含重金属元素污泥混凝土材料防辐射性能影响因素和最佳制备方案探讨

田彬杉

摘 要

在一些工厂（如电镀厂、冶金厂、化工厂等）产生的废水或废渣中，往往含有超标的重金属元素，如铅、锌、镍、镉等。由于这类重金属元素对常见射线（如β、γ射线）屏蔽的能力较强，故本文将这类工业废渣加入到混凝土中，并制备成防辐射的混凝土材料，通过实验室对该类混凝土样品进行屏蔽检测，最终得出含污泥参量、焙烧温度和焙烧时间对该种混凝土材料放射性屏蔽性能影响较大，并优选出制备对常见γ射线屏蔽效果最好的含污泥混凝土配比。本文探讨的含污泥混凝土不仅可以为需要射线屏蔽的区域提供屏蔽材料，也为解决某些工业废水或废渣对环境污染的问题提供一种解决思路。

关键词

含污泥混凝土;屏蔽性能;正交设计;衰减;放射性屏蔽

中图分类号： X703;TU528             文献标识码： 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

在一些工厂（如电镀厂、冶金厂、化工厂等）产生的废水或废渣中，往往含有多种重金属元素，如Zn、Ba、Cr等，其中的一些些金属元素含量往往超过5.0g/cm3而不能随意排放。一旦这类污泥残渣中的重金属元素进入生物圈，将会对动植物造成极大的影响。将含有重金属元素的工业污泥按一定比例加入混凝土配方中，制备成特殊的混凝土材料，不仅可以为需要射线屏蔽的区域提供屏蔽材料[1]，也为解决某些工业废水或废渣对环境污染的问题提供一种解决思路。

根据射线的防护原理和屏蔽机制可知，重金属元素对常见的射线具有较好的屏蔽能力，通常材料对γ射线的屏蔽能力作为评价防辐射材料屏蔽核辐射能力強弱的一项指标。当单一能量的γ射线穿过物体时，有一部分γ射线会被物质所吸收，而穿过物体的γ射线会有一定的衰减[2]，我们用衰减系数来表征不同物质吸收射线能力的强弱，其衰减公式为：

μ=[ln（I0/I）]/x（1）

式中，I0为空测时γ能谱仪测量出的计数率;I为通过厚度为x（cm）的物质后γ射线照射量率;μ为衰减系数，Cm-1。

由公式（1）可以看出，线衰减系数越大，γ射线探测到的穿过物质的γ射线的计数率越小，那么线衰减系数的大小就代表了样品屏蔽γ射线性能的优越程度。

1 测试与分析

实验设计测试点分别为样品的中心点、距中心2mm和4mm处的圆环上均布的6个测点，共计13个测量点。实验时，放射源发出的γ射线由设计的测点穿过含污泥混凝土样品，再由用多道γ能谱仪测量出γ射线穿过每一个测量点的计数率。本次所用放射源类型为射线能量0.662MeV的137Cs放射源。

测量样品与样品上各测点布置与实验模型如下图1所示。

在制备样品时，主要考虑了污泥掺量、焙烧温度、焙烧时间、预烧温度、升温速率、冷却制度这6各因素对混凝土防辐射能力大小的影响[1]，我们设置每个影响因素各有5个水平（即每个因素下选的变化数值）。制备得的样品化学组分分析如下表1：

在測量结束后，将多道γ能谱仪记录的光电净峰面积求取平均值以后，根据公式（1），计算出各样片的衰减系数的平均值及其方差，得到表2所示的测量结果。

同时为了比选出最优的制备方案，同时还要考虑试验的简洁性和经济性，本文采用正交实验设计[3-6]（简称正交设计）对试验所得的线衰减系数与线衰减系数的标准差进行分析，对每个影响因素每个水平的数据进行处理，得到在不同影响因素影响下衰减系数的25种组合，正交分析结果如下表3与表4所示。

2 结论

本文中对含污泥混凝土材料进行γ射线屏蔽性能测试，试验测试数据经正交分析，得出对含污泥混凝土材料放射性屏蔽性能影响较大的因素有污泥参量、焙烧温度和焙烧时间，预烧温度、升温速率和冷却制度对其性能影响较小。

参考文献

[1]刘俊.富含重金属工业渣泥集料的防辐射性能研究[D].成都理工大学，2015.

[2]卢希庭.原子核物理[M].北京：原子能出版社，2000.

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