伽马射线光谱技术在建筑材料质量检测中的应用

《Applied Radiation and Isotopes》：Application of gamma-ray spectrometry to quality testing of building materials

　　

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  伽马能谱分析是一种用于建筑领域的新型无损质量检测方法。
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  首次确定了五种建筑材料的放射性特征指纹。
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  在砂浆、砖块、沙子、花岗岩和涂料中检测到了成分异常。
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  通过伽马能谱特征识别出了被误认为是花岗岩的大理石。
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  HPGe探测器通过LabSOCS效率测试以及国际原子能机构的能力验证测试得到了确认。

引言

巴西建筑材料的质量检测遵循一系列标准，这些标准旨在确保建筑的安全性、耐久性和性能。质量控制分为质量管理（流程方面）和技术检测（产品方面），依据的是巴西的ABNT NBR标准以及国际上的ISO标准。ABNT NBR ISO 9001规定了质量管理体系的要求，该体系是评估建筑的结构安全、适用性和耐久性等特性的基础，同时确保生产和供应过程符合国际公认的质量标准（ABNT，2015）。ABNT NBR ISO/IEC 17025则规定了检测实验室的基本要求，以确保材料检测具有技术有效性（ABNT，2017；NIMSIQ，2017）。PBQP-H是巴西针对建筑行业的专项计划，它以ISO 9001为参考，注重提升生产力与住房质量。ABNT NBR 10007则是研究实验室中对固体材料进行采样时所采用的主要标准（ABNT，2004）。

目前，尚未充分探索将伽马射线能谱分析用于建筑材料质量检测的方法。该方法能够提高材料检测的准确性，有助于确保符合相关安全标准。作为一种无损检测技术，它还能保护样本，保证检测结果的可靠性与可比性（UNSCEAR，2000；Garcêz等人，2020；Filgueiras等人，2021；Cruz da Silva等人，2020、2025；Faria da Silva等人，2022、2026；Barbosa da Silva等人，2021；Paiva等人，2022；Lopes等人，2020；Oliveira dos Santos等人，2025；de Souza Pereira等人，2024a、2024b；Thalhofer等人，2025）。之所以需要这种检测方法，是因为许多建筑材料的化学成分与监管机构规定的标准存在差异（Barbosa da Silva等人，2025a、2025b；Faria da Silva等人，2025a、2025b）。伽马射线的离散光谱对样本成分的变化十分敏感，每种建筑材料都会呈现出独特的谱图特征，从而可作为该材料的放射性身份标识。随着成分的变化，²²⁶Ra、²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K的活性浓度也会出现异常变化，进而改变材料的放射性特征指纹，反映出材料在物理、化学、机械性能及强度方面可能存在的问题（Dam等人，2019；Malanca等人，1993；Oliveira dos Santos等人，2026；Barbosa da Silva等人，2023、2024a、2024b、2024c）。获取和分析伽马能谱的流程必须要有完整的记录，涵盖实验室里的所有操作环节。方法验证是一项基本的技术要求，也是质量检测的重要组成部分，它能够证明该方法适用于预定的检测用途。

伽马射线能谱分析是一种专门用于核领域的检测技术，它能识别原子核发出的辐射，而XRD（X射线衍射）和XRF（X射线荧光）则主要用于分析原子结构与整体元素组成，因此无法区分放射性同位素与其稳定同位素。尽管XRF和XRD在材料分析领域是非常有效的工具，但它们在检测轻元素以及低浓度物质（ppm级别）时存在局限性。高功率WDXRF能够检测到亚ppm级别的浓度，但便携式XRF的灵敏度通常低于100 ppm，尤其是在信号容易被背景散射和基质效应掩盖的复杂样品中表现不佳。传统XRD要实现检测，通常需要样品中目标元素的含量至少占样品总重量的0.5%到5%，这使得它相比XRF对微量组分的检测灵敏度要低得多。此外，XRD还要求样品经过精细研磨且成分均匀，这样才能获得准确的衍射图谱，因为如果颗粒的排列方向不随机，就会影响峰强度，从而导致检测结果出现误差（Rouzière等人，2016）。Barbosa da Silva等人（2026b）将伽马射线能谱分析与XRF用于建筑材料的特性分析，结果表明，伽马射线能谱分析在检测²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的微量含量方面更具灵敏度。

本研究旨在探讨将伽马射线能谱分析作为建筑材料无损质量检测方法的适用性，利用这类材料独特的放射性特征指纹来实现材料识别与合格性评估。在此检测方法中，质量检测并非指对材料的机械性能或物理性能进行直接评估，而是检查材料的放射性特征指纹是否与根据ABNT和ISO标准所要求的成分一致。内部验证是通过检测限、定量限以及标准不确定度（k=1）来体现的，这些数值是针对不同类型的材料计算得出的，并列于表2中。至于外部验证，里约热内卢联邦大学核工程系的环境分析与计算模拟实验室会每年参加国际原子能机构组织的能力验证测试。这些测试用于评估实验室在检测环境样本（主要是土壤、植被和水样）中的天然及人工伽马射线源方面的能力。随后，本研究提出的自动化放射性筛查模型的性能则通过多层分析流程进行评估，该流程结合了欧几里得距离矩阵来分析矿物学层面的差异，运用主成分分析来判断多元素光谱的分离程度，通过混淆矩阵来分析不同类别材料的分类规律，同时还使用了马氏距离与ROC-AUC指标来衡量灵敏度与避免误报之间的平衡关系，具体内容详见第3节。

章节要点

采样与计算

在本研究中，研究人员对2020年8月15日至2025年7月5日期间从巴西里约热内卢的建筑工地和商店中收集的5种不同建筑材料的102个样本进行了天然放射性水平检测，这些材料涵盖了结构用材料和装饰用材料两类。所有样本都经过了筛分处理，然后被放入容积为120毫升、底部平坦的聚丙烯烧杯中。每个样本的平均重量为187±2克。为了防止²²²Rn和²²⁰Rn逸出，这些烧杯会被密封起来，之后保持静止状态

结果与讨论

表2展示了所研究的建筑材料样本中²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的平均活性浓度，以及相应的标准不确定度（k=1）、检测限和计数效率ε。检测限是指针对每种样本中所选作参考指标的放射性核素所对应的检测下限，因此不同核素会在该列中出现。根据UNSCEAR（2000）的数据，地球地壳中²²⁶Ra、²³²Th的全球平均活性浓度为

结论

本研究将伽马射线能谱分析方法应用于5种建筑材料的102个样本中，对这些样本中能够发出伽马射线的放射性核素进行了定性与定量分析。为了确保检测设备的准确性和测量结果的重复性，研究者建立了系统验证机制，同时还制定了能量校准曲线和效率校准曲线。虽然大多数被分析的建筑材料都表现出稳定的、可识别的矿物学和放射性特征，但在部分砂浆批次中还是检测到了成分异常现象

CRediT作者贡献说明

Lucas Faria da Silva： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿撰写，方法验证，概念构思。Leandro Barbosa da Silva： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿撰写，结果可视化，方法验证，研究方法设计，实验分析，概念构思。José Marques Lopes： 文章撰写——审阅与编辑，文章撰写——初稿撰写，结果可视化，项目监督，数据整理，概念构思。Ademir Xavier da Silva： 文章撰写——审阅与编辑，项目监督，资源协调，项目整体管理

未引用参考文献

Faria da Silva，2026年。

伦理标准遵守情况

本研究是按照国家和国际上制定的伦理标准开展的。

利益冲突声明

所有作者均声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

数据可用性

相关数据将会应需求提供。

资金支持说明

作者们衷心感谢里约热内卢联邦大学阿尔贝托·路易斯·科英布拉工程研究生院提供的机构支持。同时，他们也感谢巴西高等教育人员发展协调委员会、国家科学技术发展委员会以及卡洛斯·查加斯·菲略基金会的支持

利益冲突声明

? 所有作者均声明，他们不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。

Leandro Barbosa da Silva|Lucas Faria da Silva|Ademir Xavier da Silva|José Marques Lopes