砌筑水泥放射性核素限量測量不確定度分析

謝正奮（1.廣東省梅州市質量計量監督檢測所，廣東 梅州 514072；2.國家水泥及制品質量監督檢驗中心（廣東），廣東 梅州 514072）

0 引言

《通用硅酸鹽水泥》國家標準第3號修改單（GB 175-2007/XG3-2018）于2019年10月1日正式實施，其中一個重要修改為條款6.4條更改：“6.4復合硅酸鹽水泥的強度等級分為42.5、42.5R、52.5、52.5R四個等級”。這意味著在《通用硅酸鹽水泥》國家標準第2號修改單（GB 175-2007/XG2-2015）取消復合硅酸鹽水泥32.5強度等級的基礎上，進一步取消復合硅酸鹽水泥32.5R強度等級。至此，復合硅酸鹽水泥32.5級別全部告別舞臺，過去由于P·C 32.5多應用于砌筑及農村市場等非主體結構工程，主要是這些工程及部位對水泥早期強度要求不高，更強調如保水等性能，故生產廠家在滿足技術參數的情況下，可以提高一些礦物摻合料比例，進一步降低價格，在市場上，相對有競爭力且用量較大。隨著P·C 32.5的取消，留下巨大的空間，除了由保留32.5等級水泥的PS（礦渣）、PP（火山灰）、PF（粉煤灰）系列品種來填補外，砌筑水泥M 32.5作為“替代品”的聲音也越來越大，砌筑水泥的產量也確實越來越高。但GB/T 3183—2017《砌筑水泥》標準中并沒有對M 32.5水泥中的熟料占比作規定(P·C 32.5等級要求熟料+石膏≥50%)，且混合材種類比起P·C 32.5要求的基礎上，進一步放寬，增加了粒化電爐磷渣與粒化鈦礦渣，有可能導致放射性核素限量增高現象，且GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》[1]標準中規定，當樣品中鐳-226、釷-232和鉀-40放射性比活度之和＞37 Bq/kg時，要求測量不確定度(擴展因子k=1)≤20%。故有必要對砌筑水泥的放射性核素限量測量進行不確定度研究，以提升檢測的準確率。

1 測量依據與儀器

測量依據：GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》。

評定依據：JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》。

主要儀器：低本底多道γ能譜儀（型號為FYFS-2002F，制造商為湖北方圓）；YP20002電子天平（量程1000g，精確度0.01g）

試驗環境：溫度控制在（21±2）℃，相對濕度控制在（50～60）%。

測量方法：按GB 6566—2010規定，將砌筑水泥磨細至粒徑≤0.16mm，然后將水泥樣品裝入與標準源幾何尺寸一致的樣品盒中（Φ75mm×70mm，空樣品盒提前稱重），直至裝滿樣品盒，密封，稱重，并記錄重量，計算出凈重（本次試驗凈重280.0g），待測，靜置7 d，使得砌筑水泥檢驗樣品中天然放射性衰變鏈基本達到平衡后，在與標準源測量條件相同情況下，采用低本底多道γ能譜儀對其進行鐳-226、釷-232和鉀-40比活度測量，樣品測試時間為7 200 s。

2 數學模型

根據標準GB 6566—2010，內照射指數（IRa）、外照射指數（Ir）計算公式分別如下：

公式中，IRa為內照射指數；Iγ為外照射指數；CRa、CTh、CK分別為砌筑水泥中天然放射性核素鐳-226、釷-232和鉀-40的放射性比活度(單位：Bq/kg)；200為僅考慮內照射情況下，GB 6566—2010標準中規定的砌筑水泥中放射性核素鐳-226的放射性比活度限量(單位：Bq/kg)；370、260、4200分別為僅考慮外照射情況下，GB 6566—2010標準中規定的砌筑水泥中天然放射性核素鐳-226、釷-232和鉀-40在其各自單獨存在時的限量（單位：Bq/kg）。

3 測量不確定度的來源

3.1 A類不確定度

主要是測量重復性引入的相對不確定度，取同一批次的砌筑水泥M 32.5等級樣品2kg，均勻混合后，裝入已稱量過的空樣品盒中至滿盒，稱重并計算出凈重（280.0g），靜置至滿足測試條件后，測試其放射性，重復測試10次，并分別記錄結果，主要的檢測參數CRa、CTh、CK、IRa、Ir的結果見表1。

表1 重復測量10次砌筑水泥試樣放射性結果

3.1.1CRa的相對不確定度uARa

3.2 B類不確定度

B類不確定度主要由低本底多道γ能譜儀檢測設備、鐳-226、釷-232和鉀-40標準源、電子天平稱量設備、實驗室環境、樣品靜置時間，樣品的測試時間等因素引入的相對不確定度，這些因素所引起的不確定度之間是互為獨立的。

3.2.1 由低本底多道γ能譜儀引入的相對不確定度urb1

根據湖北省計量測試技術研究院出具的校準證書（證書號：2021YD03960197）顯示，活度示值誤差的相對擴展不確定度Urel=10%，k=2，則低本底多道γ能譜儀引入的相對不確定度urb1=10%/2=5%。

3.2.2 由電子天平稱量設備引入的相對不確定度urb2

采用的電子天平為YP20002型，由廣東省梅州市質量計量監督檢測所檢定證書可知，天平最大示值誤差的測量結果擴展不確定度：U=0.03g，k=2，則區間半寬度a=U=0.03g，試驗稱取砌筑水泥凈重為280.0g，由電子天平稱量的標準不確定度ub2=0.03/2=0.015g，故電子天平稱量設備引入的相對不確定度urb2=0.015/280=0.01%。

3.2.3 分別由鐳-226、釷-232和鉀-40標準源引入的相對不確定度urb3、urb4、urb5

根據送檢國防科技工業電離輻射一級計量站提供的校準證書（證書號：JZ-A21-200824A201）顯示：

（1）鐳-226的相對擴展不確定度Ura=4.4%，k=2，由此可得出鐳-226標準源引入的相對不確定度urb3=Ura/k=4.4%/2=2.2%

（2）釷-232的相對擴展不確定度UTh=4.8%，k=2，由此可得出釷-232標準源引入的相對不確定度urb4=UTh/k=4.8%/2=2.4%

（3）鉀-40的相對擴展不確定度Uk=4.6%，k=2，由此可得出鉀-40標準源引入的相對不確定度urb5=Uk/k=4.6%/2=2.3%

3.2.4 由實驗室環境引入的相對不確定度urb6

檢測實驗室配置了空調調節，除了溫度控制，尤其注重除濕，溫度控制在（21±2）℃，相對濕度控制在50%～60%，以保證低本底多道γ能譜儀正常穩定工作，但仍難以測量其準確度，采取與蘇燦洪[3]等人的經驗估值法一致，取urb6=1%。

3.2.5 由樣品的靜置時間引入的相對不確定度urb7

標準GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》中，只規定檢驗樣品靜置至天然放射性衰變鏈基本達到平衡后才測試放射性核素限量，沒有注明靜置時間為多長，因不同的材料，天然放射性衰變鏈平衡時間不一致，有些材料靜置時間太短，則天然放射性衰變鏈未達到平衡，進而帶來測量偏差影響較大，對砌筑水泥的靜置時間研究暫未查找到相關文獻，昌文芳等[4]等研究了52份磚類樣品靜置時間對放射性的影響，結果顯示，靜置5d基本穩定，對內、外照射指數基本沒有影響，結合對砌筑水泥日常大量放射性測試的經驗，選擇保守的靜置時間7d，天然放射性衰變鏈基本達到平衡，因此靜置時間引入的相對不確定度影響較小，取urb7=0.5%

3.2.6 由樣品的測試時間引入的相對不確定度urb8

標準GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》中，并未對樣品的測試時間作規定，本試驗采用NaI探測器效率較為優越，在本底一定的情況下，樣品放射性較強，測試時間應選擇短一些；樣品放射性較弱，則測試時間適當延長，巫紅萍[5]研究了陶瓷磚放射性測試時間對結果的影響，表明測試3600s后，繼續延長時間，對結果影響很小，其測得的內、外照射指數為：0.33、0.53，本試驗測試的砌筑水泥放射性水平較其測量的低不少，結合經驗，對砌筑水泥樣品采用7200s作為測試時間，測試結果穩定性好，因此測試時間引入的不確定度影響較小，選取urb8=1%。

4 合成標準不確定度

各因素構成的不確定度（分析結果匯總見表2）彼此獨立，無相關關系，由此可得出內照射指數與不確定度因素1、4～11相關，故內照射指數的合成標準不確定度見式（1），外照射指數與不確定度因素1～11相關，外照射指數的合成標準不確定度見式（2）。

表2 各因素構成的不確定度分析結果

5 擴展不確定度

GB 6566—2010中要求當樣品中鐳-226、釷-232和鉀-40放射性比活度之和d＞37 Bq/kg時，要求測量不確定度(擴展因子k=1)≤20%，故取擴展因子k=1，則擴展不確定度為:

內照射指數U（Ira）=uc(Ira)×k=6.53%×1=6.53%；

外照射指數U（Iγ）=uc(Ira)×k=6.89%×1=6.89%。

6 結論

（1）砌筑水泥的鐳-226、釷-232和鉀-40放射性比活度之和＞37 Bq/kg時，內、外照射指數的測量不確定度(擴展因子k=1)分別為6.53%和6.89%，均滿足GB 6566—2010中≤20%的要求。

（2）砌筑水泥放射性的靜置時間選擇7d，測試時間為7200s時，較好平衡穩定性與日常檢測效率。