瓷磚地板接縫與非接縫處氡析出差異的實驗研究

葉勇軍,周 樂,李夢藝,夏 銘,劉淑媛

(南華大學 資源環(huán)境與安全工程學院,湖南 衡陽 421001)

0 引 言

氡是一種無色無味的放射性稀有氣體，普遍存在于大氣環(huán)境與建筑室內(nèi)之中，其對肺癌的誘發(fā)程度僅次于吸煙[1]，氡誘發(fā)的肺癌占所有肺癌的3%～14%[2]，2001年世界衛(wèi)生組織將氡列入19種環(huán)境致癌物質(zhì)之一[1]。近年來，氡對人體健康的有害影響受到了人們廣泛的關注。人的一生有80%～90%的時間都在室內(nèi)[3]，因此，普通公眾接收氡的劑量主要在建筑室內(nèi)。室內(nèi)氡的來源主要是地基下的土壤與巖石、建筑材料和燃氣等[4]，對于二層以上的建筑，建筑材料是室內(nèi)不可忽視的氡污染來源[5]。因為現(xiàn)代節(jié)能建筑氣密性增強和通風不良，氡會在室內(nèi)積聚，在室內(nèi)環(huán)境中吸入氡及其子體會造成人類最大的自然輻射暴露量[6-7]。

近年來，關于建筑材料氡析出率的研究方面，B.Frutos[8]探討了厚構件(如承重墻、結(jié)構地板和拱頂)內(nèi)部填充物產(chǎn)生的析出率，發(fā)現(xiàn)他們接近于在土壤中觀察到的值，比在建筑材料(如花崗巖)中發(fā)現(xiàn)的值大一到兩個數(shù)量級，認為結(jié)構構件中的內(nèi)部填充物是氡高析出率的主要來源。R.Rabi[9]利用有限體積法(finite volume method，F(xiàn)VM)研究室內(nèi)氡分布，他的研究結(jié)果表明室內(nèi)氡濃度分布不均勻是由于不同來源(墻、地板和天花板)的氡濃度差異造成的。I.T.Celikovic[10]采用密閉室法測量了幾種常用建筑材料的氡和釷表面析出率，結(jié)果表明，不同材料的氡析出率有很大的變化范圍，并提出監(jiān)測現(xiàn)代建筑材料的氡析出率具有重要意義。

目前的很多研究都將單一建筑材料(一塊瓷磚或一塊砌體)作為研究對象，將單塊建材的氡析出率作為建筑結(jié)構的氡析出率，忽略了這些建材構成了建筑結(jié)構后產(chǎn)生的差異，比如單塊瓷磚和貼瓷磚的地面在結(jié)構上發(fā)生變化，以及在實際使用過程中產(chǎn)生的變化，比如地板因保養(yǎng)不當出現(xiàn)開裂等情況。

1 材料和方法

1.1 實驗對象與裝置

本次實驗選擇南華大學第一教學樓機房地板(以下統(tǒng)稱為機房)、衡陽某小區(qū)住宅客廳地面(以下統(tǒng)稱為客廳)和南華大學某實驗室地板(以下統(tǒng)稱為實驗室)為試驗對象，具體如下：

實驗對象1：機房樓層位于第八層，現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，樓板厚度為200 mm，地面鋪有0.8 m×0.8 m的拋光瓷磚，瓷磚厚度為10 mm，瓷磚與瓷磚之間的縫隙寬度為(2±0.2) mm，縫隙由白水泥填充。實驗期間，該機房的兩臺空調(diào)處于運行狀態(tài)，測量期間室內(nèi)溫度為(27±0.45)℃。

實驗對象2：實驗室樓層位于第二層，現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，樓板厚度為100 mm，室內(nèi)長期開展多同材料的氡遷移與析出實驗，地面鋪有0.6 m×0.6 m的拋光瓷磚，瓷磚厚度為8 mm，測量處縫隙寬度為(1.1±0.3) mm，縫隙由白水泥填充。實驗期間，室內(nèi)開窗通風，室內(nèi)溫度為(20±0.37)℃。

實驗對象3：客廳樓層位于第五層，現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，樓板厚度為110 mm，地面鋪有0.6 m×0.6 m的拋光瓷磚，瓷磚厚度為8 mm，瓷磚與瓷磚之間的縫隙寬度為(1.5±0.2) mm，縫隙由補縫劑填充，實驗期間，依靠窗戶自然通風，室內(nèi)外溫度為(13±0.13)℃。

測量儀器：本實驗相關測量儀器包括長度測量儀器與氡濃度測量儀器。

本實驗用于測量瓷磚尺寸與集氡罩尺寸的儀器為皮尺，精度為0.001 m,用于測量地板縫隙的儀器為游標卡尺，精度為0.000 2 m。

本試驗中用于測量集氡罩內(nèi)氡濃度的儀器為radon eye(以下統(tǒng)稱為氡眼)，型號為RadonEye Plus2 (BLE & Wi-Fi)，測量范圍為7～9 435 Bq/m3，測量誤差≤10%。其頂部有一個液晶顯示屏，用于實時顯示儀器測量的氡濃度，該數(shù)值每10 min更新一次，每60 min進行一次數(shù)據(jù)存儲。此外，氡眼在監(jiān)測氡濃度時也將同時監(jiān)測溫度室內(nèi)溫度與濕度，儀器工作的環(huán)境濕度范圍為：10 ℃～40 ℃，RH<80%。儀器使用前在南華大學氡室進行標定，得出標定系數(shù)。

集氡罩：集氡罩是一個頂部封閉，底部敞開，底部邊緣略寬，長(29.5±0.23) cm,寬(23.6±0.15) cm,高(14.4±0.13) cm厚度約為0.2 cm的亞克力容器，亞克力材料的氡擴散系數(shù)為2.3×10-10m2/s[11]。

測量系統(tǒng)如圖1所示，將底部邊緣略寬的集氣罩扣在貼有瓷磚的地板上，集氡罩的覆蓋區(qū)域分別是瓷磚與瓷磚的一字縫、十字縫交接處及瓷磚表面非交接處。將氡眼放置在集氡罩內(nèi)，氡眼電源線從集氡罩頂部的小孔穿過。測量系統(tǒng)總體積為9 063.92±105.04 cm3(集氡罩的容積減去氡眼的固體體積)，集氡罩覆蓋面積為(692.89±1.99) cm2。

圖1 測量系統(tǒng)示意圖

1.2 實驗步驟

1)清理地面，將地面上的垃圾、灰塵及其他雜物清理干凈，以排除這些雜物對測量結(jié)果的影響；

2)在集氡罩頂部打孔，將氡眼電源線穿過集氡罩頂部的小孔，把氡眼放置在合適的位置，接上電源線，再用環(huán)氧樹脂膠將孔洞密封，環(huán)氧樹脂膠氡擴散系數(shù)為2.9×10-12m2/s[11]；

3)在集氡罩的底部邊緣貼上致密的EVA海綿雙面膠，EVA材料的氡擴散系數(shù)為5.7×10-14m2/s[11]，3個集氡罩分別扣在瓷磚與瓷磚交接的一字縫與十字縫處及瓷磚表面，其中，一字縫處覆蓋的縫隙長度為29.5，十字縫處覆蓋的兩條縫隙分別長29.5 cm，23.6 cm，再用工具壓實覆有雙面膠的四周，使之與地面緊貼，然后在集氡罩與地面接觸的地方再覆蓋一層致密的環(huán)氧樹脂膠，防止氡氣從集氡罩與地面接觸處泄露；

4)將氡眼電源線連接上電源，開始監(jiān)測集氡罩內(nèi)氡濃度的變化，同時，在集氡罩附近的地面上放置一個氡眼，用于監(jiān)測同高度位置室內(nèi)氡濃度的變化。待集氡罩內(nèi)氡濃度趨于穩(wěn)定后(3～4 d左右)，讀取累積過程中氡眼儲存的數(shù)據(jù)(氡活度濃度)。

1.3 局部靜態(tài)法地面氡析出率測量原理

假設待測介質(zhì)表面的氡析出率為E為一個常數(shù)，集氡罩外空氣氡濃度較低，采用局部靜態(tài)法測定氡析出率時，集氡罩內(nèi)氡濃度為：

(1)

式中：C為集氡罩內(nèi)氡濃度，Bq/m3；E為氡析出率，Bq/(m2·s)；λ為氡的衰變常數(shù)，λ=2.1×10-6s-1；λ1為反擴散系數(shù)，s-1；λb為泄露系數(shù)，s-1；S為集氡罩覆蓋面積，m2；V為測量系統(tǒng)氣體體積，m3。

若初始氡濃度C|t=0=C0，式(1)解析解為：

(2)

在本文中數(shù)據(jù)處理是利用Origin Pro中的非線性曲線擬合的功能，擬合方程由式(3)所示：

(3)

b=λ+λ1+λb

則氡析出率與反擴散系數(shù)及泄露系數(shù)為：

λ1+λb=b-2.1×10-6

(4)

氡析出率不確定度的傳播由下式體現(xiàn)：

(5)

式中：σa為擬合參數(shù)a的不確定度，σb擬合參數(shù)b的不確定度，σS為由測量誤差引起的S的不確定性，σV為由測量誤差引起的V的不確定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 集氡罩內(nèi)氡濃度測量結(jié)果

客廳、機房、實驗室三處建筑室內(nèi)地面集氡罩內(nèi)從初始狀態(tài)到平衡狀態(tài)氡濃度的變化曲線如圖2所示。

圖2 集氡罩內(nèi)氡濃度變化曲線

由圖2可以看出：

1)集氡罩內(nèi)氡濃度在開始的一段時間上升速度較快，而后經(jīng)歷了一段緩慢的增長后趨于穩(wěn)定；

2)機房、客廳、實驗室中覆蓋瓷磚表面的集氡罩內(nèi)平衡氡濃度均不相同，分別是(185±13) Bq/m3，(235±23) Bq/m3，(78±8) Bq/m3；

3)三處地點中，覆蓋了一字縫、十字縫與瓷磚表面的集氡罩內(nèi)平衡氡濃度有顯著差異。機房、客廳、實驗室覆蓋一字縫的集氡罩平衡氡濃度分別為：(733±43) Bq/m3，(835±54) Bq/m3，(195±23) Bq/m3；覆蓋十字縫的集氡罩內(nèi)平衡氡濃度分別為：(1 623±54) Bq/m3，(2 475±48) Bq/m3，(539±33) Bq/m3。

2.2 氡析出率計算結(jié)果

圖3(a)為實驗期間室內(nèi)溫度的變化情況，圖3(b)為實驗期間監(jiān)測的三處室內(nèi)氡濃度的變化，取平均值作為建筑室內(nèi)的初始氡濃度C0,機房、客廳、實驗室內(nèi)初試氡濃度分別為10 Bq/m3，20 Bq/m3，35 Bq/m3。利用式(3)進行非線性曲線擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖3 實驗期間室內(nèi)溫度與環(huán)境氡濃度

圖4 地面氡析出率擬合結(jié)果

根據(jù)非線性曲線擬合的結(jié)果，利用公式(4)和公式(5)計算出氡析出率E及其不確定度。計算結(jié)果見表1。

表1 氡析出率計算結(jié)果

由表1及圖5可知：

圖5 不同情況下的氡析出率

1)盡管都是瓷磚地面，但客廳、機房、實驗室三處地點瓷磚表面氡析出率差異也比較大?？蛷d最高(0.413 mBq/(m2·s))，機房次之(0.327 mBq/(m2·s))，實驗室最低(0.074 mBq/(m2·s))；

2)瓷磚與瓷磚交接處縫隙的存在對地面氡析出率有很大的影響。在機房、客廳、實驗室中，十字縫處的表面氡析出率分別7.95倍、11.36倍、6.25倍，一字縫處表面氡析出率分別是瓷磚表面氡析出率的3.19倍，2.43倍，2.25倍；

3)縫隙面積大小也會導致氡析出率產(chǎn)生差異，本次實驗中，十字縫的縫隙面積大約是一字縫縫隙面積的1.8倍，在機房、客廳、實驗室中，十字縫地面氡析出率分別是一字縫隙地面氡析出率的2.5倍、4.4倍、2.7倍。

同是瓷磚表面，氡析出率卻有很大的差異，產(chǎn)生這種差異的原因有很多：其一，機房、客廳、實驗室所在的建筑物不同，使用的建筑材料不同，建筑物的使用年限有差別，建筑材料的老化程度不一；其二，三處地面貼的瓷磚并非同一品牌，生產(chǎn)工藝有差異；其三是季節(jié)的影響，客廳里地面氡析出率的測量時間在冬季，而實驗室和客廳兩處地面氡析出率的測量時間在春夏交接的季節(jié)。

氡氣從地板中向外遷移時，會優(yōu)先從縫隙中出來，這可能是由于縫隙處孔隙率較其他部分大，有利于氡從多孔介質(zhì)中遷移出來，逃逸到空氣中。從瓷磚表面遷移出來的氡遠遠少于從瓷磚與瓷磚相接的縫隙中遷移出來的氡。由此可見，對于貼瓷磚的地板或者其他存在縫隙的墻體等建筑維護結(jié)構，在監(jiān)測其氡析出率時，不能僅僅用某個表面的氡析出率代替整體的氡析出率，要考慮縫隙的存在對氡析出率的影響。此外，在研究室內(nèi)氡的來源與抑制氡析出的手段時，可以從抑制氡的主要通道著手，利用更能阻擋氡遷移的材料將縫隙密封，切斷氡的析出通道。

3 結(jié) 論

采用局部靜態(tài)法，以實驗室、客廳以及機房三處建筑室內(nèi)貼瓷磚地面為對象，監(jiān)測了一字縫、十字縫及瓷磚表面的氡析出率，得出以下結(jié)論：

1)機房、客廳、實驗室瓷磚表面的氡析出率分別是0.327 mBq/(m2·s)、0.413 mBq/(m2·s)、0.072 mBq/(m2·s)。

2)縫隙對貼瓷磚地面的氡析出率影響很大，縫隙越多的地方，表面氡析出率越大。一字縫地面氡析出率分別是(1.044±0.047) mBq/(m2·s)、(1.005±0.068 5) mBq/(m2·s)、(0.162±0.044) mBq/(m2·s)：十字縫地面氡析出率分別是(2.600±0.109) mBq/(m2·s)、(4.466±0.162) mBq/(m2·s)、(0.450±0.095) mBq/(m2·s)。

3)在監(jiān)測地面、墻體等建筑結(jié)構的表面氡析出率時，要考慮砌體交接處的縫隙或因開裂產(chǎn)生的縫隙的影響，不能簡單地使用某一處的氡析出率作為整體氡析出率。

4)縫隙是氡從建材中溢出的重要通道，對于由于老化產(chǎn)生開裂現(xiàn)象的地面、墻面等建筑結(jié)構，可以利用致密材料填補裂隙的方法抑制氡的析出。