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防氡防辐射墙体腻子的研究*
邓跃全, 朱桂平, 徐光亮, 董发勤
( 西南科技大学材料学院, 四川绵阳621010)
1 前 言
国际癌症研究机构( IARC) 已经确认, 氡是产生肺癌的重要原因之一。美国环保局已将氡列为最危险的致癌因子。随着人们生活水平和环境意识的提高,以及核科学技术的迅速发展, 人们开始关注生活环境中氡的污染, 并探寻防氡降氡的最佳途径。联合国原子辐射效应科学委员会( UNSCEAR) 在1993 年的报告中重新估计了各种辐射源对人的照射[ 1] 。UNSCEAR 的新估计结果指出: 天然本底辐射产生的人均年有效辐射剂量为2. 4mSv, 其中: 宇宙射线、陆地辐射和体内放射性核素的年辐射剂量分别为0. 39mSv、0. 46mSv 和0. 23mSv; 空气中氡及其子体产生的辐射剂量为1. 32mSv, 而室内氡及其子体占所致辐射剂量的90%[ 2] 。氡是一种由岩石、土壤和各种天然及人造建筑材料中的铀、钍元素衰变时产生的无色、无味、无臭的放射性气体, 化学性质不活泼, 但具有很强的迁移活动性, 一旦吸入会对人体健康造成很大危害。氡的原子序数是86, 为元素周期表中第六周期的零族元素,属惰性气体族( He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn) 的最后一个元素, 也是气体中最重的一个元素。氡是铀系核素衰变的中间产物, 有4 个同位素: 氡222、氡218、氡219- 锕射气( An) 和氡220- 钍射气( Th) , 其中氡222和氡218是铀系衰变的中间产物( 人们常说的居室中氡主要是指氡222) 。氡进一步衰变产生钋218、铅214 和钋214 等短寿命子体[ 3] 。
我国地域辽阔, 地质结构复杂, 土壤中U 238 和T h232的比活度高于世界平均值, 潜在高氡地区多。我国关于氡灾害的研究工作起步较晚, 但目前所获得的资料足以说明其在我国环境污染十分严重[ 4] 。经对43000 所( 全国有1x109 所) 住宅的调查结果表明, 全国住宅氡含量平均为124Bq/ m3, 其中21% 的住宅超过150Bq/ m3, 5% 的住宅超过400Bq/ m3, 19% 的住宅超过740Bq/ m3。经对我国5 个地区37 个地下工程进行氡调查, 有54% 超标。云南70~ 80 年代曾进行四次恶性肿瘤普查, 其肺癌发病率高达217. 2 人/ 10 万人, 居全国之冠; 其岩洞、室内、大气和土壤中氡的含量分别为110 ~ 3214Bq/ m3、94 ~ 249Bq/ m3、131 ~363Bq/ m3 和33177~ 49896Bq/ m3, 远高于世界陆地的平均含量( 44. 4Bq/ m3) 、世界土壤的平均值( 7400Bq/m3) 和西方各国室内氡的平均含量( 12~ 108Bq/ m3) 。昆明市被调查的居室氡浓度达32. 6~ 644. 5Bq/ m3, 而长沙市地下建筑氡浓度达710Bq/ m3, 湖南衡阳地下建筑物氡浓度达1080Bq/ m3。因此, 探讨空气中氡的性质, 继续对室内外氡浓度进行科学监测、研究和实施补救, 对保护健康很有必要[ 5]。
2 实验部分
2. 1 试验材料
所用粉煤灰为四川绵阳市电厂灰, 密度2. 55g/cm3, 比表面积5183cm2/ g。水泥为绵阳市江油双马水泥集团公司产32. 5# 普硅水泥, 密度3. 1g/ cm3, 比表积3770cm2/ g。重晶石为绵阳安县华西矿粉有限公司产品, 密度为4. 09g/ cm3, 比表面积2506cm2/ g。聚乙烯醇为山西三维集团股份有限公司产品。
2. 2 原材料处理、放射性基块准备及腻子制备
粉煤灰、沸石于120~ 130 # 下烘干至含水量<0. 5% 。重晶石烘干后在振动磨中粉磨40 分钟备用。实验采用放射源为粉煤灰, 为了在实验中有标准放射源, 粉煤灰和水泥按4∃1 加水混合, 制成40mmX 40mmX 160mm 试块, 以满足实验对基块的形状和体积要求。采用一般工程中使用的滑石粉作为基材, 分别用重晶石粉、沸石粉作为掺料, 分别对不同掺料按10% 、15% 、20% 、25% 的比例掺加到基材中, 加入500ml 胶水搅拌成腻子。将滑石粉和掺料按已选定的比例混合搅拌20 分钟, 搅拌均匀后加入已熬制好的胶水500 % 50ml, 继续搅拌10 分钟, 搅拌均匀后取出, 用塑料袋封装陈腐24 小时, 备用。将制备好的腻子涂敷在40mmX 40mmX160mm基块上, 并保证各表面腻子厚度保持在5+- 1mm, 腻子涂敷后的样品须阴干并及时修补其上的裂缝。
2. 3 防氡性能测定[ 6~ 8]
氡面析出率的测量一般分为直接测量法和间接测量法。间接测量法是通过测量空气中氡的浓度和气象因子或者通过测量介质中氡的质量析出率推算氡面析出率。该法计算公式中的一些参数很难确定, 假定和简化较多, 推算结果误差相对较大。直接测量法是用各种密闭容器直接收集待测面析出的氡, 然后根据氡的变化规律计算氡面析出率。严格讲, 后者也是一种间接测量法, 其测量对象比较单一, 容易实施, 运用较为广泛。我们在实验中采取后者。
3 结果与分析
3. 1 不同掺量对防氡性能的影响
为了寻找重晶石、沸石的最佳配比, 试验中分别做了重晶石粉和沸石掺比实验, 结果见表1。
从表1 可以看出, 重晶石对氡气的屏蔽效果很好,但随着重晶石粉量增加, 腻子的吸氡性能并非越来越好, 没能将建筑材料所放出的氡大部分吸收掉。重晶石加入量增加, 会使吸氡性能降低, 说明较大比例的硫酸钡对氡气的屏蔽不是很理想。沸石对氡气的屏蔽作用很明显, 这主要是由于它具有开放性较大的硅氧、铝氧四面体组成的一种架状硅酸盐结构, 有很多大小均一的空腔和孔隙。空腔和孔隙中有Ca 、Na+ 、K+ 等离子和在一定条件下可以自由脱离、吸附的水分子。骨架中的阳离子与骨架联系较弱, 易被其他阳离子交换。阳离子及其结构位置是一定的, 空腔和孔隙的直径大小也是一定的。沸石内的微小通道大小均匀、固定, 小于其直径的物质能被吸附, 大于其直径的物质不能被吸附, 从而对分子起筛选作用。此外主要靠它表面的强大包容力, 而且还有较大的静电力, 因其晶格孔穴中分布有阳离子,同时部分格架氧也具有负电荷, 从而在离子周围形成强大电场, 吸附力特别大, 对氡气吸附比较好。这说明沸石应用到墙体腻子中是一种很好的防氡材料。
3. 2 不同掺量对防辐射性能的影响
重晶石中含有大量钡元素, 硫酸钡化学性质稳定。重晶石能吸收X 射线, 由其制成的腻子防辐射效果明显( 见表2) , 能有效屏蔽有害放射性射线。
3. 3 掺料细度变化对防氡防辐射性能的影响
实验中研究了重晶石的粒度改性对防氡防辐射性能的影响, 见图1、2。A1- 1 重晶石平均粒度为50 m,A1- 2 重晶石的平均粒度为4. 5 m。表3 列出了由不同粒度的重晶石配制的腻子的防氡防辐射效果。表4是防辐射效果的结果。
从测得的数据来看, 粒度对防氡防辐射效果有一定的影响, 可在一定程度上提高防氡防辐射效果。这表明通过调整粒度以提高防氡防辐射效果的方法是正确的。
图1 中掺合料粒度较大且存在较大的孔洞。图2中掺合料经过粉磨粒度变小, 颗粒间的间隙被小颗粒填充, 形成致密的结构。这种结构对防氡防辐射性能提高很有利, 主要是由于射线可以通过涂层颗粒间的微小通道经过多次折射从放射源到外部空间。我们可以通过调整粉体粒度使颗粒与颗粒间的微小空隙被小的颗粒填充, 在保证涂层厚度不变的情况下射线由放射源到外部空间的过程中经过更多次的折射, 使射线的大部分能量在折射过程中被吸收。致密的微观结构同样能将氡气密闭在内部, 使其内部的氡气不会通过微小孔洞弥散到外部, 从而收到防辐射防氡的效果。
4 结 论
重晶石粉的主要组成为BaSO4, 它的加入是根据辐射与物质作用的原理, 物质慢化中子的能力与本身质量数成反比, 即减弱和俘获中子依靠材料的轻元素, 如氢和硼等; 相反, 吸收射线和X 射线则应尽量提高物质的重元素含量, 如钡、锶等。试验表明, 在墙体腻子中掺重晶石粉20% 时, 腻子具有明显的防辐射性能。沸石粉中的孔道表面具有强大的包容力和静电力, 故其吸附性较强。研究表明, 当沸石含量为20%时, 防氡率可达46. 1%。对添加剂进行超细改性, 能够提高腻子的防氡防辐射效果。试验表明, 当重晶石的平均粒径为4. 5 m时, 其防辐射性能提高约两倍。
