摻雜氧化鉍混凝土的輻射屏蔽效果研究及其優(yōu)化

張曉文 姚 婭 易 成,3 李 密 楊 蓉 蔣天嬌 楊 升

1（南華大學 放射性三廢處理與處置重點實驗室 衡陽 421001）2（南華大學 環(huán)境保護與安全工程學院 衡陽 421001）3（萬馬聯(lián)合控股集團有限公司 杭州 310018）

摻雜氧化鉍混凝土的輻射屏蔽效果研究及其優(yōu)化

張曉文1,2姚 婭2易 成2,3李 密1,2楊 蓉2蔣天嬌2楊 升2

1（南華大學 放射性三廢處理與處置重點實驗室 衡陽 421001）
2（南華大學 環(huán)境保護與安全工程學院 衡陽 421001）
3（萬馬聯(lián)合控股集團有限公司 杭州 310018）

將氧化鉍以粉末形式添加到普通混凝土中，制備出綠色無污染且具有良好的g射線屏蔽性能的摻雜氧化鉍的混凝土。相較于普通混凝土，氧化鉍-混凝土的屏蔽性能及力學性能均得到改善。對比屏蔽性能實驗結果及MCNP5 (Monte Carlo N-Particle 5)模擬結果，二者相符很好，可以用MCNP5進行后期配合比設計優(yōu)化。運用田口方法對水泥量、水膠比、氧化鉍比例及砂率等進行優(yōu)化設計。結果表明，對氧化鉍-混凝土屏蔽能力影響最大的參數(shù)是氧化鉍的加入量，其次為水泥量，水膠比及砂率的影響可忽略。

氧化鉍，混凝土，線衰減系數(shù)，MCNP5，田口法

國內外制備防輻射混凝土通常采用重混凝土[1]技術，但重混凝土易離析、混凝土施工性能差，且其加大了建筑物自重和對建筑物樁基礎要求，會給建筑物抗震性能帶來不利影響，所以采用新型、對射線具有良好吸收與反射性能的輕骨料或輕骨料和重骨料混摻技術，它是防輻射混凝土未來的研究方向與熱點問題[2]。而目前采用的混摻原料如鉛粉[3]、硬硼鈣石粉[4]、重晶石粉[4]等在投料前必須經(jīng)過研磨等特殊處理，隨之而來的粉塵問題不可忽視，而且這些粉末中含有對人體有害的物質，特別是鉛粉對人體危害更大。近年來，國際上為了防止公害、保護環(huán)境，提出了開發(fā)無鉛的輻射屏蔽材料的要求。美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory, LANL)對鉛的替代材料進行了研究，提出了用無毒且沒有環(huán)境危害的鉍作為鉛取代材料的建議[5]。其中，用鉍作屏蔽材料雖然初期材料成本會增大，但考慮到材料使用的全壽命周期，使用鉛則需增加額外培訓投入，對使用區(qū)域也有所限定，材料報廢后需要增加去污染流程以及確保工業(yè)衛(wèi)生等條件，所以鉍的長期經(jīng)濟效益更加可觀?；阢G材料的屏蔽材料已得到廣泛研究，如氧化鉍基屏蔽玻璃[6]、高密度橡膠[7]、纖維材料[8]等。

另外，屏蔽混凝土的屏蔽效率會隨混凝土組成材料而變化，即配合比設計過程中所考慮的如骨料種類及用量、水泥用量等會對混凝土輻射屏蔽效果產(chǎn)生不容忽視的影響。而目前，混凝土配合比設計研究大多是為了獲得較好的機械性能[9]。在輻射屏蔽領域，除了研究配合比設計對靜態(tài)結構的影響，還得考慮材料的屏蔽效率。另外，通過優(yōu)化配合比設計可以從一味采取重質骨料增加混凝土屏蔽效率轉換到從其他配合比設計因素出發(fā)，減少混凝土自重、節(jié)約成本，且增加混凝土屏蔽效率。

本文擬采用氧化鉍作為填料加入普通混凝土中制備出綠色無毒的新型g射線屏蔽材料。然后采用田口法進行實驗設計，結合MCNP5 (Monte Carlo N-Particle 5)程序評估和優(yōu)化摻加氧化鉍的混凝土配合比。

1 實驗

1.1 實驗原材料

膠結材料選用普通水泥PC32.5；細骨料采用天然河砂，細度模數(shù)為2.6，堆積密度為1.45×103kg·m?3；粗骨料選用碎石，堆積密度為1.55×103kg·m?3；填料選長沙市天久金屬材料有限公司生產(chǎn)的分析純Bi2O3；為進行后期MCNP5模擬，用PW4400對水泥、碎石、天然砂進行X射線熒光光譜(X-ray Fluorescence, XRF)分析，得到其成分如表1所示。

表1 水泥、碎石、天然砂成分分析Table 1 Composition of cement, gravel, natural sand (%).

1.2 配合比設計

根據(jù)混凝土的配合比設計標準JGJ55-2011[10]。強度等級為C30的普通混凝土的配合質量比為w（水泥）:w（水）:w（砂）:w（碎石）= 488:205:512:1141，其中水灰比為0.42。

氧化鉍以水泥量的5%、10%、15%、20%及25%的比例添加到普通混凝土中，得到重量接近普通混凝土的氧化鉍-混凝土。

1.3 混凝土制備

按§1.2的配合比設計制備普通混凝土及不同添加比例的氧化鉍-混凝土屏蔽材料。物料混合的順序為粗骨料-細骨料-氧化鉍-水，待物料混合均勻后，倒入標準實驗模具中，分三層震密實，24 h后脫模并置于水中進行養(yǎng)護。

1.4 g射線屏蔽實驗

混凝土g射線屏蔽實驗采用由南華大學及中核（北京）核儀器廠聯(lián)合研制的核技術應用物理實驗平臺BH1326。該測試平臺主要包括源（g、b源）鉛室、NaI(TI)探測器、計數(shù)系統(tǒng)及樣品附件。具體實驗裝置如圖1所示。

圖1 g射線屏蔽實驗裝置圖Fig.1 Experimental setup for g ray radiation shielding test.

該實驗裝置滿足窄束實驗要求。g放射源為137Cs源(7.4×105Bq)，能量為662 keV。實驗過程中，首先確保放射源、準直器和探測器中心置于一條水平線上；為減小實驗誤差，測量前先進行多次本底測量，求其本底的平均值；測試時將混凝土固定于探測器和放射源之間，進行30s定時的5次重復測量并取其均值；最后根據(jù)朗博·比爾法則得到混凝土的線衰減系數(shù)m：

式中：x表示屏蔽材料厚度；m表示線衰減系數(shù)；I0表示無混凝土屏蔽時測定的光子注量率值；I表示加混凝土樣品屏蔽后測定的光子注量率值。實驗結果如圖2所示。

圖2 氧化鉍-混凝土實驗結果Fig.2 Experimental results for Bi2O3-loaded concretes.

由圖2可知，氧化鉍添加量越多，線衰減系數(shù)越大，則屏蔽效果越好。說明添加氧化鉍可以增加普通混凝土的屏蔽效率，且線衰減系數(shù)增長率為3.15%?6.42%。屏蔽效率增長緩慢的主要原因是：雖然氧化鉍量相對水泥量在增多，但相對于整個混凝土體系，氧化鉍量只占總混凝土質量的1.05%?5.09%。

1.5 混凝土力學性能測試

本文采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm試件測試混凝土的抗壓強度，其中普通混凝土的160d抗壓強度為43.4 MPa，添加5%、10%、15%、20%、25%氧化鉍的混凝土160 d的強度分別為50.4MPa、54.6 MPa、47.0 MPa、51.6 MPa、56.8 MPa。

目前還沒有關于輻射屏蔽混凝土所需抗壓強度最低值的要求。實驗過程中所有混凝土樣品的抗壓強度都比設計值30 MPa高。且氧化鉍-混凝土樣品的抗壓強度比普通混凝土樣品的抗壓強度高，說明氧化鉍-混凝土不僅具有屏蔽優(yōu)勢，而且力學性能也有所改善。但隨著氧化鉍添加量增多，其相應的混凝土樣品的抗壓強度變化規(guī)律不明顯。本文中氧化鉍添加量為25%時的氧化鉍-混凝土樣品抗壓強度最大。

1.6 MCNP5模擬

MCNP程序可以有效計算人體器官、組織及屏蔽材料的g射線反應參數(shù)。已經(jīng)有大量研究者根據(jù)實際情況，通過應用 MCNP程序獲得各種混凝土、重金屬氧化物玻璃、金、銅等屏蔽材料的線衰減系數(shù)并與實驗結果比較[11?12]，證明了該程序運行結果可靠。本文實驗模型是用能量為0.662 MeV的g光子透射屏蔽混凝土，再由探測器得出穿過屏蔽混凝土后的g光子能量，同時為了提高計算速度，將整個模型用一球體罩住，球內其他部分為空氣，球外則為真空。模型如圖3所示。

圖3 MCNP5模型圖Fig.3 Simulation model for MCNP5.

MCNP5程序模擬結果如表2所示，MCNP5程序跟實驗結果的相對偏差在?2.32% ? 3.74%之間，說明兩者有很好的一致性，可以用MCNP5軟件分析配合比參數(shù)對m值的影響。

表2 MCNP5模擬結果與實驗結果比較Table 2 Comparison between MCNP5 simulation results and experiment.

2 田口法優(yōu)化實驗設計

2.1 參數(shù)選擇及實驗設計

為研究影響氧化鉍-混凝土屏蔽效率的主要參數(shù)，采用二次實驗設計進行研究。選取的主要參數(shù)包括：水泥量、水膠比、氧化鉍量、砂率。其中為確?；炷猎诩尤胫刭|填料氧化鉍后其不因填料不均等因素造成混凝土干裂，所以水量會隨著氧化鉍量而增加，氧化鉍在此處視作摻合料，所以本文中確保水膠比不變而非水灰比不變。實驗參數(shù)及其水平值如表3所示。

表3 田口法參數(shù)設計Table 3 Parameter design by using Taguchi method.

若按全因子設計，需要81(34)組模擬實驗。為減少實驗組數(shù)，可以采用田口法進行實驗設計。田口法利用正交表設計實驗方案，能在最少的實驗次數(shù)內找出多目標優(yōu)化設計的最佳組合方案[13]。由于混凝土本身配合比設計就是一個多參數(shù)的過程，因此可以采用田口法來降低實驗成本、縮短實驗周期。本研究中，實驗參數(shù)為4因子、3水平，選取田口法L9(34)試驗模型可以使得實驗次數(shù)從81組降到9組。

2.2 MCNP5模擬及分析結果

假設實驗設計出的混凝土同質無裂痕且忽略材料孔隙率，可以通過水泥、碎石、天然砂、氧化鉍及水的密度估算得到混凝土密度。進而，用MCNP5模擬的實驗結果如圖4所示。其中MCNP5模擬結果誤差在0.96%?2.37%。

圖4 線衰減系數(shù)隨能量變化C：水泥量，R：水:（氧化鉍+水泥），B：氧化鉍比例，b：砂率Fig.4 Variation between the linear attenuation coefficient and energy. C: Cement quantity, R: Water:(Bi2O3+cement) ratio, B: Bi2O3ratio, b: Sand ratio

在9組實驗中，線衰減系數(shù)最高的配合比設計為C3R1B3b2，且用該配合比設計的混凝土屏蔽效果比其余設計組合高出2.97%?14.22%，說明配合比設計對混凝土的屏蔽能力確實有影響。

為找到4個因素中影響最大的因素，所以進行信噪比分析。本研究旨在選取具有高線衰減系數(shù)的因子，所以選擇了“望大”的優(yōu)化準則。其信噪比r為：

式中：yi表示特性i的響應值，即本文中三種能量下的線衰減系數(shù)值；n代表特性yi的數(shù)據(jù)個數(shù)。

且為分析每個參數(shù)對氧化鉍基混凝土屏蔽性能的影響，進行組間平方和SSA(Sum of Squares Among Groups, SSA)分析：

式中：x表示基礎水量等參數(shù)；S表示線衰減系數(shù)；mx(Si)表示x的第i個水平下的S平均值；m(S)表示總的S平均值。

各參數(shù)的最優(yōu)解以及這些解的影響比重（由表4中圓括號中的數(shù)表示）結果如表4所示，信噪比結果如圖5所示。

表4 參數(shù)最優(yōu)水平及其影響所占比重Table 4 Optimum level of the parameter and their effectiveness percentage.

圖5 信噪比趨勢Fig.5 Trend of signal to noise ratio.

對氧化鉍-混凝土樣品屏蔽效率影響最大的參數(shù)為氧化鉍比例，其次為水泥量，水膠比及砂率的影響可忽略不計，且該結論適用于研究所用三個能級。三個能級下，配合比設計最優(yōu)組合為氧化鉍比例為25%，水灰比為0.42，基礎水量為420 kg·m?3，砂率為37.5%時，即為C3R1B3b2組合。

從信噪比趨勢圖可知，氧化鉍量越高越好，因為氧化鉍密度高于其他材料，隨著氧化鉍量增多，混凝土密度升高，如含25%氧化鉍的混凝土樣品的均密度比不含氧化鉍的混凝土樣品的均密度高10.22%；水泥量越高越好，因為此時天然砂、碎石等所占比例減少，而水泥密度相對較大，所以混凝土樣品密度增大，如水泥量為560 kg·m?3時的碎石量相比水泥量為342 kg·m?3時的碎石量減少了15.80%，但水泥量為560 kg·m?3時的混凝土樣品均密度比水泥量為342 kg·m?3時的混凝土樣品均密度高3.80%；水膠比越小越好，因為此時水泥量相對增高，混凝土樣品密度隨之升高，如水膠比為0.42時的混凝土樣品密度比水膠比為0.6時的混凝土樣品密度高1.63%，但相對氧化鉍比例及水泥量，該參數(shù)對線衰減系數(shù)值的影響相對較小；砂率有最優(yōu)值31%，但其線衰減系數(shù)值與其它砂率級別下的線衰減系數(shù)值相比差距不明顯，因為砂率影響到的僅是天然砂與碎石之間的比例關系，而砂與碎石的密度接近，所以砂率變化對混凝土密度影響不大。

最優(yōu)組合C3R1B3b2已經(jīng)體現(xiàn)在實驗設計中，此時線衰減系數(shù)為0.205。與前期實驗作對比，將最優(yōu)組與實驗組進行比較。優(yōu)化值比實驗值高6.76%，說明優(yōu)化效果明顯，可以用田口法指導混凝土配合比的優(yōu)化設計。

3 結語

氧化鉍以粉末形式添加到混凝土中可以改善混凝土的屏蔽性能及力學性能，且不會污染環(huán)境、危害作業(yè)人員，為開發(fā)新型綠色無毒的屏蔽混凝土開拓了新思路。通過田口法結合MCNP5程序對氧化鉍-混凝土配合比參數(shù)的研究表明：對氧化鉍基混凝土屏蔽效率影響最大的為氧化鉍比例，其次為水泥量，水膠比及砂率對其影響可以忽略。當氧化鉍比例為25%、水泥量為560 kg·m?3、水膠比為0.42、砂率為31%時，混凝土樣品的線衰減系數(shù)達到最

優(yōu)值。

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Radiation shielding efficiency and optimization of concrete incorporated with bismuth oxide

ZHANG Xiaowen1,2YAO Ya2YI Cheng2,3LI Mi1,2YANG Rong2JIANG Tianjiao2YANG Sheng2
1(Key Laboratory of Radioactive Waste Treatment and Disposal, University of South China, Hengyang 421001, China) 2(School of Environmental Protection and Safety Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China) 3(Wanma Group, Hangzhou 310018, China)

Background: To enhance the shielding properties of concrete mixtures, there is a tendency toward using various additives while most of these additives being used either pose hygiene hazards or require special handling processes. Purpose: To ensure the concretes being environmentally friendly and providing sufficient gamma ray radiation shielding efficiency, Bi2O3-loaded concrete mixtures are researched and optimized. Methods: Both experimental and theoretical methods were used to calculate the linear attenuation coefficient before using the Taguchi method to optimize concrete’s mix proportion which includes cement quantity, water-to-cementitious material ratio, Bi2O3rate and sand ratio. Results: The shielding abilities and mechanical properties of Bi2O3-loaded concretes were improved compared with ordinary concrete. There was small inconsistency between results obtained by MCNP5 (Monte Carlo N-Particle 5) program and experiment. Conclusion: It was suggested in the study that the most important parameter affecting the attenuation of the concrete’s radiation is the Bi2O3rate while cement quantity is the following factors, and the effects of water-to-cementitious material ratio and sand ratio are negligible.

Bismuth oxide, Concrete, Linear attenuation coefficient, MCNP5, Taguchi method

ZHANG Xiaowen, male, born in 1967, graduated from Hunan University with a doctoral degree in 2010, mainly engaged in the research of treatment and disposal of radioactive wastes

date: 2016-11-14, accepted date: 2017-01-20

TL344

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.060201

國家自然科學基金(No.51404141、No.51074093、No.U1401231)、湖南省教育廳科技計劃項目(No.15C1170)資助

張曉文，男，1967年出生，2010年于湖南大學獲博士學位，主要從事放射性三廢處理與處置研究

2016-11-14，

2017-01-20

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.51404141, No.51074093, No.U1401231), Hunan Provincial Department of Education Science and Technology Program (No.15C1170)