含重金屬元素污泥混凝土材料防輻射性能影響因素和最佳制備方案探討

田彬杉

摘 要

在一些工廠（如電鍍廠、冶金廠、化工廠等）產(chǎn)生的廢水或廢渣中，往往含有超標(biāo)的重金屬元素，如鉛、鋅、鎳、鎘等。由于這類重金屬元素對(duì)常見射線（如β、γ射線）屏蔽的能力較強(qiáng)，故本文將這類工業(yè)廢渣加入到混凝土中，并制備成防輻射的混凝土材料，通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)該類混凝土樣品進(jìn)行屏蔽檢測(cè)，最終得出含污泥參量、焙燒溫度和焙燒時(shí)間對(duì)該種混凝土材料放射性屏蔽性能影響較大，并優(yōu)選出制備對(duì)常見γ射線屏蔽效果最好的含污泥混凝土配比。本文探討的含污泥混凝土不僅可以為需要射線屏蔽的區(qū)域提供屏蔽材料，也為解決某些工業(yè)廢水或廢渣對(duì)環(huán)境污染的問題提供一種解決思路。

關(guān)鍵詞

含污泥混凝土;屏蔽性能;正交設(shè)計(jì);衰減;放射性屏蔽

中圖分類號(hào)： X703;TU528 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 84

Abstract

In the waste water or slag produced by some factories （such as electroplating factory， metallurgical factory， chemical factory， etc.），it often containing excessive heavy metal elements， such as lead， zinc， nickel， cadmium and so on.Because this kind of heavy metal element has strong ability to shield common rays （such as β， γ rays），in this paper， we added this kind of industrial waste to concrete and make it into radiation proof concrete material， and we conduct shielding test on such concrete samples in the laboratory. Finally， it is concluded that the proportion of sludge， baking temperature and baking time have great influence on the radiation shielding performance of this kind of concrete material， and through analysis， we optimized the best manufacturing conditions of sludge concrete with the best shielding effect on common γ- ray. In this paper， the sludge concrete， we discussed， can not only provide shielding materials for areas requiring radiation shielding， but also provide a solution to the problem of environmental pollution caused by some industrial wastewater or waste residue.

Key words

Sludge concrete; Shielding performance; Orthogonal design; Attenuation; Radioactive shielding

0 引言

在一些工廠（如電鍍廠、冶金廠、化工廠等）產(chǎn)生的廢水或廢渣中，往往含有多種重金屬元素，如Zn、Ba、Cr等，其中的一些些金屬元素含量往往超過5.0g/cm3而不能隨意排放。一旦這類污泥殘?jiān)械闹亟饘僭剡M(jìn)入生物圈，將會(huì)對(duì)動(dòng)植物造成極大的影響。將含有重金屬元素的工業(yè)污泥按一定比例加入混凝土配方中，制備成特殊的混凝土材料，不僅可以為需要射線屏蔽的區(qū)域提供屏蔽材料[1]，也為解決某些工業(yè)廢水或廢渣對(duì)環(huán)境污染的問題提供一種解決思路。

根據(jù)射線的防護(hù)原理和屏蔽機(jī)制可知，重金屬元素對(duì)常見的射線具有較好的屏蔽能力，通常材料對(duì)γ射線的屏蔽能力作為評(píng)價(jià)防輻射材料屏蔽核輻射能力強(qiáng)弱的一項(xiàng)指標(biāo)。當(dāng)單一能量的γ射線穿過物體時(shí)，有一部分γ射線會(huì)被物質(zhì)所吸收，而穿過物體的γ射線會(huì)有一定的衰減[2]，我們用衰減系數(shù)來表征不同物質(zhì)吸收射線能力的強(qiáng)弱，其衰減公式為：

μ=[ln（I0/I）]/x（1）

式中，I0為空測(cè)時(shí)γ能譜儀測(cè)量出的計(jì)數(shù)率;I為通過厚度為x（cm）的物質(zhì)后γ射線照射量率;μ為衰減系數(shù)，Cm-1。

由公式（1）可以看出，線衰減系數(shù)越大，γ射線探測(cè)到的穿過物質(zhì)的γ射線的計(jì)數(shù)率越小，那么線衰減系數(shù)的大小就代表了樣品屏蔽γ射線性能的優(yōu)越程度。

1 測(cè)試與分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)測(cè)試點(diǎn)分別為樣品的中心點(diǎn)、距中心2mm和4mm處的圓環(huán)上均布的6個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)13個(gè)測(cè)量點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，放射源發(fā)出的γ射線由設(shè)計(jì)的測(cè)點(diǎn)穿過含污泥混凝土樣品，再由用多道γ能譜儀測(cè)量出γ射線穿過每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的計(jì)數(shù)率。本次所用放射源類型為射線能量0.662MeV的137Cs放射源。

測(cè)量樣品與樣品上各測(cè)點(diǎn)布置與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缦聢D1所示。

在制備樣品時(shí)，主要考慮了污泥摻量、焙燒溫度、焙燒時(shí)間、預(yù)燒溫度、升溫速率、冷卻制度這6各因素對(duì)混凝土防輻射能力大小的影響[1]，我們?cè)O(shè)置每個(gè)影響因素各有5個(gè)水平（即每個(gè)因素下選的變化數(shù)值）。制備得的樣品化學(xué)組分分析如下表1：

在測(cè)量結(jié)束后，將多道γ能譜儀記錄的光電凈峰面積求取平均值以后，根據(jù)公式（1），計(jì)算出各樣片的衰減系數(shù)的平均值及其方差，得到表2所示的測(cè)量結(jié)果。

同時(shí)為了比選出最優(yōu)的制備方案，同時(shí)還要考慮試驗(yàn)的簡(jiǎn)潔性和經(jīng)濟(jì)性，本文采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[3-6]（簡(jiǎn)稱正交設(shè)計(jì)）對(duì)試驗(yàn)所得的線衰減系數(shù)與線衰減系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行分析，對(duì)每個(gè)影響因素每個(gè)水平的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到在不同影響因素影響下衰減系數(shù)的25種組合，正交分析結(jié)果如下表3與表4所示。

2 結(jié)論

本文中對(duì)含污泥混凝土材料進(jìn)行γ射線屏蔽性能測(cè)試，試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)正交分析，得出對(duì)含污泥混凝土材料放射性屏蔽性能影響較大的因素有污泥參量、焙燒溫度和焙燒時(shí)間，預(yù)燒溫度、升溫速率和冷卻制度對(duì)其性能影響較小。

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