料在单位面积上受到的荷载力被称为抗压强度，材料所能受到的极限承载折断应力即被成为抗折强度。如图4所示，分别在抗压强度与抗折强度中设置4个时间段：7、14、21和28 d。H-0材料在第7 d时的抗压强度和抗折强度分别为77、17 MPa，第14 d时的分别为86、17 MPa，第21 d时的分别为94、16 MPa，第28 d时的分别为108、17 MPa。

由此可见，随着时间的增加，抗压强度会有一定程度的提高，且H-1、H-2、H-3此3种建筑材料的抗压强度在同一时间段内均小于本文的H-0材料。在抗折强度的对比中，施压时间的增加不会对强度产生影响，4个变量下的抗折强度接近，且本文的H-0混凝土材料抗折强度明显大于其他3种建筑材料。

2.2.3 热重分析测试

很多材料在固化后，重量就不会发生过大的改变，但是一旦受到高温的影响，质量会逐步减小。分别测试在不同温度影响下，4种建筑防辐射材料的样品质量损失值，结果如图5所示。

由图5可知，随着温度的升高，样品质量的损失量在不断增加。H-0样品在温度135 ℃时开始出现质量损失，当温度达到500 ℃时，其质量损失达到了3.2%。H-1样品在温度80 ℃时出现质量损失，当温度达到500 ℃时，其质量损失达到了6.7%。H-2样品在温度63 ℃时出现质量损失，当温度达到500 ℃时，其质量损失达到了7.9%。H-3样品在温度71 ℃时出现质量损失，当温度达到500 ℃时，其质量损失达到了8.4%。由此可见，本文设计的H-0型防辐射建筑材料耐温性更强，出现质量损失的温度在100 ℃以上，且温度持续增加时，质量的损失率也相对较小。

2.2.4 孔隙测试

当替换率相同时，孔隙体积也是衡量某类建筑材料性能的重要指标。使用全自动压泵仪作为测试工具，接触角为130°，获取不同孔隙大小下的累计侵入量，结果如图6所示。

由图6可知，随着孔隙大小由10 nm增至1 000 nm，建筑材料在孔隙测试时的累计侵入量也在不断减小。在H-0材料中，当孔隙大小为10 nm时，累计侵入量为0.037 mL/g；当孔隙大小增至10 000 nm时，累计侵入量已经减小至0.002 mL/g。其余3种对比材料的累计侵入量变化趋势与H-0相同，但在相同孔隙大小条件下，均大于H-0材料。

2.3 辐射屏蔽效果

使用γ射线光谱仪作为辐射屏蔽的射线发射装置，并在图3所示的机房内部发射辐射。此时各位置的辐射监测结果如表2所示。

由表2可知，机房门口的辐射量明显小于其他几个位置，且在各位置的辐射量均小于2.5 μSv/h。由此可见，上述4种防辐射建筑材料在医院中确实能够起到应有的防辐射效果。横向对比4种防辐射混凝土建筑材料，本文设计的H-0材料在各位置所监测到的辐射量均小于同位置的其他3种建筑材料。

3 结语

研制了一种应用于医院基建工程的防辐射建筑材料，该建筑材料在包括工作性能、抗压抗折强度、高温热重损失量、孔隙侵入量等的几个基础力学性能中均具备较好的性能。且通过对辐射屏蔽效果的测试可知，该混凝土建筑材料的性能良好，具备较好的防辐射效果。

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