一種地下工程防氡效果評價(jià)方法

羅紹東 鄧躍全 董發(fā)勤 曲瑞雪 解忠雷

（西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 綿陽 621010）

一種地下工程防氡效果評價(jià)方法

羅紹東 鄧躍全 董發(fā)勤 曲瑞雪 解忠雷

（西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 綿陽 621010）

針對地下工程中高濕度條件下測量儀器的工作時(shí)間短、防氡效果評價(jià)難的問題，提出了一種快速評價(jià)方法。在密閉的地下工程試驗(yàn)房中，氡的實(shí)測濃度由即時(shí)本底理論衰變濃度和未屏蔽部分組成，結(jié)合初濃度便可計(jì)算出屏蔽率。實(shí)驗(yàn)表明，得到的地下工程屏蔽率隨時(shí)間變化而保持一定的穩(wěn)定，實(shí)測的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.95%，可以通過短時(shí)間內(nèi)測得的屏蔽率作為最終屏蔽率，從而實(shí)現(xiàn)地下工程特殊條件下的氡防護(hù)效果快速測定和評價(jià)。在地面實(shí)驗(yàn)室采用局部靜態(tài)法進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，得到的氡屏蔽率基本相符。

地下工程，防氡效果，評價(jià)方法

氡是一種天然產(chǎn)生的放射性惰性氣體，它無色無味，被人體吸入后，作用于支氣管及肺泡上皮細(xì)胞，可引起各種損傷，特別容易誘發(fā)肺癌，世界衛(wèi)生組織把氡列為使人致癌的19種最主要的物質(zhì)之一[1-2]。國防和人防地下工程，由于深入地下，氡主要源于巖體、土壤中含有的大量鈾、釷等天然放射性核素的衰變，再加之地下密閉性好、通風(fēng)能力差，其氡濃度一般高達(dá)到103Bq·m-3甚至104Bq·m-3，遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)地下工程要求的 400 Bq·m-3[3-4]，如何防護(hù)各類工程中的氡污染已成為一個(gè)亟待解決的問題。目前，室內(nèi)防氡處理方法有通風(fēng)法、靜電法以及涂刷防氡材料等[5-6]。對地下工程而言，采用涂刷防氡材料進(jìn)行防氡處理是一種比較切實(shí)可行的方法，但目前針對地下工程的氡防護(hù)效果評價(jià)方法沒有現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)或其它行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。地面實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氡防護(hù)材料的防氡效果評價(jià)已有一些報(bào)道：山東省醫(yī)科院放射醫(yī)學(xué)研究所林俊明等[7-8]采用了局部靜態(tài)法以及密封法，通過測定防氡涂料涂層氡的表面析出率來進(jìn)行防氡效果的評價(jià)；南華大學(xué)肖德濤等[9]采用含鐳較高的碳化磚作為氡源，將其放入自制的有機(jī)玻璃檢驗(yàn)箱中并密封，對自制氡源涂刷防氡涂料前后的氡濃度進(jìn)行了測試，根據(jù)前后的測試結(jié)果進(jìn)行防氡效果評價(jià)；本課題組開展防氡材料研究，也采用了局部靜態(tài)法和密封法進(jìn)行氡屏蔽效果的測定[10-13]。在進(jìn)行地下工程防氡材料研究，開展地下工程防氡效果試驗(yàn)時(shí)，選取了某大型地下工程中的某個(gè)房間進(jìn)行防氡材料應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)房與整個(gè)工程其他空間是連通的，為獲得防氡效果的測量，必須要密封試驗(yàn)房，測試其防氡處理前后的氡釋放濃度，進(jìn)而評價(jià)其防氡效果。然而地下工程的80%-90%高濕度條件下測量儀器的工作時(shí)間短，以美國DURRIDGE公司的RAD7電子氡探測儀為例，其工作時(shí)間只有兩天左右，兩天后儀器干燥劑失效，測試數(shù)據(jù)大幅波動(dòng)，不能進(jìn)行長期準(zhǔn)確的測量，難以進(jìn)行地下工程防氡處理的效果評價(jià)。

本文結(jié)合氡的衰變符合一級反應(yīng)的特點(diǎn)，提出了一種地下工程防氡效果的評價(jià)方法，該法可結(jié)合初濃度，在短時(shí)間內(nèi)測試數(shù)據(jù)，計(jì)算出屏蔽率，進(jìn)而對防氡效果進(jìn)行評價(jià)，并在地面實(shí)驗(yàn)室，通過局部靜態(tài)法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，測定相同防氡處理的屏蔽效果，對該評價(jià)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，該方法結(jié)果準(zhǔn)確和切實(shí)可行。

1 原理

該防氡效果評價(jià)方法的基本原理如下：根據(jù)氡的衰變鏈可以知道，其控制步驟為第一步，222Rn→218Po，其半衰期為3.825d，其余幾個(gè)衰變的半衰期都較短，其衰變鏈如圖1所示。

圖1 222Rn的衰變鏈Fig.1 Decay series of 222Rn.

又因?yàn)榉派湫栽氐乃プ円?guī)律都遵循化學(xué)一級反應(yīng)，其反應(yīng)速率表示為：

式中，v代表反應(yīng)速率；dc為瞬時(shí)濃度；dt為反應(yīng)時(shí)間；k為一級反應(yīng)常數(shù)；c為即時(shí)濃度。由式(1)積分得：

根據(jù)半衰期理論可以得出：

將其k代入式(3)得：

式中，c0代表原始濃度（初濃度）；c為即時(shí)本底理論衰變濃度；t為衰變時(shí)間。

因此氡的衰變率S為：

又因?yàn)殡钡陌胨テ跒?.825d，因此氡衰變過程中即時(shí)本底理論衰變濃度c與c0、t的關(guān)系如式(8)所示：

以累積衰變時(shí)間t(單位d)為自變量，對c/c0和衰變率S作得的關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 c/c0和衰變率S與累積衰變時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relationship between decay concentration c/c0, decay rate S and cumulative decay time.

當(dāng)t的單位為h時(shí)，式(8)可以轉(zhuǎn)換成式(9)：

由圖2可知，隨著累積衰變時(shí)間的增加，即時(shí)本底理論衰變濃度c逐漸降低（初濃度c0保持不變），衰變率逐漸增加，經(jīng)過2d后，c濃度為c0的69%，經(jīng)過4d后，為49%左右，而欲使c達(dá)到c0的10%，則需要13d，24d后，氡才能基本衰變完全，衰變率才能達(dá)到98.7%。以一個(gè)初濃度c0在2000Bq·m-3左右的地下工程為例，要達(dá)到國家地下工程標(biāo)準(zhǔn)要求的400Bq·m-3以內(nèi)，在完全屏蔽的情況下，需要10d左右才能達(dá)到，而本次地下工程實(shí)驗(yàn)中，儀器的使用時(shí)間只有兩天左右，難以獲得最終的屏蔽效果數(shù)據(jù)，因此需要提出一種新的簡捷有效的地下工程氡屏蔽效果評價(jià)方法。

在實(shí)際防氡效果評價(jià)中還有一部分為未屏蔽的部分，會(huì)不停釋放氡及氡子體，因此，實(shí)測的氡濃度cm，由未屏蔽部分和即時(shí)本底理論衰變濃度兩部分組成，初濃度衰變部分符合氡衰變規(guī)律，未屏蔽部分定義為cu，其數(shù)值應(yīng)為cm-c（c為即時(shí)本底理論衰變濃度）。我們定義屏蔽率為P，因此可通過式(10)計(jì)算屏蔽率：

根據(jù)式(10)，就可通過實(shí)測濃度cm、即時(shí)本底理論衰變濃度c以及初濃度c0計(jì)算出即時(shí)的屏蔽率。如果通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，屏蔽率P能隨時(shí)間變化而保持一定的穩(wěn)定，就可通過短時(shí)間內(nèi)測得的屏蔽率作為最終屏蔽率，從而實(shí)現(xiàn)地下工程特殊條件下的氡防護(hù)效果評價(jià)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)儀器及材料

2.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

RAD-7型α能譜氡氣檢測儀，美國Durridge公司；SYM-A型球磨機(jī)，河南省宏遠(yuǎn)機(jī)械制造有限公司；DHG-9070A臺(tái)式干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；ZT-1型混凝土試驗(yàn)用振動(dòng)臺(tái)，無錫建儀儀器機(jī)械有限公司；SJ-15型砂漿攪拌機(jī)，無錫建儀儀器機(jī)械有限公司。

2.1.2 實(shí)驗(yàn)材料

防氡材料：自制；普通硅酸鹽水泥：四川省江油雙馬水泥集團(tuán)生產(chǎn)，密度為3.1g·cm-3，比表面積為3770cm2·g-1；粉煤灰：綿陽熱電廠，密度2.55g·cm-3，比表面積5183cm2·g-1。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 某地下工程的防氡效果測試

用氡防護(hù)材料對某地下工程房間做了氡防護(hù)實(shí)驗(yàn)，并用RAD-7型α能譜氡氣檢測儀測定了防護(hù)前、后的氡濃度，根據(jù)前后的測試結(jié)果計(jì)算出防氡效果。

(1) 防氡處理前的初濃度測試

分別對該房間的空調(diào)出口以及插座孔等有可能造成氡氣外源進(jìn)入的空隙進(jìn)行暫時(shí)的密閉處理，封閉12h后放入RAD-7氡探測儀進(jìn)行本底測試，本文采用美國EPA的規(guī)定，測試時(shí)間為2d，測試周期為1h。

(2) 防氡處理及效果測試

采用防氡材料對房間進(jìn)行防氡處理，先對原有的墻面地面進(jìn)行清理，達(dá)到涂刷要求，然后進(jìn)行防氡層的涂刷，待防氡涂層干燥后進(jìn)行防氡測試。

2.2.2 氡防護(hù)效果的對比測定

采用局部靜態(tài)法對防氡處理前后的氡濃度進(jìn)行測定[7]，根據(jù)前后測試的結(jié)果計(jì)算出了氡屏蔽率。

(1) 自制氡源

①原材料的處理

粉煤灰于120-130 °C下烘干，含水量＜0.5%，將烘干后的粉煤灰球磨40min備用，其細(xì)度為0.08mm，方孔篩余小于3.0%，勃氏比表面積為480m2·kg-1。

②模塊的制備

按水泥:粉煤灰=1:3（質(zhì)量比）的比例分別稱取一定量的水泥和粉煤灰，制備成150mm× 150mm×150mm的氡源模塊，放于養(yǎng)護(hù)箱里養(yǎng)護(hù)24h后脫模，把模塊放于養(yǎng)護(hù)池里養(yǎng)護(hù)28d，以待備用。

(2) 玻璃密封罩的制備

制備規(guī)格為130mm×130mm×300mm的玻璃罩，該玻璃罩為5面的空心長方體。分別在距玻璃罩頂面30mm和距底面30mm的側(cè)面上開2個(gè)直徑為5mm相互對稱的小孔作為收集空氣樣品所用橡膠管的進(jìn)出口。

(3) 氡防護(hù)處理及防護(hù)效果測定

①氡源模塊初濃度測試

在氡源模塊上罩上玻璃密封罩，并對玻璃罩與模塊接觸面進(jìn)行密封，然后進(jìn)行測定，獲得自制氡源初濃度。

②防氡處理及效果測試

對氡源模塊進(jìn)行防氡處理（涂刷防氡層），干燥后，罩上玻璃罩密封后進(jìn)行測試，得出屏蔽后的氡濃度，按局部靜態(tài)法計(jì)算氡的屏蔽率。

3 結(jié)果與討論

3.1應(yīng)用于某地下工程防氡試驗(yàn)檢測結(jié)果

對地下工程防氡處理后進(jìn)行了測試，測得初濃度c0為960 Bq·m-3，初濃度隨時(shí)間衰變的結(jié)果和防氡處理后的測試結(jié)果如表1所示，進(jìn)行了34h的測定，共獲得17組測試數(shù)據(jù)，34h后儀器干燥劑失效，數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。結(jié)合式(10)可以計(jì)算出即時(shí)的氡屏蔽效率，結(jié)果如表1所示。

表1 應(yīng)用于某地下工程防氡試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of radon protective experiment in underground construction.

由表1可知，在進(jìn)行測試的時(shí)間內(nèi)，實(shí)測氡濃度cm整體呈下降的趨勢，屏蔽率P能隨時(shí)間變化而基本保持穩(wěn)定，防氡效果穩(wěn)定。個(gè)別數(shù)據(jù)的偏離，是由于氡測定波動(dòng)性大的原因造成的（如溫度的變化）。從表1中實(shí)測氡濃度的波動(dòng)范圍可以看出，氡的濃度測定值本身就有較大波動(dòng)，因此相對而言，可認(rèn)為本次試驗(yàn)得出的屏蔽率基本穩(wěn)定，17次測定的平均值為100.45%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.95%。

3.2局部靜態(tài)法對氡防護(hù)效果的對比測定

采用相同的防氡材料和處理工藝，處理自制的粉煤灰氡源，在地面實(shí)驗(yàn)室采用局部靜態(tài)法進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)最終測得氡的平均屏蔽率為99.8%，與本文提出的方法測定的地下工程中的屏蔽率基本一致，證明了該評價(jià)方法的正確性。

4 結(jié)語

(1) 提出了一種快速的地下工程防氡效果的評價(jià)方法，推導(dǎo)出氡屏蔽率的計(jì)算公式為P=[1-(cm-c)/c0]×100%。其中，氡的實(shí)測濃度cm由即時(shí)本底理論衰變濃度c和未屏蔽部分組成，c0為初濃度。

(2) 屏蔽率P能隨時(shí)間變化而保持一定的穩(wěn)定，實(shí)測波動(dòng)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.95%，可通過短時(shí)間內(nèi)測得的屏蔽率作為最終屏蔽率，從而實(shí)現(xiàn)地下工程特殊條件下的氡防護(hù)效果快速測定和評價(jià)。在地面實(shí)驗(yàn)室采用局部靜態(tài)法進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，得到的氡屏蔽率與本方法相符。

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CLCTL77

Evaluation method of radon preventing effect in underground construction

LUO Shaodong DENG Yuequan DONG Faqin QU Ruixue XIE Zhonglei
(School of Materials, Southwest University of Science and Technology of Sichuan Province, Mianyang 621010, China)

Background:It’s difficult to evaluate the radon prevention effect because of the short operating time of measuring instrument under the circumstances of high humidity in underground construction. Purpose: A new rapid method to evaluate the radon prevention efficiency of underground construction was introduced. Methods: The radon concentrations before and after shielding operation were determined, and according to the regularity of radon decay, the shielding rate can be calculated. Results: The results showed that radon shielding rate in underground construction remains generally stable with variation of time, and the actual relatively standard deviation was 3.95%. So the rapid determination and evaluation of radon preventing effect under special conditions in underground construction can be realized by taking shielding rate in a short time for the final shielding rate. Compared with those by the local static method in ground lab, the results were similar. Conclusion: This paper provided a prompt, accurate and practicable way for the evaluation of radon prevention in underground construction, having a certain reference value.

Underground construction, Radon preventing effect, Evaluation method

TL77

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060501

羅紹東，男，1988年出生，2011年畢業(yè)于四川理工學(xué)院，現(xiàn)為西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院應(yīng)用化學(xué)碩士研究生

鄧躍全，E-mail: dengyuequan@126.com

2013-12-23，

2014-03-24