煤粉灰基地质聚合物建材的氡析出特性与辐射防护机制研究

本研究针对煤粉灰(CFA)建材放射性污染问题，通过分析CFA基地质聚合物(GPP)的元素组成、微观结构与辐射特性，发现GPP产品通过致密化结构和添加剂稀释效应，将放射性活度从684 Bq/kg降至408-459 Bq/kg，氡通量最低达2.38 Bq·m-2 ·h-1 ，为绿色建材开发提供重要辐射安全依据。

　　

随着全球城市化进程加速，燃煤电厂产生的煤粉灰(CFA)年产量近10亿吨，但其利用率不足10%。CFA富含硅铝氧化物，可作为水泥替代材料用于建筑领域，然而其天然含有的铀(²³⁸
U)、钍(²³²
Th)等放射性元素会衰变产生氡(²²²
Rn)——世界卫生组织认定的第二大肺癌诱因。传统水泥生产贡献全球5-7%的CO₂
排放，CFA基地质聚合物(GPP)虽能降低碳排放，但其放射性风险尚未系统评估。南非等地区CFA放射性活度达684 Bq/kg，远超420 Bq/kg的世界均值，亟需研究其辐射控制机制。

南非大学等机构研究人员在《Journal of Hazardous Materials Advances》发表研究，通过多尺度表征技术揭示了CFA-GPP的氡控制机制。研究采用马尔文激光粒度仪分析CFA粒径分布，SEM观测微观形貌，XRF/XRD测定元素与晶相组成，RAD7氡检测仪和NaI(Tl)γ能谱仪分别量化氡通量与放射性活度，并测试了GPP的压缩强度与密度相关性。

粒子尺寸分析显示CFA中86%颗粒<100μm，高比表面积可能增加氡析出风险。SEM显微结构对比发现，原始CFA呈疏松球形结构，而GPP SM1A等产品形成致密不规则团聚体，有效包裹放射性母核。XRF元素分析证实GPP中U(9→<5ppm)、Th(44→26ppm)含量显著降低，SiO₂
含量提升至62.15%，CaO增至11.14%，形成更稳定的铝硅酸盐网络。XRD晶相鉴定表明GPP中石英、莫来石峰减弱，非晶相增加，新生成的CaSO₄
等矿物相增强氡滞留能力。

放射性测量结果显示，CFA总活度684 Bq/kg（Ra 263 Bq/kg，Th 288 Bq/kg），而GPP产品降至408-459 Bq/kg，主要归因于钠硅酸盐等添加剂的稀释效应。氡析出动力学表明GPP SM1A氡通量最低(2.38 Bq·m^-2
·h^-1
)，与其最高压缩强度(45MPa)和密度(1683kg/m³
)相关，证实致密结构可抑制氡迁移。GPP MR1因较高孔隙率导致氡通量升至4.92 Bq·m^-2
·h^-1
。

该研究创新性提出CFA-GPP的"双重辐射控制机制"：化学上通过添加剂稀释放射性核素浓度，物理上依靠致密化微观结构限制氡扩散。相比传统建材，优化配方的GPP SM1A兼具力学性能与辐射安全性，其活性浓度指数I值满足欧盟1mSv/年的限值标准。研究成果为CFA建材在非居住场景（如道路基建、海岸防护）的应用提供科学依据，对推动绿色建筑发展具有重要意义。未来需进一步研究环境因素对GPP辐射特性的长期影响，并建立建筑全生命周期的辐射评估体系。