实验室开发的可持续建筑材料中基于计算模拟与实验测量的先进辐射测量剖析方法及癌症风险评估

《Applied Radiation and Isotopes》：Advanced radiometric profiling methodologies and cancer risk estimation through computational simulation and experimental measurements in laboratory developed sustainable construction materials

　　

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  对可持续混凝土的综合实验和蒙特卡洛评估；
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  使用 HPGe、GADRAS-DRF 和 MCNP 进行辐射特征表征；
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  活度浓度低于或等同于传统混凝土；
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  吸收剂量和有效剂量低于国际监管限值；
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  氡析出与文献报告的数据一致。

引言

在土木建筑中平衡经济可行性和环境责任是一项复杂的任务，因为传统做法通常优先考虑低成本和快速施工，这最终导致废物产生和持续依赖不可再生资源 (Sadar Din 和 Ishak, 2024)。尽管初始成本较高，但环保材料提供了显著的长期优势 (Kampilong 等，2024)。

在建筑中使用可持续材料有助于减少环境影响并改善室内空气质量 (Sadar Din 和 Ishak, 2024; Sandanayake, 2022; Sachs 等，2019; Swain, 2018; Isaksson, 2018)。此外，这些材料可能提供对电离辐射的保护并强化循环经济的原则 (Dos Santos 等，2026)。

将再利用玻璃（一种通常被丢弃且分解缓慢的材料）纳入土木建筑使用的混凝土中，符合旨在减少该行业环境影响的全球倡议。用再利用玻璃替代花岗岩等自然资源有助于减少不可再生原材料的开采，并为城市废物管理提供创新的替代方案。这种做法支持更可持续建筑方法的进步，并有潜力改善屏蔽材料的功能性能，使其在技术和环境方面更加高效 (Islam 等，2017)。

本研究之前的阶段旨在评估掺入再利用玻璃作为骨料中花岗岩替代品的混凝土的伽马射线衰减潜力。结果表明，分析的样品表现出与传统混凝土（如 Oak Ridge、普通 (NIST) 和波特兰型）以及高密度材料（如铁波特兰）相当的性能 (Dos Santos 等，2026)。

关于巴西建筑材料辐射水平以及这些产品所用原材料开采场的表征数据仍然有限。此类数据对于建立坚实的科学基础以及评估这些材料对人类健康和环境的辐射影响至关重要 (Silva 等，2025)。

人体辐射暴露可以是外部的或内部的。关于外部暴露，宇宙射线以及环境、土壤和岩石中存在的放射性核素尤其重要。在内部暴露的情况下，据估计人类接受的辐射剂量约 2/3 来自天然来源，如空气中的氡以及食物和水中存在的放射性核素 (Dos Santos 等，2025)。

氡是元素周期表中稀有气体家族的放射性元素，属于 ²³⁸U 和 ²³²Th 的放射性衰变系列。这种放射性核素被认为是全球肺癌的主要原因之一 (Dos Santos 等，2025)。虽然源自 ²³²Th 系列的 ²²⁰Rn 也可以产生，但由于其半衰期（55.6 秒）比 ²²²Rn（3.82 天）短得多，因此其对室内积累的贡献通常要小得多，这极大地限制了其远离材料表面的传输 (Bassioni 等，2012)。

本研究的主要目标是评估与实验室开发的可持续混凝土中天然放射性核素存在相关的辐射影响，并将这些结果与土木工程建筑中广泛使用的传统混凝土的结果进行比较。通常，玻璃中天然放射性核素的浓度低于花岗岩。因此，在混凝土骨料中用回收玻璃部分替代花岗岩预计会减少材料的总体辐射潜力，包括放射性核素活度浓度、吸收/有效剂量和辐射风险指标。

该研究解决了对实验和计算方法进行综合评估的问题，以便对环境样品中的辐射测量谱进行更现实和准确的分析，弥补单独使用辐射探测器留下的空白。传统的辐射评估主要依赖伽马射线能谱分析来确定天然放射性核素的活度浓度，并随后计算标准化辐射指数。虽然这种方法有效，但它没有明确建立材料的测量元素组成、其辐射传输行为以及在定义的室内暴露情景下器官特异性能量沉积之间的关系。

首先，可持续混凝土在实验室中开发。使用高纯锗 (HPGe) 探测器采集每个样品的伽马射线谱。获得的谱图用于估算混凝土中存在的 ²²⁶Ra、²³²Th 和 ⁴⁰K 的活度浓度，并作为伽马探测器响应和分析软件 - 探测器响应函数 (GADRAS-DRF) 的输入文件。使用 GADRAS-DRF，对天然放射性核素的活度浓度进行了第二次评估。对开发的混凝土进行了 X 射线荧光 (XRF) 分析。使用这些实验结果而不是关于材料元素组成的通用数据，提高了最终活度浓度估算的可靠性，因为每个放射性核素的 HPGe 探测器效率计算取决于样品的物理化学特性。混凝土的元素组成及其各自的活度浓度值被纳入使用蒙特卡洛 N 粒子 (MCNP) 代码（版本 6.3）进行的计算模拟中。在这些模拟中，人体模型 Rex 被放置在代表标准卧室的环境中，该环境的墙壁是使用评估的每种不同类型的混凝土建模的。计算模拟使得将放射性核素浓度转化为辐射传输和能量沉积的估算成为可能，从而超越了对环境中剂量的简单估算，转向了在现实暴露条件下对人体个体器官能量沉积的估算。还评估了氡的贡献。实验分析和计算模拟的综合结果使得能够估算与材料中存在的放射性核素发出的辐射相关的癌症风险。此外，它们有助于更深入地了解使用可持续混凝土的益处和局限性，特别是在建成环境中的辐射安全方面。

章节摘录

可持续混凝土的生产

为了评估所分析样品造成的辐射影响，在混凝土骨料中用少量玻璃替代了花岗岩。生产和分析了三个具有不同玻璃比例的样品。样品的组成包括砂、水泥、花岗岩和玻璃。在样品 1、2 和 3 中，部分花岗岩被玻璃以等价比例替代，以保持骨料的总量（见表 1）。

选择的局部

结果

使用 HPGe 探测器和 GADRAS-DRF 软件确定的比活度浓度值见表 3。观察到 ⁴⁰K 显示出最高的活度浓度，其次是 ²³²Th 和 ²²⁶Ra。⁴⁰K 在土壤中的活性比 ²³⁸U 和 ²³²Th 高约一到两个数量级，这与其在地壳中的自然丰度一致，其中钾以百分比水平存在，而 U 和 Th 仅以痕量存在

结论

本研究对与实验室开发的可持续混凝土相关的辐射影响进行了综合评估，其中使用再利用玻璃作为花岗岩的部分替代品。实验结果表明，可持续混凝土中天然放射性核素 ²²⁶Ra、²³²Th 和 ⁴⁰K 的活度浓度与土木工程建筑中广泛使用的传统混凝土报告的数值相当或更低。取得了合理的一致性

CRediT 作者贡献声明

Jonathan O. dos Santos： 撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。Alexander C.F. da Silva： 可视化，调查，正式分析。Gabriel N. Freitas： 可视化，正式分析。Jardel L. Thalhofer： 可视化，正式分析。Ademir X. da Silva： 可视化，监督，软件，资源，项目管理，正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些可能影响本文报告的工作。

Jonathan O. dos Santos|Alexander C.F. da Silva|Gabriel N. Freitas|Jardel L. Thalhofer|Ademir X. da Silva