随着掺渣以及发泡等技术制造新型建材的广泛使用,现代高层建筑室内来源于建筑材料的氡占住宅室内氡气来源的60%~70%^[1],已经成为高层建筑室内氡浓度的主要来源^[2]。为控制建材氡的放射性危害,国家对其所含放射性核素²²⁶Ra含量进行了严格控制^[3]。但近年来,我国许多利用达标建材所建造的房屋,室内氡浓度仍然超标^[4]。这说明一些建筑材料,尽管其²²⁶Ra含量相近,但氡析出能力可能相差很大^[5]。而作为氡析出能力的有效表征,氡射气系数引起了极大的研究关注^[6]。本研究以加气混凝土试块为研究对象,利用连续测氡仪和密闭累积腔体,开展了建材氡射气系数随其含水率、温度和相对湿度变化规律的实验研究,分析探讨了建材含水率,温度和相对湿度对其氡射气系数影响的规律。

1.设备与材料:中国地质大学生产的BH1224F型低本底γ谱仪,德国SARAD RTM 2200型连续测氡仪,北京市有机玻璃厂制作的有机玻璃密闭累积腔体(30 L),深圳VICTOR公司提供的VC230型温湿度计,上海花潮公司提供的UTP感量电子天平,美国康塔仪器公司Ultrapy 1200e孔隙度测量仪。某生产企业的普通加气混凝土试块,所含²²⁶Ra放射性比活度约为56 Bq·kg^-1,测量时采用铝膜和真空封泥将试块5面密封包裹。

2.氡射气系数计算:为实现加气混凝土试块氡射气系数的测量,可在待测介质放入密闭腔体后一段时间内对建材析出氡气的累积过程进行线性回归分析,参考文献^[7]的方法,拟合获得密闭腔体内氡浓度累积曲线(1~2)如下:

式中,ε为氡射气系数;b_fitted为回归曲线的斜率;C_Ra为样品²²⁶Ra比活度,Bq·kg^-1;m为样品的质量,kg;V_c为密闭腔体的有效体积,m³;C_Rn⁰ 为初始氡浓度,Bq·m^-3;λ_Rn为氡的物理衰变常数,0.007 6 h^-1;s为试块含水率;L为Ostwald系数,L=0.425 8e^{-0.050 2T}+0.105。式中,T为温度,℃;p为孔隙度,本实验样品约为P＝75%;λ_v为密闭腔体的氡泄露率,λ_v=0.001 6 h^-1;t为累积测量时间,t=36 h;V₀为待测样品体积,m^-3;V_c为密闭腔体的有效体积,m^-3。

3.氡射气系数的实验测量

(1)不同含水率的加气混凝土氡射气系数:先将加气混凝土试块放入电子恒温烘箱中在65℃的温度下烘烤3 d,至重量恒定后放入密封箱中冷至室温。然后依次进行加气混凝土试块干重时和含水率分别为2%、5%、10%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、53%和60%(饱和含水率)时的氡射气系数测量。

样品含水率控制方法为:2%、5%和10%含水率时,往加气混凝土试块表面均匀喷洒水汽至其待测含水率所对应的重量;10%以上的含水率时,将试块放入水池中浸泡至加气混凝土试块待测含水率所对应的重量;60%含水率(饱和含水率),将试块放入水池中浸泡至加气混凝土试块质量不再增加后。实验过程中,将试块加湿至设定含水率后均放入密封箱中静止放置48 h后,进行氡射气系数的测量。温度控制为(22.0±1.0)℃。

(2)不同温度条件下加气混凝土氡射气系数:利用苏州大学提供的型号为HD-3PLUS-2000的标准氡室来实现实验温度的精确控制,内部体积2.4 m³。实验中,温度分别控制在10、17、20、25、30、35和40℃,最大偏差≤±0.5℃。为严格控制 误差,所测量样品为绝干状态,测量回路内的相对湿度控制在1%左右。样品在待测环境中静置24 h后,进行建材氡射气系数的测量。

(3)不同相对湿度条件下加气混凝土氡射气系数:实验所要求相对湿度的控制是采用一个自制的相对湿度调控器,在固定温度下,利用各类无机盐类(LiCl、MgCl₂、NaBr、NaCl、K₂SO₄)的结晶或饱和溶液共存体系,获得较稳定的相对湿度^[8]。密闭腔体内的温度依靠标准氡室来实现,温度均控制在(20±0.5)℃。每次测量前,样品均在设定相对湿度环境下静置24 h。

4.统计学处理:采用SPSS 16.0软件分别对加气混凝土试块的氡射气系数测量结果进行配对t检验。P < 0.05为差异有统计学意义。

1.加气混凝土氡射气系数与含水率关系:加气混凝土试块的氡射气系数随着其含水率的增加而增加,并呈对数增长关系:ε=0.096·ln(s+2.43)+0.037,R²=0.952。见图1。

图 1()

图 1 加气混凝土氡射气系数与含水率关系拟合曲线

2.加气混凝土氡射气系数与温度关系:加气混凝土氡射气系数与温度如图2所示。Iskandar等^[9]通过理论分析,预测氡射气系数与环境温度呈线性正相关关系。实验结果显示,加气混凝土试块的氡射气系数随着其温度的增加而增加,并呈线性增长关系:ε=0.002 45·T+0.060 1,R²=0.987。

图 2()

图 2 加气混凝土氡射气系数与温度变化拟合曲线

3.加气混凝土氡射气系数与相对湿度关系:在相对湿度为12%、33%、60%、79%和95%的条件下,加气混凝土在不同相对湿度下的氡射气系数分别为0.310、0.285、0.289、0.278和0.285,差异均无统计学意义(P>0.05)。实验中,加气混凝土砌块的含水率控制(15±0.2)%。每次测量前后均称量样品质量,结果表明,不同相对湿度下各次测量时样品含水率偏差≤1%。

加气混凝土试块在含水率低于20%时,氡射气系数随着含水率的增加而增加,当含水率高于30%时,氡射气系数随着加气混凝土试块含水率的增加而缓慢增长并趋于饱和含水率时的氡射气系数值;达饱和含水率时的氡射气系数约为干重时的4倍。这与付锦和韩耀照^[10]关于饱和含水率的铀尾矿氡射气系数比干尾矿大2~6倍的研究结论符合一致。原因可能是存在于建材内部孔隙内水对反冲氡原子的阻止本领远远大于空气对氡原子的阻止本领,导致穿透孔隙内空气植入另一个固体晶粒中而固定下来的反冲氡原子的份额减少。停留在水中的氡原子便成为自由氡的一部分,从而导致氡射气系数增大。

Iskandar等^[9]通过理论分析,预测氡射气系数与环境温度呈线性正相关关系。Lee等^[11]发现石膏、磷肥和岩石的氡射气系数随温度的升高而线性增大。本研究发现加气混凝土试块氡射气系数与温度也呈现上述变化特性。经分析,加气混凝土氡射气系数与温度呈线性正相关的主要原因可能是试块内部温度升高,导致氡原子的热运动加剧,降低固体晶粒对反冲氡原子吸收份额。孔隙中自由氡的数量增大,氡射气系数随之增大。

加气混凝土试块氡射气系数与环境相对湿度不相关,也可从吴建华等^[12]关于的加气混凝土试块氡析出率与环境相对湿度不相关的研究结果得到支持。有学者指出,环境相对湿度对建筑材料氡射气析出的影响,主要是通过改变建筑材料含水率来实现的[13],材料含水率与空气相对湿度正相关。在本研究中,样品的其余5面均被真空封泥包裹;实验温度不高,(20±0.5)℃;测量时间也不长(每次测量时间为36 h),导致环境相对湿度对样品含水率的影响比较小。

本研究结果显示,含水率、温度变化对加气混凝土试块氡射气系数影响较大,加气混凝土试块的氡射气系数随着含水率的增大呈对数型增长;加气混凝土试块的氡射气系数随着环境温度的增大呈线性增长。环境相对湿度对加气混凝土试块的氡射气系数无显著性影响。在建材放射性危害评价与控制体系中引入氡射气系数或建立氡射气系数测量标准方法时,应注意含水率、温度的影响,并对二者作出相应的规定,以保证氡射气系数作为评价和控制指标的可操作性。