混凝土放射性水平被放射性超标骨料的影响研究

发表日期 2023-09-27 09:51:01 323

摘要：本文采用了一种放射性超标的机制砂作为细骨料，分别以放射性超标的碎石、放射性合格的碎石作为粗骨料，研究了所制备混凝土的放射性水平；针对放射性超标的机制砂混凝土，采用放射性水平较低的河砂取代机制砂，研究了所制备混凝土的放射性水平。结果表明：放射性水平较低的碎石和河砂起到了良好的稀释作用，可实现放射性超标机制砂及碎石制备出放射性合格的混凝土，为放射性超标骨料的合理利用提供了思路，对保障人民群众生命健康具有重要意义。

关键词：建筑材料放射性机制砂混凝土骨料

建筑材料的放射性通过体外辐射和体内辐射两个方面对人体造成危害[1]，主要会损害人体的造血器官、神经系统、生殖系统和消化系统等[2]，其危害程度分别以外照射指数（Iγ）和内照射指数（IRa）来衡量[3]。GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》对建筑主体材料中的天然放射性核素镭-226、钍-232、钾-40的放射性比活度要求为：应同时满足Ir≤1.0和IRa≤1.0。建筑材料的放射性大都来自两个方面[4]，一方面是来源于工业废渣，较高温度下形成的矿渣、粉煤灰等可使放射性聚集增强；另一方面则是自然环境中含有的，如岩石、土壤原本就具有放射性元素。

混凝土的原材料主要有水泥、矿渣、粉煤灰、砂、石等，其中砂、石骨料占比最大。近年来随着河砂资源的短缺，由天然岩石破碎而来的机制砂在混凝土中的应用比例越来越大，如若岩石放射性超标，则由其生产的砂、石放射性均超标，势必会导致所制备混凝土的放射性超标风险加大。据研究，我国南方几省的花岗岩平均放射性水平较高[5]，因此有必要研究放射性超标砂、石骨料的利用问题，对指导混凝土生产、确保所制备混凝土的放射性水平达标、保障人民群众生命健康具有重要意义。

1、试验

1.1原材料

水泥为42.5R硅酸盐水泥（P·Ⅱ42.5R）；粉煤灰为F类Ⅱ级粉煤灰；河砂为Ⅱ区中砂；机制砂为Ⅱ区中砂，其岩性为花岗岩；碎石包括卵石碎石和花岗岩碎石，其粒径均为5～25mm。上述原材料的放射性核素测试结果如表1所示。其中，粉煤灰的外照射指数略有超标，机制砂及碎石（花岗岩）外照射指数均超标，河砂及卵石的放射性水平均较低。

表1原材料的放射性核素测试结果

1.2试验方法

将水泥、粉煤灰烘干后过0.16mm筛，其中粉煤灰待测试样为依据标准《粉煤灰混凝土应用技术规范》GB/T50146-2014与硅酸盐水泥按质量比1:1混合均匀的样品，河砂、机制砂、碎石采用鄂式破碎机破碎后，利用WKDM-8型行星式球磨机粉磨后，过0.16mm筛备用。

本研究混凝土试块的成型尺寸为100mm×100mm×100mm，先采用压力试验机将试块压碎，将压碎后的试块置于（105±5）℃的烘箱中烘干，再采用衬板间距为5mm的鄂式破碎机进行二次破碎，最后采用DF-4型电磁式制样粉碎机粉磨4min，过0.16mm筛备用。

将处理后的待测样品粉末装入与标准样品几何形态一致的样品盒中，样品盒尺寸为φ75mm×70mm，称重、密封并放置4d后进行测试。测试仪器为MCA 2500R低本底多道γ能谱仪。

1.3混凝土配合比

以应用较为普遍的C20～C60强度等级混凝土为研究对象，分别研究了放射性未超标碎石、放射性超标碎石以及河砂在细骨料中占比对机制砂混凝土放射性的影响，在改变碎石种类和河砂占比的同时，适当调整减水剂用量，使混凝土坍落度控制在（160±30)mm，试验用混凝土的配合比如表2所示。

表2机制砂混凝土配合比

2、结果与分析

2.1放射性未超标碎石配制机制砂混凝土的放射性水平研究

以放射性未超标的卵石加工成的碎石为粗骨料，配制机制砂混凝土，其放射性水平测试结果如表3所示。

由表3可以看出，各强度等级机制砂混凝土的内照射指数和外照射指数均达标，且内照射指数和外照射指数随着混凝土强度等级的增大而降低。原因分析如下：机制砂在混凝土中的占比随着混凝土强度等级提升而降低，胶凝材料以及碎石的比例上升，机制砂的放射性核素被混凝土中其它材料稀释。由此可知，当所用碎石放射性未超标时，利用该放射性超标的机制砂所制备的混凝土放射性均未超标。

2.2放射性超标碎石配制机制砂混凝土的放射性水平

以放射性超标的花岗岩碎石为粗骨料配制机制砂混凝土，混凝土的放射性水平测试结果如表4所示。

由表4可知，当机制砂和碎石的放射性同时超标时，C20～C60各强度等级混凝土的外照射指数均超标。原因是机制砂和碎石在混凝土中的质量占比高达70%～80%，当机制砂和碎石的放射性均超标时，胶凝材料的稀释作用有限。

2.3河砂在细骨料中占比对机制砂混凝土放射性水平的影响

为解决上述机制砂和碎石放射性同时超标导致混凝土放射性超标的问题，将河砂以10%的占比递增取代混凝土中的机制砂，测得的不同强度等级混凝土放射性水平如图1～图7所示。

表3放射性未超标碎石机制砂混凝土的放射性水平

由图1～图7可以看出，混凝土的内照射指数、外照射指数均随着河砂占比的增加而逐渐降低，同时随着混凝土强度等级的提升，能够保证混凝土放射性合格的最低河砂占比逐渐降低。最低河砂占比由C20强度等级的50%降低到C60强度等级的10%。由此可见，当机制砂、碎石均存在一定程度放射性超标时，可通过采用放射性水平较低的河砂取代机制砂的方式，使所制备混凝土的放射性达标，并且混凝土强度等级越高，所需河砂的比例越低。

表4放射性超标碎石机制砂混凝土的放射性水平

图1河砂占比对C20强度等级混凝土放射性水平的影响

图2河砂占比对C30强度等级混凝土放射性水平的影响

图3河砂占比对C35强度等级混凝土放射性水平的影响

图4河砂占比对C40强度等级混凝土放射性水平的影响

图5河砂占比对C50强度等级混凝土放射性水平的影响

图6河砂占比对C55强度等级混凝土放射性水平的影响

图7河砂占比对C60强度等级混凝土放射性水平的影响

3、结论

⑴用放射性超标机制砂制备的混凝土，其内照射指数和外照射指数均随着强度等级的提高而降低，放射性水平较低的胶凝材料起到了稀释作用。

⑵当碎石的放射性满足标准要求时，采用该放射性超标的机制砂所配制的各强度等级混凝土放射性均达标。

⑶当碎石和机制砂的放射性均超标时，采用其所配制的各强度等级混凝土放射性均超标。