（分析化学专业论文）防氡防辐射技术在工业废渣基建筑材料中的应用研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本课题对防氡防辐射技术在工业废渣基建材中的应用进行了研究。探索 了氡测定的影响因素，试验了粒度、测定时间以及温度对建材制品氡测定的 影响；设计和制备控温测氡装置，提出了建材制品原位控温测氡技术，氡测 定的r s d 达到3 2 5 ，稳定性比传统方法提高了数倍；利用钢渣的防氡防辐 射功能，研究了钢渣对粉煤灰和磷石膏基建材制品氡和放射性的防护作用， 试验了钢渣的加入量和细度对防护效果的影响；将钢渣、沸石、重晶石和三 氧化二铁进行复配，对粉煤灰和磷石膏基建材的氡和放射性污染进行复合防 护，对粉煤灰模块的放射性屏蔽在2 5 左右，氡的平均屏蔽率为4 8 ；对磷 石膏模块的放射性的平均防护率为5 1 ，氡的平均屏蔽率为6 1 ；再通过超 细加工和有机无机复合，对粉煤灰基建材的放射性屏蔽达率到了7 5 以上， 氡屏蔽率达8 5 ，对磷石膏基建材的放射性防护率达到6 5 ，氡屏蔽率达 8 5 ；测定了防护制品s e m 微观结构，分析了防护的作用机理和原理。 关键词：粉煤灰磷石膏钢渣建材防氡防辐射 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t i nt h i s p a p e r ，w es t u d i e dt h er a d o na n dr a d i a t i o np r e v e n t i n gt e c h n 0 1 9 y a p p l y i n gi nb u i l d i n gm a t e r i a l sb a s e do ni n d u s t r i a lw a s t er e s i d u e e x p l o r e dt h e i n n u e n c eo fg r a n u l a r i t y m e a s u r i n gt i m e a n dt e m p e r a t u r et ot h e b u i l d i n g p r o d u c t s r a d o nm e a s u r e m e n t ，d e s i g n e da n dm a d et h ed e v i c ef o rc o n t r o l l i n g t e m p e r a t u r et om e a s u r er a d o nc o n c e n t r a t i o n ，p r o p o s e da n ds t u d i e dt h eo r i g i n a l & t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n gr a d o nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo nb u i l d i n gp r o d u c t s ，t h e r s dr e a c h e d3 2 5 ，t h es t a b i l i t yr a i s es e v e r a lt i m e sm o r et h a nt h eg e n e r a l l y m e t h o d s ；u s e dt h er a d o np r e v e n t i n ga n dr a d i a t i o ns h i e l d i n gb e h a v i o u ro ft h es t e e l s l a g st os h i e l dt h er a d o na n dr a d i o a c t i o np o l l u t i o nf i o rb u i l d i n gm a t e r i a l sw h i c h b a s e do nf l ya s ha n dp h o s p h o g y p s u m ，s t u d i e dt h ei n f l u e n c eo ft h es t e e ls l a g s o i n i n ga m o u n ta n dm e s hs i z et ot h er a d o np r e v e n t i n ga n dr a d i a t i o ns h i e l d i n g a c t i o n ；c o m p o s i t e ds t e e ls l a g ，f e 2 0 3 ，z e 0 1 i t ea n db a r i t et os h i e l dt h er a d o na n d r a d i o a c t i v e p o l l u t i o n i nt h e b u i l d i n g m a t e r i a l 8b a s e do n n ya s ha n d p h o s p h o g y p s u m ，t h er a d i a t i o ns h i e l d i n gr a t ei s2 5 ，r a d o np r e v e n t i n gr a t ei s o v e r4 8 t of l ya s hm o d u l e ，a n dt h er a d i a t i o ns h i e l d i n gr a t ei s5 1 ，t h er a d o n p r e v e n t i n gr a t ei s61 t op h o s p h o g y u mm o d u l e ；t h e nt h r o u g hm i c r o s t o n i n ga n d c o m p o u n d i n gw i t ho r g a n i c & i n o r g a n i c ，t h er a d i a t i o ns h i e l d i n gr a t ei s7 5 ， r a d o np r e v e n t i n gr a t ei so v e r8 5 t on ya s hm o d u l e ，a n dt h er a d i a t i o ns h i e l d i n g r a t ei s6 5 ，t h er a d o n p r e v e n t i n gr a t ei s8 5 t op h o s p h o g y u mm o d u l e ；a tl a s t ， w es u r v e y e dt h em i c r o s t l l l c t u r et h o u g ht h es e m p h o t o g r a p ho ft h ep r o t e c t i n g p r o d u c t s ，a n a l y z e dt h es h i e l d i n ga c t i o nm e c h a n i s ma n dp h i l o s o p h y k e yw o r d s ：f 1 ya s h ；p h o s p h o g y p s u m ； s t e e l s l a g ；b u i l d i n gm a t e r i a l ， r a d o np r e v e n t i n g ；r a d i a t i o ns h i e l d i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：矗寺乏 日期：衙参， 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅：学校可以公布 该论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 礤 导师豳矽产坎乞日期：埘石( 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1课题背景 随着社会经济的发展，尤其是工业的进步，大量工业废渣的排放成为各 国急需解决的问题。随着能源需求的迅速增长，工厂规模的不断扩大，工业 废渣的排放量急剧增长，大量的工业废渣所造成的严重的资源与环境问题必 须加以解决。 据统计：我国1 9 8 5 年火电厂排灰渣总量为3 7 6 8 万吨，到1 9 9 5 年增加到 9 9 3 6 万吨，2 0 0 0 年粉煤灰排放量约达到1 2 亿吨，平均每年增加5 6 0 万吨， 预计到2 0 0 5 年，全国粉煤灰排放量将达到3 亿吨【l 】。目前，国内外已经把粉 煤灰广泛应用于建材、建工、回填、筑路、农业、化工、环保、高性能陶瓷 材料等众多领域。英国粉煤灰利用率为4 6 2 ，德国6 5 ，法国7 5 。美 国把粉煤灰列入矿物资源的第七位，排在矿渣、石灰与石膏之前。我国粉煤 灰的综合利用技术有近2 0 0 项，其中得到实施应用的近7 0 项【2 】。我国粉煤 灰在建材制品方面的应用主要有：掺杂粉煤灰制取混凝土，制造粉煤灰水泥， 制粉煤灰烧结砖及粉煤灰砌块。但是相对来说，我国粉煤灰的利用率还是较 低，产生的附加值并不是很高。 每生产1 t 的磷酸就要产生5 t 的磷石膏。随着化学工业的发展及社会磷 酸需求量的增加，磷石膏的排放量也与日俱增。据报道，2 0 0 2 年世界磷石膏 的排放量达1 1 0 0 0 1 3 0 0 0 万t ，然而只有4 5 0 5 0 0 万t 的磷石膏得到了利用。 其中日本、韩国和德国的磷石膏的利用率较高。而我国2 0 0 2 年磷石膏的年排 放量达到了2 0 0 0 万t ，利用率较低【3 】。磷石膏的处理方法有很多1 4 西】，但在没 有找到技术和经济都合适的方法以前，大多直接丢弃，或排入河、海中，或 筑坝堆置。例如：我国在二水工艺法所得磷石膏研制石膏建筑材料产品方面 作了大量工作，但尚未取得可大规模生产和推广应用的成熟经验。所生产的 石膏胶凝材料质量不够稳定，制品表面有时会出现发霉或起霜现象。在农业 上也可以用作钙肥和硫肥来使用【7 】在化工工业上磷石膏主要用来取硫【8 j ； 磷石膏在建筑工业上主要用于制墙粉、石膏板、水泥缓凝剂和水泥。 钢渣作为钢铁冶炼过程中的伴生物，随着钢铁产量的增长而逐年攀升。 2 0 0 1 年，我国粗钢产量已达1 5 2 0 0 万t ，由此产生的钢渣约1 6 0 0 万t ，仅上 海钢渣年产生量就有2 5 0 万t 。2 0 0 5 年我国粗钢产量突破3 4 0 0 0 万t ，居世界 第一位，因此钢渣的排放量也随着增长一倍，约达3 5 0 0 万t 。对于钢渣，长 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 期以来炼钢厂一直将其作为固体废弃物填埋或倾倒在钢厂周围，既占用了土 地，又影响环境。由于水泥的主要成分含量与钢渣十分接近，因此，经过适 当加工处理的钢渣完全可以作为水泥的部分代用原材料，且可使每吨水泥的 生产成本减少l o 元以上。钢渣的主要在利用途径也是用来生产水泥，复合压 缩砖、人行道地面砖，以及隔离墩、路沿石等【9 】。 目前我国工业废渣的年排放量已超过7 0 亿t ，占地面积5 6 万k m z 已严 重污染环境，由此造成的经济损失全国每年高达3 0 0 亿元，其严重性还在继 续发展，造成沉重的经济社会和环境负担【6 】。目前创建节约型社会、和谐社 会和各行业可持续发展的科学发展观的提出，更加促进了工业废渣基建材的 研究和应用，并且可以确信工业废渣基建材还将有很大的发展空间。因此工 业废渣应用于建材的研究和推广应用成为前景广阔，发展潜力巨大研究项目 和课题。但是工业废渣在产生过程中对放射性核素有富集和浓缩的作用，使 工业废渣的氡和放射性污染都明显高于普通的建筑材料。因此，在将工业废 渣大量应用与建筑材料的同时我们不得不看到工业废渣作为高放射性和高氡 释放源可能带来的潜在危险，必须对工业废渣基建材的氡和放射性污染的潜 在危险作出合理的评价和防护，为工业废渣基建材的广泛应用提供安全保障。 1 2 氡和放射性污染的危害及主要来源 放射性污染的危害已经为广大人民群众所了解。放射性核素进入环境如 水体、土壤、大气等，会改变环境辐射背景，破坏生态环境，影响生物系统 发育，如改变生物遗传物质结构导致物种特性变异，引起生态系统中生物物 种灭绝和群落的生态功能改变与丧失；同时，引起病原微生物遗传特性变异， 导致新的疾病快速发生等。最终改变环境生态群落中的特种结构，改变环境 生态系统的功能，威胁人类的生存和发展。由于放射性污染的隐蔽性、长期 性、对生态环境及人类健康的危害多向性和不可逆性，其污染效应是非常严 重的。 氡是放射性元素镭、铀、钍等衰变链的一个产物，是天然放射性铀系中 的一种放射性惰性气体，具有极强的迁移活动性，凡有空气的空间就有氡及 其子体的存在。其主要型体也是衰变周期最长的型体为2 2 2 r n 其完全衰变周 期为3 8 2 5 天。它没有颜色，也没有任何气味，可感觉最低浓度为5 3p p m ， 有腐蚀和刺激作用，常温下氡及其子体在空气中能形成放射性气溶胶而污染 空气。据研究，氡衰变时放出的0 【粒子会迅速轰击氡原子外的电子云，使衰 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 变产物带有很强的正电荷，带电的衰变产物便会立即吸在飘浮于空气中的尘 埃上，这种放射性尘埃加剧了室内氡污染。当吸入氡的短寿命子体后， 氡子 体不断沉积在呼吸道表面并在局部区域内不断积累。因此吸入含氡气体对呼 吸系统造成的辐射危害主要来自氡子体【l 们。氡的半衰期较短( r n 2 2 2 半衰期为 3 8 2 5 d ，r n 2 2 0 为5 5 6 5 s ) ，其在人体内停留的时间较短，因而在呼吸道内产 生危害的剂量很小。而氡的子体则不然，它是氡衰变形成的固态放射性子体 链一一p 0 2 1 8 、b i 2 1 4 和p b 2 1 0 ，属金属粒子，其半衰期极短( 一般为秒分量极) 。 氡及其子体能附着于空气中的气溶胶粒上，悬浮在空气中，当被吸入体内时， 一些氡的短寿命固态子体即可沉淀在气管壁或肺叶上，造成氡及其子体衰变 时产生的仅粒子在人体内长期照射，使得身体受害组织或细胞( 主要是器官) 发生电离化，破坏脱氧核糖核酸的分子结构，影响细胞的再生过程，并引起 细胞染色体的畸变，由此氡及短寿命子体对支气管上皮组织及深入的肺组织 产生的辐射，对肺组织细胞造成直接损坏，长期照射会导致肺癌【l 卜1 4 j 。 氡对人类的危害主要表现为确定性效应和随机效应。确定性效应表现为 在高浓度氡的暴露下，机体出现血细胞的变化。由于氡对人体脂肪有很高的 亲和能力，特别是氡与神经系统结合后危害更大。随机效应主要表现为诱发 肺癌。医学证明，氡可能引起白血病、不孕不育、胎儿畸形、基因畸形遗传 等后果。科学家预测，如果生活在室内氡浓度为2 0 0 b q m 3 的环境中，相当于 每人每天吸烟1 5 根【1 5 】。氡还能吸收组织中的水分，使组织蛋白变性，并使 组织脂肪皂化，破坏组织细胞结构，减弱人体对疾病的抵抗力。 氡被世界卫生组织列为使人致癌的1 9 种最重要物质之一，国际癌症研究 机构( i a r c ) 已经确认，氡是产生肺癌的重要原因之一，美国环保局已将氡列 为最危险的致癌因子；高浓度氡的长期照射导致受照人群肺癌发病率的增加 已被世界卫生组织( w h 0 ) 、国际放射防护委员会( i c r p ) 等众多学术团体和机 构所公认，其估计的氡致肺癌的危险系数在1 5 0 6 0 0 w l m 之间【l6 1 。氡致肺癌 遍及全球每一角落，世界各国专家认为这是一种全球性的“自然灾害”。 氡 致肺癌已成为人类患肺癌的第二大因素，被认为是一种无形的杀手。因而， 联合国和世界各国都十分重视并加强研究。 国际放射性防护委员会提出室内氡浓度的控制水平为1o o b q m 3 ，我国也 在1 9 8 6 1 9 8 7 年颁布和实施了g b 6 5 6 6 8 6 建筑材料放射性卫生防护标准 和g b 6 7 6 8 6 建筑材料用工业废渣放射性物质限制标准。9 0 年代以后我国 国家技术监督局对新建房屋颁布了新标准g b t 1 7 7 8 5 1 9 9 9 新建住宅建筑设 计与施工中氡控制导则，建筑材料必须符合g b 6 5 6 6 2 0 0 l 建筑材料放射性 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 核素限量的规定。高浓度氡的长期照射导致受照人群肺癌发病率的增加已 被世界卫生组织( w h o ) 、国际放射防护委员会( i c r p ) 和国际原子能机构 ( i a e a ) 等众多学术团体和机构所公认。 如表1 1 所示，世界各国都对室内的氡的行动水平和上限作出了规定， 以确保人们的安全与健康。由此可以看出，世界各国和联合国等国际组织对 于氡污染都十分重视，并且这方面的研究也正在逐步加强。 表卜1 各国与国际机构室内氡的行动水平和上限值 t a b i e l 1r a d o na c t i v i t yi e v e ia n du p p e rii m i tv a i u eo fs o m ec o u n t r ya n d i n t e r n a ti o n ai a g e n ci e s 因缺少我国室内氡浓度实际分布的详细资料，尚无法进行准确的估计， 但据报国内经过对4 3 0 0 0 所( 全国有1 1 0 9 所) 住宅的调查结果表明，全国住 宅氡含量平均为1 2 4 b q m 3 ，其中2 1 的住宅超过1 5 0b q m 3 、5 超过4 0 0 b q m 3 、1 9 超过7 4 0b q m 3 。中国对5 个地区3 7 个地下工程进行的氡调查， 有5 4 超标。云南7 0 8 0 年代进行四次恶性肿瘤普查，其肺癌发病率高达 2 1 7 2 人1 0 万人，居全国之冠，查其岩洞、室内、大气和土壤中氡的含量分 别为1 1 0 3 2 1 4b q m 3 ，9 4 2 4 9b q m 3 ，1 3 1 3 6 3b q m 3 ，3 3 1 7 7 4 9 8 6 9 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 b q m 3 ，远高于世界陆地平均的含量( 4 4 4b q m 3 ) ，世界土壤平均值( 7 4 0 0 b q m 3 ) 和西方各国室内氡的平均含量( 1 2 l0 8b q m 3 ) ，昆明市调查结果表 明，被调查的居室氡浓度达3 2 6 6 4 4 5b q m 3 ，而长沙市地下建筑物氡浓度 达7 1 0b q m 3 ，湖南衡阳地下建筑物氡浓度达1 0 8 0b q m 3 。测试结果显示， 大于2 0 0 b q m 3 的房屋约占6 8 ，与美国1 9 9 4 年调查结果大于1 5 0 b q m 3 的房屋约占5 7 相似，据估计【1 0 】美国每年约有2 2 万人因吸入氡及其短寿 命子体得肺癌，中国人口大于美国几倍，保守估计目前我国因室内氡致肺癌 约5 5 万例年【l 7 1 。台湾和香港地区每年因氡致癌约占肺癌患者的3 0 【15 1 。 由此可见，居室空气环境中氡的危害是非常大的。居室通风排尘是迅速 有效的降氡防氡的方法之一。但这只是治标，要治本，就得查明氡污染的源 头，从而杜绝氡污染。氡是一种可以在房基下的土壤和岩石的空隙中自由运 动的气体，它可通过泥土地板、混凝土地板上的裂隙，通过墙、地沟、集水 坑、接合面以及空心砖墙中的缝或孔进入房间，所以应同时封住可能导致氡 进入居室的各种缝隙，把墙和地板的接缝堵好，使氡不能溢出到室内空间而 自行衰变，还要对室内氡污染源头建筑材料进行合理治理与防护，达到防氡 降氡的目的。 建筑材料( 尤其粉煤灰砖、钢渣砖、石煤砖、炉渣和矿渣水泥) 是住宅内 氡和放射性污染的主要来源。建材中放射性物质衰变都有氡同位素产生，是 室内环境中氡和放射性的主要来源【l 引。而对于用工业废料生产的建筑材料则 具有较高的天然放射性核素的单位活性，例如：钢渣、热电站炉灰、粉煤灰 和磷石膏等。而煤渣砖建造的楼房，因煤渣砖放射性元素量高，居室氡浓度 也高，采用煤渣、工业废渣作建材原料制作的炉渣水泥、石煤砖、磷石膏等 含镭量都偏高，其中磷石膏含镭量高达6 4 0 5 1 2 0 b q k g 【1 9 】。因此对于建材防 氡需引起足够的重视。尤其是工业废渣基建材的防冬防辐射措施更要重视和 深入的研究。 1 3我国工业废渣基建材的研究和应用现状 随着国家创建节约型社会和和谐社会的构想的提出，以及国务院关于 加快发展循环经济的若干意见、关于做好建设节约型社会的近期的重点工 作的通知两个文件的发布。近年来，工业废渣的利用取得了可喜的进步， 尤其是在建筑材料方面的应用，达到了降耗利废，防止污染，降低建筑成本 等目的，成为解决工业废渣污染的重要途径【2 0 】。据不完全统计，仅2 0 0 4 年， 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 我国水泥行业利用各种工业废渣已达到2 亿t ，建材全行业利用工业废渣超 过4 亿t 【2 1 1 。 咸阳西北轻工业学院科研人员，通过实验证明：利用水淬磷渣生产陶瓷 墙地砖和瓷质外墙砖是完全可行的。山西玻璃陶瓷科学研究所与山西省阳城 县陶瓷厂联合开展了利用硫磺废渣生产陶瓷墙地砖的研究取得了令人满意的 结果。唐山陶瓷集团公司利用当地的铁矿尾矿生产卫生洁具，具有良好的物 理性能和成形性能，特别是泥浆流动度、厚化度偏高时较易调整完全能够生 产出性能优良的高档卫生洁具【2 2 1 。宁夏大荣实业集团经多年研究，取得技术 突破后建成年产2 0 万吨综合利用氰胺产品废渣生产环保水泥生产线，成为一 个经济增长点。2 0 0 4 年、2 0 0 5 年油、气井水泥大批量销售时，利润额分别上 到6 0 0 万元、7 0 0 万元。依托氰胺产品废渣生产水泥专利技术，开发生产高 抗油、气井水泥，不仅开拓出新的市场空间，而且提高了资源综合利用水平 和经济效益，用事实证明工业废渣同样能生产高档水泥【2 3 1 。山东莱钢集团公 司新型建材厂生产的粉煤灰免烧承重砖，是以莱钢的工业废渣一一粉煤灰和 高炉渣为主要原料，以水泥、废石膏、石灰为辅助材料，并掺加适量的添加 剂，经混合搅拌、高压成型、蒸汽养护而成的一种环保型新产品现在，莱 钢新型建材厂已具备年产2 0 0 0 万块粉煤灰承重砖的生产能力，已开始在工业 与民用建筑中应用【2 4 】。山东重点煤矿每年产生工业废渣约1 1 0 0 万吨，由于 山东重点煤矿一直重视工业废渣的治理与综合利用，每年通过各种途径利用 的工业废渣占当年产生量的7 2 。在各种利用途径中，生产建材产品一直是 废渣综合利用的主要途径之一：山东重点煤矿用3 年多的时间，将废渣建材 产品中新型墙材的比重从零提高到6 5 2 嘣2 5 1 河南省济源国泰实业有限公司 投资建成了利用钢渣和矿渣年生产免蒸免烧多孔及空心砖2 0 0 0 万块的生产 线，取得了社会、经济的双重效益【2 6 1 。山西介休二机新型建材公司立足利用 工业废渣，发展环保建材，最近投资3 2 5 0 万元，从德国引进先进的r h 2 0 0 0 型彩色砌块砖全套生产设备与技术，建成了一条年产2 0 万立方米空心砌块， 3 0 0 万平方米各种路面砖、广场砖、公路护坡砖的自动化砌块砖生产线。包 头新创瑞图环保建材有限公司充分利用瑞图( 香港) 企业发展集团有限公司拥 有的“王树昌法 独有技术和自主知识产权的全自动生产设备，开发、生产、 销售以粉煤灰、炉渣、钢渣等工业废渣为原料的各种环保建材。项目一期建 设资金总投入为2 1 亿元，投产后可实现年产值1 9 6 0 0 万元，年消化工业废 渣1 0 0 万立方米。二期计划2 0 0 7 年投产，预计投资2 亿元。二期建设完成后， 可在包头形成一个年消化2 0 0 万立方米工业废渣。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 目前，我国科学家已发明一种仿地成岩的新型建筑胶凝材料一一凝石。 “凝石”技术是国家高新技术研究发展计划，即“8 6 3 计划”的一项研究成 果1 2 。“凝石 9 0 的原材料是工业废料。这种技术所获得的产品是一种比水 泥应用更为广泛、以工业废渣废料为原料、能减少环境污染的新材料。有关 专家认为这项发明解决的不仅是工业废料的回收再利用问题，并彻底解决了 水泥在生产过程中的污染环境问题【2 8 1 。 由以上信息可以看出，多数工业废渣通过技术手段都适合用作建筑材料 【2 9 1 ，是因为： ( 1 ) 从化学成分看，多数工业废渣适合做建筑材料的原料； ( 2 ) 建筑材料是最大宗的材料，有能力消耗大量的工业废渣，利废为宝； ( 3 ) 利用工业废渣生产建筑材料，能产生良好的经济效益【3 0 】。 可以说，从综合经济、社会、环境效益来看，工业废渣用于建筑材料方 面的资源化程度更高。 工业废渣虽然种类繁多，但总的来讲，工业废渣建材资源化的途径大致 可归纳为以下几点： ( 1 ) 生产建材制品。用工业废渣生产建材制品，不仅可以节约能源，消 耗废渣，而且由于对工业废渣的开发和利用，增加了建材制品的品种，改善 了建材制品的性能，取得良好的综合效益。传统上工业废渣生产建材制品只 限于砖、砌块、板材等各种墙材和型材，近几年来新型建材的异军突起，相 信工业废渣在新型建材方面会有所作为。 ( 2 ) 生产水泥。由于多数工业废渣的化学成分与水泥原料的化学成分相 似。因此，可以把工业废渣用作水泥生料组分，或与水泥熟料共同磨细，也 可以与水泥进行预混合制得各种不同性能的水泥。粉煤灰水泥、矿渣水泥就 是掺粉煤灰，掺矿渣而制得的。钢渣可以代替部分石灰质原料烧制硅酸盐水 泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥。另外，一些工业废渣可以 用作生产水泥的外加剂，改善水泥的生产工艺及水泥的性能。铜渣和磷渣都 可以用来作煅烧硅酸盐水泥熟料的矿化剂，改善生料易烧性，降低c a c 0 3 的分解温度，加速c a c 0 3 的分解，有利于硅酸盐水泥熟料矿物的形成和长大。 ( 3 ) 配制混凝土。工业废渣经过磨细、加工等工艺处理，制得各种矿物 掺合料，骨料或外加剂，可以显著改善混凝土的性能，满足不同工程实际的 要求，如优质粉煤灰，磨细矿渣等成了生产混凝土不可少的材料。在配制混 凝土时，加入矿物掺合料，可以降低温升，改善混凝土工作性，并可改善混 凝土内部结构等。另外，利用粉煤灰生产的粉煤灰陶粒是配制轻集料混凝土 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 的理想骨料：还有清华大学已研制开发成功了利用固硫渣生产膨胀剂。 ( 4 ) 回填、筑路材料。回填、筑路用工业废渣一般不必进行预处理，可 直接使用：虽然回填、筑路用工业废渣并没有挖掘其真正的潜力，是一种低 水平的处理应用，但由于回填、筑路的用渣量大，可以明显减轻工业废渣对 环境的压力，取得良好的经济和社会效益。 近年来，工业废渣的利用取得了可喜的进步，尤其是在建筑材料方面的 应用，达到了降耗利废，防止污染，降低建筑成本等目的，成为解决工业废 渣污染的重要途径。但是，工业废渣在建筑材料中的应用也存在诸多问题有 待解决。例如：工业废渣在建材中的加入量问题，工业废渣的细度对建材各 项性能的影响，尤其是工业废渣基建材的放射性安全及其防护等问题。 1 4工业废渣基建材氡和放射性安全的评价及防护研究现状 目前国内外防辐射技术主要采用磁铁矿石、褐铁矿石或重晶石作粗细集 料，同时引入充分数量的结晶水和含硼、锂等轻元素的化合物及其掺和料。 该方法是目前使用最为广泛的一种，其特点是密度高的粗细集料可以屏蔽y 射线，含轻元素的化合物它能有效捕捉中子且不形成二次y 射线，射线屏蔽 作用较好。用于屏蔽y 射线的材料不仅要具有较大的表观密度，而且还应含 有足够数量的结晶水。 居室通风排尘是迅速有效的降氡防氡的方法，但要治本，就得查明氡污 染的源头，从建筑材料开始进行治理和防护，使氡不能溢出到室内空间，使 其在建筑材料内部自行衰变，从而杜绝氡污染，达到防氡降氡的目的【3 2 1 。 据报道，埃及采用天然纤维材料用于防氡辐射，用炉灰水泥作为建筑物 内墙的预涂料，对氡具有良好的屏蔽作用【3 3 】。在专利w 0 0 2 1 2 7 9 6 中，发明 者利用含沸石分子筛的装置可吸附空气中的氡气等【3 4 1 。专利d e l 9 6 4 5 1 9 3 采 用聚烯烃与不少于2 0 的碳粉混合制备防氡板吸收氡气【3 5 1 。在美国专利 u s 5 3 3 1 0 2 2 中，研究人员将水溶液、溶性剂乙烯叉一氯一丙烯酸酯共聚物分 散体系，用于减少室内氡气污染【3 6 】。美国专利u s 5 3 7 2 6 3 3 ，采用重晶石等加 入玻璃中，可制成具有减少铅、钡散射的晶体玻璃【37 1 。在美国专利u s 4 5 2 8 12 9 中，通过将铀尾矿与粘土和石英混合，粘土吸收几乎所有的放射性污染，放 射性元素和化学污染物转化成不溶性氧化物或氢氧化物，从而屏蔽铀尾矿的 放射性【3 引。美国原子能学会研究了一种能够吸收由反应堆所释放出来的腐蚀 性碘13 1 的蒸汽，甲基碘和碘化氢等。意大利公司推荐了两种抗辐射涂料： 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 i v a m i d ，i v i e p o x 是加固化剂的环氧涂料【3 9 】。 湖南省劳动卫生职业病防治研究所结合当前室内氡污染治理的需要，研 制出理想的8 7 1 防氡涂料，防氡效果达8 0 以上，成本低廉，施工方便，防 氡效果好，对消除某些工业废渣建材带来的室内氡污染具有重要作用【4 0 1 。浙 江大学化学系余利民等人研制的环保型防氡涂料，能够有效地解决已建建筑 物中氡的污染问题，对氡和其他放射性物质具有良好的阻挡和隔离作用，而 且经济和实用，符合我国的实际国情。 张覃等【4 1 】参照g b 6 5 6 6 8 6 关于建筑材料放射卫生防护标准和g b 6 7 6 3 8 6 关于建筑材料与工业废渣放射性物质限制标准，对贵州某厂排出的粉煤灰及 其脱碳的尾灰中天然放射性核素的组成和含量进行了测量和分析，对该粉煤 灰的安全问题进行了初步探讨，提出了几种的防护措施。张昌鸣【4 2 j 对建材原 料的放射性核素问题进行了考查，其中包括：一般建材的放射性水平，我国 及其他国家原煤的放射性浓度，放射性测定方法等，此外对山西某焦化集团 公司的粉煤灰的放射性核素浓度进行了评价。徐红【4 3 j 对南京5 个电厂的粉煤 灰的放射性比活度进行了测定和比较。杨彦文【4 4 】等对河北省几种工业废渣建 材进行了辐射水平的调查，并估算了居民的受照剂量。发现部分产品添加工 业废渣后致居民年有效剂量当量值增加，经合理配比后大部分工业废渣致居 民年有效剂量当量值增量不大。为了切实加强建材放射水平的控制，1 9 9 5 年 以来，武丽【4 5 】等对河南省几种工业废渣建材进行了辐射水平的调查，并估 算了居民的受照剂量。结果发现工业废渣原料放射性水平明显高出其相应的 建材成品，工业废渣建材存在放射性安全隐患。 谈成龙【4 6 】对国内外铀工业和铀矿勘查、铀尾矿工程环境评价、铀从业者 辐射防护、地震研究、地热勘查、建材品质检测、室内外空气质量评估、全 球气候变暖探索、大气物理及温室气体理论等研究中氡的测量设备和测定方 法进行了比较全面地介绍，还对其中的一些对氡测量方法的原理作了简介。 张文涛【4 7 】等采用自行研制的静电收集装置及驻极体收集装置，依不同环境及 现场条件，对2 4 间工作用房、1 个演播厅及1 个计算机房实施联合监测。利 用这两种装置配合使用的综合测量方法，可以得出满意的监测结果。这种联 合监测方法适用于现场的常规监测，其监测结果还可为室内场所环境的放射 性危害分析。但是该方法受外界条件影响较大，密封性不好，对建材表面析 出氡的收集对探测器的灵敏度的影响尚待改进。蒋有恩 4 8 】等研制的防氡乳胶 漆从产品质量检测中看出，固彩牌防氡乳胶漆达到乳胶漆的质量标准，在防 氡性能上，比普通乳胶漆低二个数量级。肖德涛【49 5 0 】等人研制得环保降氡涂 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 料具有无毒性、无异味、附着力强、防水性能好、耐碱性及耐擦洗性强等优 点，生产工艺及施工工艺简单，降氡性能好，降氡效率可达8 0 以上，是一 种具有广泛应用前景的内墙装饰涂料，同时又是一种较有效的室内降氡技术 产品。中南工学院【5 l 】高新技术开发公司研制的环保防氡内墙乳胶漆，采用聚 乙烯醇、氯偏乳液、填料、专用助剂、水等，通过交叉聚合形成得漆膜具有 良好得密实性，能有效的阻止墙体材料中的氡向室内扩散。防氡效果可达8 0 以上，并且具有易于涂刷、附着力强、极耐擦洗、快干、抗老化等特点。 山东省医科院放射医学研究所制备的防氡涂料，已达到或超过国外环氧树脂 类高分子材料所达到的指标。由于为水性涂料，又具备常规内墙涂料的物理 化学性能，使该涂料具有施工方便，无污染环境，成本低，易推广等特点1 5 2 。 在中国专利c n 0 1 1 0 6 7 2 4 中，研究人员采用水泥、砂、水等制备防氡浆体， 该浆体由底层和表层组成防氡层，底层由a r m 3 水泥、普通净砂、水混合而 成，面层由a r m 4 和水组成，可降低室内氡浓度8 5 9 0 ，低于一般西方国 家现行标准2 0 0 b q k g 以下【5 3 】。中国专利公开了一种具有防氡、防水建筑涂 料。该发明是利用配方中的氯偏乳液在涂覆过程中形成透气性差，不透水的 薄膜，从而阻止氡气向外逸出和防止水向外渗出 5 4 1 。中国人民解放军总参工 程兵第四设计研究院和北京航天航空大学共同承担的人防工程建筑防氡材 料研究项目开发成功特种防氡涂料，阻氡率达到了9 5 一9 9 【5 5 。 本课题组【5 n 6 4 】在防氡辐射建筑材料的研究开发上做了许多工作，取得了 突出的成绩。对用作防氡基元材料原料的重晶石、沸石进行超细加工，防氡 性能从整体上来看是粒度越细性能越好。同时还对放射性自吸收水泥基 功能复合材料、防氡防辐射水泥砂浆及环保型防氡防辐射水泥砂浆、环保型 防氡、防辐射防建筑材料、环保型防氡防辐射墙面腻子、复合防氡防辐射墙 面腻子防氡防辐射涂料等防氡防辐射技术进行了研究。对纳米技术应用于防 氡防辐射功能建材进行了研究和实践。通过级配技术、复配和复合技术，制 备了高效的复合防氡辐射基元材料，成功制备了低成本防氡辐射生态基元材 料，开发了生态防氡辐射砌筑水泥、生态防氡辐射建筑砌筑水泥腻子涂料 复合体的新品种；在水溶性体系中加有2 0 新开发的功能基元材料，厚度仅 为4 m m 的涂层屏蔽下，复合体材料对氡的屏蔽率达8 8 ，可使环境氡的浓 度水平降低一个数量级，与传统的以重晶石为骨料的防辐射混凝土相比，体 积、厚度、比重明显降低，综合经济技术水平达到国内领先水平；将生态材 料及纳米新技术引入防氡辐射材料开发，得到了低成本、高效的功能复合材 料与技术，在核试验工程、国防工事以及工业和民用建筑工程中均可使用。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 目前该技术已分别于2 0 0 5 和2 0 0 6 年通过了四川省科技厅和中国工程物理研 究院组织的鉴定，总体水平达到国内领先水平，目前正在组织推广应用。 从防护材料的功能要求来看，必须具有能充分吸收各种丫射线和x 射线 的性能。吸收丫射线和x 射线则应尽量提高物质的重元素含量，如钡、锶等。 根据这一原理，国内外对辐射防护材料进行了广泛的研究，并开发出大量的 相关材料，如金属材料、混凝土及各种有机、无机复合材料等，单以混凝土 材料的使用情况最理想。现在防辐射材料主要应用的是含钡掺料，一般均采 用重晶石矿物，重晶石品质要求为b a s 0 4 8 8 、s i 0 2 9 ，并强调矿石质量 的均匀稳定。建材制品的致密性、比重、含水率和射线经过的路径长度与防 防辐射性能有正相关的关系。 1 5应用及研究领域中存在的不足和问题 ( 1 ) 现行的国家标准( 如g b 6 5 6 6 2 0 0 1 建筑材料放射性核素限量， g b t 1 6 1 4 6 1 9 9 5 住房内氡浓度控制标准) 对建材制品的氡的测定，是将样 品粉碎至i 2 0 0 目或着o 0 1 6 m m 后进行测定，破坏了建材制品原有的形态和结 构，粉碎细度对测定结果有很大的影响，不能表征建材制品本来的氡释放水 平的真实情况；温度对建筑材料的氡释放的测定结果也有很大的影响：标准 还没有考虑湿度、压力等外界因素对氡测定结果的巨大影响，致使同一个样 品氡释放量由于地区、昼夜、季节和气候等条件的不同，所测得的结果会有 巨大的差异。 ( 2 ) 现行国家标准以及文献报道中都是对工业废渣原灰的放射性进行了 检测，而对其建材制品氡和放射性污染的检测和评价的研究还很少。对防氡 防辐射材料的防护效能的检测和评价几乎没有报道。从目前的研究现状和成 果来看，将工业废渣应用到建材中的研究较多，但对于将工业废渣应用于建 筑材料后所带来的氡和放射性的危害的程度、方式、原理以及防护的方法和 技术，却鲜有报道。 从现有的研究结果可以看出，大部分的工业废渣，都具有较强的氡和放 射性污染，加之现有的防氡和防辐射材料和防护技术，存在应用不够广泛， 普及率较低，相对于目前工业废渣基建材的应用和普及程度，针对性的防氡 防辐射产品和技术较少，且普及率明显较低。不利于进一步提高工业废料( 如 粉煤灰) 在建筑材料及制品建筑工程中的应用比例，从而更好的达到环保利 废、节能降耗和降低建筑成本等目的。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 3 ) 目前对于建材中的氡和放射性危害的认识和宣传不足，致使很多人没 有认识到东和放射性污染对人们的危害的严重性。从而使目前的防氡、防辐 射材料和防护技术，应用不够广泛、普及率较低。防氡材料及氡的防护技术 的应用上，尤其是较高氡放射性危害的工业废渣基建筑材料中的应用中，不 仅需要技术的支持，还需要政策的推动，需要职能部门的积极配合，制定相 应的法令、法规，出台合适的优惠及倡导政策等。 1 6本课题研究的目的及主要研究内容 课题的主要研究内容和实验流程如图卜1 所示。 i 建筑材料氧测定的影响因索( 粒度，温 建材制品和防氧建材测试方法的研究 i度时间等) 研究( 试验基块的制备) if t 0 研究开筮可控温的氡测定装置，获得准确稳定的建材和防氧建材氡测试的方法和技术 i ii l 建材原材料及制品的氧释放量测定、调查防氧材料及技术随氡效果的浏定和评判 ll t l 废渣的加入量及加入方法对工业废渣基建防氡防辐射材料和技术应用于工业废渣基 l 材中氡和放射性污染的影响及相互关系建材对氧和放射性污染进行治理和预防 0j r l 得到己防护、安全健康的工业废渣基建材制品 图卜1 研究内容 f i g 1 1t h er e s e a r c h in gc o n t e n t so ft h et a s k 本课题的主要研究内容： ( 1 ) 针对目前对建筑材料的放射性和室内氡浓度限定的国家标准中存在 的不足和放射性和氡的测定过程中外界条件，如：温度、湿度、样品细度等 条件的巨大影响，进行有针对性的研究，找出其影响的规律和原因，提出和 研究可在保持建材原貌且控制温度的情况下测定建材制品氡浓度的原位控温 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 测氡技术。 ( 2 ) 利用钢渣的防辐射功能，采用以废制废的方式，研究钢渣对粉煤灰 和磷石膏氡和放射性防护效果。在基本不影响模块的其他强度指标的情况下， 研究钢渣的细度和加入量对粉煤灰和磷石膏模块氡和放射性防护的影响。 ( 3 ) 应用钢渣、三氧化二铁、沸石和重晶石复配的复合防护材料对粉煤 灰基和磷石膏基建材模块进行防护，通过正交试验，找出其对模块的放射性 和氡的防护的最佳配比，检测防护材料在最佳配比下的防护效能。根据此最 佳配比，进一步进行超细加工和级配，再辅以有机材料对工业废渣基建材模 块的氡和放射性进行防护，并检测和计算该超细复合材料的防护效能。最后 制得低成本高效能的氡和放射性防护的工业废渣基建筑材料。 1 7 课题的研究意义 中国2 1 世纪议程的核心是可持续发展战略，它已成为我国的重要国 策。经济的发展必需与人口、环境、资源统筹考虑，不仅要安排好当前的发 展，还要为子孙后代着想，为未来的发展创造更好的条件。因此，大量的工 业废渣所造成的严重的资源与环境问题必须加以解决，发展低成本、节能和 节约资源且绿色安全友好型的高性能工业废渣基建材具有非常重要的科学和 现实意义。 本课题研究了氡测定的影响因素，针对氡测定影响因素测影响情况，提 出和研究了原位测氡技术，应用该技术对钢渣在粉煤灰基和磷石膏基废渣建 材中对氡和放射性污染的影响做了研究，再应用复合防护技术对粉煤灰基和 磷石膏基建材进行了防护。本课题的研究对工业废渣带来的氡和放射性污染 进行良好的治理和防治，打通工业固体废渣生产绿色新型建筑材料中的薄弱 技术环节，为工业废渣大量应用于建筑材料提供安全保障，为工业废渣基建 材的大范围推广和应用打好良好的技术基础。本项目提出的防氡防辐射出发 点是低成本、高效率，目的就是为了成果转化和应用。 本课题的研究成果，必将加大工业废渣在建筑材料中的安全使用量，保 障人民的居室环境安全起到重要作用，也必定具有很好的转化前景。 本课题防氡防辐射技术在工业废渣基建筑材料中的应用研究，是立足于 节能利废、垃圾资源化和健康环保的理念，实现“建立可持续发展的经济体 系、社会体系和保护与之相适应的可持续利用的资源和环境基础”的我国可 持续发展的战略目标，并能适应区域建筑对各种特色建材发展的要求，尽可 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 能少用天然资源、降低能耗、大量使用废弃物作原料；得到的建材制品不损 害人的身体健康，且有益于环境健康；符合科学发展观，创建和谐社会和节 约型社会的要求。这也是本课题的意义所在。 西南科技大学硕士研究生学位论文 第15 页 2 建材制品氡测定影响因素研究一 目前国内针对建筑材料的氡的测定还没有成熟的技术和国