研究探索：更清洁、可持续、更安全：碱活化材料在建筑工业中的绿色潜力与放射性良好实践和一些建议
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本文选自《商品混凝土》杂志2024年第2期
更清洁、可持续、更安全：碱活化材料在建筑工业中的绿色潜力与放射性良好实践和一些建议
容红，陈向东，张荣 译
［摘 要］以四种典型原始材料（粉煤灰、粒状高炉矿渣、偏高岭土和砖废粉）为原料制备碱活性材料，对其粒度、元素组成和微观结构进行了表征。采用高分辨率伽玛射线能谱法测定所有材料中天然存在的放射性物质（NORM）的活度浓度，以评估其放射性影响。根据欧洲原子能共同体 2013/59 指南，所有被检测的材料都符合欧洲剂量测定指数（I）。结果表明，有必要对整个混合阶段的放射性进行精确检测，以防止 I 超标。且通过主成分分析法对生产链进行了评估。
［关键词］矿物聚合物；碱活化材料；天然放射性核素；天然放射性物质；剂量测定的指标；高分辨率伽马射线能谱法
1 引言
当前的环境和气候约束促使人们使用越来越高效和可持续的材料和生产工艺，从而减少自然资源的开采及生产过程中的废弃物和排放[1]
在建筑行业中，碱活性材料（AAMs）和地聚合物因其众多优势而越来越受欢迎[2]。特别是，由于原料中碳酸盐成分几乎不存在，生产过程不需要煅烧，因此这些材料的生产可以大幅减少二氧化碳排放，并且由于较低的工艺温度，能源成本较低，从而涉及更低的化石燃料排放[3]
此外，所采用的起始材料越来越多地引入来自矿物的工业固体废物，例如，以粉煤灰为基础的能源生产或来自金属冶炼。在初级工业周期结束时，某种程度上保留了类地质基质，这表明废物回收是生产建筑材料的另一种途径[4,5]
AAMs和地聚合物被定义为无机铝硅酸盐粘合剂[6]。尽管关于该主题的首次报道可以追溯到1979年，但自2000年以来，由于优化配方在机械强度、耐高温性、耐久性和环境可持续性方面的出色表现[8]，人们对其的研究兴趣稳步增加[4,5,7]。Provis[8]将这类材料定义为可持续的粘结剂系统，与传统胶凝材料相比，它具有不同，但重要的特征，如多功能性和局部适应性。为了制备AAMs和地聚合物，可以使用各种回收原始材料。研究中使用最多的原材料来自工业副产品，即燃煤产生的粉煤灰或炼铁生产产生的炉渣[8,9]。然而，由于AAMs的原始材料（precursors）被定义为富含无定形SiO和Al的铝硅酸盐材料，因此广泛的城市和工业副产品可以很好地应用于碱活化，例如城市垃圾焚烧、拆迁、建筑行业的陶瓷废物、水处理厂的沉积物（污水污泥）以及农业和矿产工业的废物[9]。原始材料的选择最有趣的方面之一是就地取材，因此可最大限度地减少原材料的运输并减少垃圾填埋[8,10]。这种方法将减少最终产品对环境的影响，因为通常运输阶段会严重降低环境的可持续性[8,11]。另一方面，由于潜在的原始材料种类繁多，具有不同矿物学/技术来源、化学成分、形状和粒度，因此通用配方的开发（如胶凝材料）较缓慢。因此，混合设计优化是开发AAMs的基本过程之一[7,8,10]。为了优化最终产品的性能，需要对碱性活化剂（即碱金属氢氧化物和硅酸盐）（通常是水溶液）和固体活化剂进行精确调整，以生产所谓的“单组分地聚合物”[4]。作为建筑材料，AAMs常通过在混合物中添加不同级配的天然或再生骨料，制成普通或轻质粘合剂、砂浆和混凝土。
总的来说，AAMs的使用在可持续性方面表现出色，至少实现了两个基本目标，即减少变暖的潜在贡献和减少固体废物管理。就后一个目标而言，近期的文献表明，除了有助于减少垃圾填埋处理固体废弃物外，由废弃物制成的AAMs被证明在化学方面是安全的，与通常受浸出影响的母材相比，其释放有害成分的倾向可以忽略不计[12]。在这方面，AAMs的固有特性非常有价值，甚至有人提出将其作为放射性废物的有效固化剂[13]
实际上，回收的废弃物可能存在一种潜在的危害[14]，因为生产过程涉及原存在于原材料中的特定痕量物种的再分配和浓缩，随后根据其物理化学性质转移到最终产品，和（或）转移到废弃物和排放物中，因此需要根据环境要求和法律限制进行处理、减量和处置[14]
矿物/岩石原料通常含有天然存在的放射性核素，主要与238,235U和232Th三个放射性家族有关，此外还有一些原始放射性核素，其中最重要的是40K，它是天然钾的一个恒定而少量的放射性同位素[15,16]。由于它们在陆地岩石和土壤中普遍存在，所有这些物质都被定义为在岩石和土壤中浓度水平高度可变的自然放射性物质（NORM）。
众所周知，事实上岩石和矿物的NORM范围随岩石类型、形成过程和晶体性质的变化而变化，总体上代表了所谓的“地质多样性”[17]。相关的细节已广为报道，例如，Schon，2015[16]。因此，要对来自自然环境的辐射剂量不断进行评估和更新，同时建筑材料，包括直接使用的石头或通过研磨和混合制成砖、瓦和混凝土建筑材料的岩石复合材料，长期以来，人们一直对其放射性水平进行检测[2,7,12]。然而，值得注意的是，尽管岩石中NORM的平均浓度范围可以用于对岩石及其地球化学进行分类，但由于它们在地质时间尺度上经历了复杂的生物地球化学作用，即使在单一的岩性分类中，天然放射性也是高度可变的。由于欧洲原子能机构指南2013/59的执行和相关的辐射防护限制，建筑材料中的放射性正在受到越来越多的检测。近期的主要相关信息和数据来源可以在许多出版物中找到[18-22]。除了自然多样性之外，近来对地球表面任何类型资源的开采都可能因提取、开采、加工和处置所带来的环境物理化学变化，进一步改变地质固体的原始组成。
长期以来，人们一直认为具有广泛活动浓度水平的地质材料和工业活动中矿产资源的开采都是潜在的重要辐射源，导致相对于平均人口暴露量而言的过量辐射剂量[23]。特别是，引用的文件强调了原材料和废弃物中的NORM如何富集，导致在给定生产过程的各个阶段产生过量的辐射剂量，例如瓷砖工业中的磷肥和锆石[15,24]。因为经过特殊处理，原料中的元素和放射性同位素也可能在最终产品和固体废弃物中发生分馏和（或）富集。岩石材料产生的固体废弃物通常比母材放射性更强，如常见的粉煤灰、磷石膏或赤泥，它们分别来自煤炭燃烧、用磷灰石制磷肥和铝生产的副产品[23,25]。由于这些废弃物与工业生产过程导致的放射性增强有关，因此提出了“技术增强天然放射性物质”（TENORM）的概念，并需要对由此产生的总辐射剂量进行评估。
迄今为止，文献中关于AAM放射学特征的研究报道较少，主要涉及非常特殊的原始物，如赤泥、生产后粘土、橄榄生物质灰和放射性原始物[26-31]
本项工作的创新之处在于，我们首次调查了基于最流行的工业固体废弃物原始材料（中高岭土、粉煤灰、磨粒高炉炉渣和陶瓷废料粉末）的AAMs和地聚合物中的NORM特性，以评估其是否符合欧盟最新的辐射防护法规（根据欧洲原子能共同体指南2013/59[25]），并作为D.L. 101, 2020年7月31日引入意大利法规[32]。这些规定需要评估所有建筑材料中的NORM，因为这些材料可能在伽马（）辐射潜能和氡辐射率方面对人口的平均辐射剂量产生影响。这一点在室内条件下尤其重要，因为在室内通风条件下，辐射剂量取决于建筑材料直接生产的伽马（）辐射以及氡子辐射和随后吸收的持续时间。
本文系统分析了四个系列AAMs的高分辨γ射线能谱，包括所有起始原料和废弃原始物的碱活性源。在碱活化过程中，对样品的特定NORM组成和浓度水平进行了表征，并计算了欧洲原子能机构法规中各自的剂量学指数I，以评估其是否符合辐射防护安全要求。
采用基于主成分分析（PCA）的多变量分析方法对收集到的辐射测量数据集进行分析，以评估其相对差异，并探讨在建筑材料领域进行系统分类的潜力。
2 材料与方法
2.1 材料
在前人研究的基础上，选择不同的原始材料制备碱活化的粘结剂和砂浆[33-38]。选择德国BauMineral公司（EFA - fuller®，德国）提供的F级（符合ASTM C618标准）粉煤灰（FA）、法国ECOCEM公司提供的碎粒高炉渣（GGBS）和由维纳柏格公司从意大利贝卢诺Villabruna di Feltre工厂提供的砖废粉（BWP）作为废弃物原始材料。而将法国ARGECO公司提供的闪煅偏高岭土（MK）作为参照原始物。表1显示了使用电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES, PerkinElmer, AVIO 550 Max）测量的不同材料中氧化物成分的质量百分数。原始材料的化学组成是碱活化混合料优化设计的依据。MK和FA主要为铝硅酸盐源（FA中SiO +Al≈80%，MK中SiO + Al> 90%），CaO和Fe含量较低；BWP的SiO含量也最多，Al和CaO含量较低，但两者数量接近。结果表明，GGBS中CaO含量非常高，占总成分的50%以上。
除化学成分外，四种原始材料在粒径分布和颗粒形状方面也有所不同，如图1和表2所示。表2列出了与粒径分布有关的主要参数，包括中值（d(50)）以及10%或90%的样品的粒度值，即d(10)和d(90)。这些数据由激光散射粒度分析仪（Mastersizer 2000，Malvern）测量得到。在所选的原始材料中矿渣的颗粒尺寸最小，FA的中值约为15m，但粒度分布比矿渣广。BWP和MK的粒度分布相当，中值粒度为41m（图1a）。
图1b显示了使用场发射电子枪仪器（FEG-SEM，Tescan Mira3）通过扫描电子显微镜获得的四种原始材料的微结构。主要观察了颗粒在形状和尺寸的形态学方面典型特征。FA主要呈现球形（同文献[39]的检测结果）、GGBS和BWP显示出不规则的形状，有棱角。最后，MK表现出片状形态，这也在以前的研究[35]中报道过。
通过添加活化剂和硅酸盐组分制备AAMs。为了活化所选的原始材料，使用了不同的碱性溶液。将钠氢氧化物（NaOH）颗粒（由适马奥尔德里奇公司提供，ACS试剂，含量 98%）溶解在硅酸钠溶液中制备8M溶液（320g NaOH溶解在1L去离子水中）。用于活化的硅酸钠溶液（由意大利Ingessil s.r.L提供的NaSiO），其成分为29.9% SiO、14.4% NaO和55.7% HO。最后，用于BWP的活化剂中，使用无水铝酸钠（由Sigma Aldrich提供的技术级NaAlO）来调节碱活化混合物中Al的含量。配制砂浆时，加入符合EN 196-1:2016[40]的具有固定粒径分布（dmax = 2mm）的标准硅质砂（SiO > 96wt%）作为细骨料。
2.2 样品制备
AAMs的制备方案如图2所示。本研究利用两种工业废渣和偏高岭土这三种不同的原始材料制备了四种AAMs，偏高岭土是碱活化技术中最常用的材料[7]。碱活化粘结剂和砂浆的制备参考了前人研究[33,34,36,37]的优化配合比设计。用于制备水泥净浆和砂浆样品的各组分用量见表3。碱活化净浆用P表示，砂浆用M表示，碱活化所用原始材料用字母缩写表示（即FA =粉煤灰，GGBS =磨粒高炉渣，BWP =砖废粉，MK =偏高岭土）。所有样品在室温条件用塑料袋密封养护至龄期。
2.3 特性描述
2.3.1 高分辨率伽马射线光谱测定法
所有检测都是在密封条件下养护28天后进行的。使用高分辨率伽马射线光谱测定法检测原料和所制试样中NORM的放射性浓度水平。样品分析使用p型HPGe同轴探测器（PROFILE，Ortec-Ametek Inc.），能量范围20～2000keV。探测器的相对效率为38%，在1332.5KeV处的分辨率（FWHM）为1.8KeV。将标准液体（埃克特&齐格勒Multinuclide标准溶液750L）置入广口瓶（直径= 56mm；厚度= 10mm）校准系统的能量和效率，进行定量分析。采集1天的光谱以优化峰值分析。随后用Gamma Vision-32软件包（版本6.08，Ortec-Ametek Inc.）处理和分析光谱。根据Gilmore （2008）[41]提出的方法，在226Ra-238U与自然235U / 238U同位素比值之间存在长期平衡的假设下，通过235U干涉修正峰面积，在186KeV下测定了226Ra。然后用放射子体226Ra和228Ac / 212Pb的放射量测定238U和232Th。
根据所使用的专用软件，定义与浓度活动相关的误差为总不确定度，并在k = 1置信水平（1）下计算。该参数通过几个不确定度的传播获得，例如作为主要贡献的计数不确定性和与效率相关的不确定性等。
最小可探测活度（CRMDA）是根据GammaVision中可获得的所谓传统ORTEC方法使用等式(1)计算的：
其中：SENS——光谱分析卡中的峰值临界值，%，本研究中为40%；
——谱峰本底值；
LT——测量活时间，s。
理事会指南2013/59/Euratom[23,25]附件VIII定义了活度浓度指数（I），以量化和规范建筑材料中放射性核素产生的伽马辐照（公式(2)）：
其中：CRa226、CTh232和CK40——分别为226Ra、232Th和40K的活度浓度，用Bq/kg表示，通过伽马射线能谱法测定。因此，活度浓度指数值1被作为保守安全阈值，低于该阈值建筑材料在放射学上是安全的，阈值剂量1，对应于每年1毫西弗的最大允许值[42]。在实践中，当建筑材料的I指数小于1时，被认为是安全的。
明确使用226Ra而不是其母体238U，表明它们具有相对的放射性影响。在天然放射性族中，虽然所有成分均存在，接近或不是长期平衡，但各种放射性核素在辐射类型和辐射能量上并不等同。因此，在238U族中，最关键的放射性核素是226Ra向下的核素，因为它与222Rn直接相关，而222Rn是个体辐射剂量的主要贡献者，其辐射具有显著的辐射危害。氡实际上是一种稀有的放射性气体，它从任何岩石、土壤及其衍生物中释放出来，释放速率取决于材料中226Ra的初始浓度，以及在温度、压力和湿度影响下的孔隙中。此外，它还会进一步衰变为一系列放射性子体核素，从而产生复杂的多重辐射，包括衰变和与238U族最相关的衰变[43]
因此，使用指数I是一个快速和实用的方法，便于选择辐射安全的建筑材料，尽管这些材料可能具有多重和复杂的辐射危害。
2.3.2 多变量分析
根据NORM数据对AAMs、其原始材料和活化剂进行了PCA比较。PCA[44,45] 是一种综合的化学计量学技术，它以原始变量（本例中为 NORM 活性）的线性组合为基础，旋转这些变量所跨越的空间，以获得一个新的空间，其第一个向量（主分量，PCs）携带大部分原始信息（解释方差，EV%）。通过这种方式，2D图或3D图可以从样本和变量的相似性或不相似性，以及哪些变量对样本分布的影响最大等方面来全面描述问题。
在本研究中，PCA是使用R软件（R Core Team，奥地利 维也纳），使用自制的脚本进行的。
3 结果和讨论
3.1 辐射数据
表4为所有分析材料的放射性浓度（Bq/kg），这些材料包括用于碱活化的废弃物（FA、GGBS和BWP）、天然（MK）原始材料，及中间产品和最终产品。还显示了AAMs处理中使用的试剂/成分。
试剂（NaOH, NaAlO和NaSiO）包括用于硅酸铝初始化学反应的碱性物质和用于制备砂浆的砂。所有分析材料的NORM含量都非常低。对于NaOH来说，鉴于其工业生产链，这是意料之中的事，而对于其他物质，特别是含有硅酸盐的物质，情况就不那么简单了，尤其是砂，由于这些物质都来源于岩石，其所含NORM的浓度水平各不相同。对于我们所分析的一式三份的砂，NORM水平都非常低。不过，下文还将发表一些进一步的意见，对一些防止放射依从性的潜在和意外失败的一般指南的评论。
在天然放射性核素中，原始材料的NORM活度浓度最高，活化剂和硅质组分的活度浓度最低。净浆和砂浆居中，这是由于试剂起到了稀释作用。总的来说，我们发现在本实验条件下，如剂量学指数的结果值所示，与原始材料相比，AAMs的生产带来了辐射危害降低的有利影响，这与先前的文章[4]结论一致。
煤炭这种化石是迄今为止使用量巨大的燃料。长期以来，煤炭能源产生的副产品——粉煤灰FA一直被用于水泥和混凝土、砖和瓦等建筑材料以及AAMs中[4]，以减少其在垃圾填埋场的处置 [5]。在燃烧过程和固有的固体质量减少之后，与母体燃料相比，煤灰历来被认为富含无机和矿物成分，也包括重金属和NORM，需要仔细管理。因此，在本研究中，我们发现，FA不仅显示出最高的活度浓度值，而且正如预期的那样，剂量学指数为1.74，这与过去关于该主题的文献，甚至包括关于建筑材料辐射防护的第一份欧共体文件一致[42]。这一数值大大超过了欧洲原子能共同体指南规定的单位值阈值，再次显示了FA作为建筑材料长期以来的关键问题。然而，与FA在水泥和混凝土中的使用不同，AAM处理有效地解决了放射性问题，至少在我们的案例中是这样，文后将给出一些进一步的评论和相关的一些额外建议。
GGBS是由炼铁过程中产生的钢铁副产品组成的经研磨后的高炉渣，广泛应用于AAMs[4]。本文分析的样品显示NORM含量低于FA，尽管其剂量学指数远低于所给的阈值，但比Sofili等人 [46]的研究结果高。这意味着，尽管有庞大的数据库可用，但由于铁矿石的天然成分以及所涉及的工业过程存在显著差异，因此需要提前系统地检查是否符合欧洲原子能共同体2013/ 59号指南的放射性标准。
BWP的辐射测量数据也证实了这一观点。在这种情况下，所分析的原始材料呈现出与GGBS相当的NORM含量，尽管40K水平明显更高，导致I值大于1。这并不奇怪，因为如引言所述，砖及其废料将在其所有地球化学多样性中保留母材的辐射指纹，而不受自然或技术影响。值得注意的是，在我们的实验室中，为了研究和委托目的，每年对建筑材料（主要是瓷砖及其原材料，但也包括AAMs，如Sas等人，2019[47]）的大量样本进行NORM分析；在这一框架中，对一组32块砖样本进行的I评估的平均值在1.07至0.44之间，平均值为0.73±0.19（Tositti等人未发表的数据），而在对岩石放射性水平可能较高的尤加尼安山火山岩废料或陶瓷污泥进行调查后发现，用这种火山岩废料生产的砖块的I值介于0.53～0.82 [19]
MK通常作为AAM产品的天然参照物，严格来说它是高岭土矿物的衍生物，基本上属于粘土，是对高岭土经热处理而得来的[2,7]
Walley El-Dine等人[48]广泛分析了来自埃及以及非常遥远的地方的不同样品，显示出粘土中的放射性变化很大，这与粘土的来源地区有很大关系。
在本研究中，所测NORM的活度浓度较低，而Ivanovic等人[49]研究测得的含量比我们高4～5倍。这两组数据与Walley El-Dine等人[48]测量的范围一致。然而，后者测得I>1再次表明，鉴于任何类型的矿物及其衍生物在成分（包括放射性核素）上的自然变化性，在生产前需要对所有成岩材料进行精确的放射性检查。
有趣的是，从辐射学的角度来看，如果在实验评估后没有进行充分的评判，辐射项可能仍然很高，但尽管如此，一些研究人员提出，无论原始的天然放射性如何，AAMs的产生仍然呈现出有趣的优势。事实上，正如Lu等人[5]所揭示的那样，可以通过提高对材料孔隙的“密封”效果，对铝硅酸盐生成AAMs的过程进行改进，从而阻止氡及其子体从材料中释放出来[50,51]。尤其是在室内环境中，在室内通风有限的情况下，氡的积聚可能会在吸入时造成严重的辐射危害[52]。表5表明本研究就最常分析的放射性核素（226Ra，232Th，以及40k）的放射性浓度得出的结果与之前文献中报告的结果高度一致。表5中的地质聚合物是根据所引用参考文献中报道的原材料的化学成分进行排序的，但这些原材料的来源一般与本研究中使用的材料不同。这表明可用于生产地质聚合物的材料（通常是废料）可变性非常大。
最后，我们对表征的原材料进行了评论。在这项工作中分析的所有样品的NORM都可忽略不计，表明它们能够作为原材料的“稀释剂”，这表明它们在减少最终产品的潜在辐射危害方面发挥了有利作用。
我们再次建议有必要仔细检查砂，砂可能会像粘土一样受到NORM意外变化的影响。以我们本次研究中所做的实验举例。我们在测量其中一种AAMs的样本时注意到，尽管进行了多次的测量，但其中一个砂浆的数据出现了异常。经检查发现在一个单一样品中，我们使用了不同批次的砂作等分试样，发现尽管它是粒度标准的材料，但与本文的其他样本相比，其地理来源截然不同，这证实了用于混合物中的材料需要格外小心。
3.2 剂量学指数在 AAMs 制备过程中的演变
只考虑剂量指数（I）就可以得到更具体的考虑因素。图3显示了每种材料及其相关中间产品（净浆）和产品（砂浆）的柱形图；统计数据是根据其重复测量的数据计算出来的。
从图3中可以看出，所有砂浆样品的剂量学指数都低于限定值1.0（红色虚线），例如三种活化剂和砂子样品。但原始材料和砂浆却有不同的表现。BWP和FA原始材料的中值（分别为1.11和1.69）均高于推荐限值，GGBS（0.72）略低于推荐限值，MK的中值为0.97，其平均值与推荐限值1.0无显著差异（显著性水平0.05）。除了FA_P的I值为1.47之外，其他净砂的I中值均低于1.0。值得注意的是，可以沿着每个样品的反应链（图3从左到右）进行分析：原始材料的I中值最高，反应变为净砂，I的中值逐渐降低，当AAMs变成砂浆时，I中值达到最小值。最后一段的下降也很大，如M_FA的I中值达到0.22。
总的来说，可以观察到，在生成AAMs的反应过程中，所分析的所有放射性元素的活度浓度都显著降低。这种趋势体现在活性指数I的下降上，从净浆到砂浆的最后这一段，即砂浆与硅砂混合时，下降尤为明显。然而，有些放射性元素，如40K和226Ra，在原始材料与碱活化剂第一次反应后的下降并不总是很明显。这就解释了为什么FA和MK的I中值从原始材料到净浆只有轻微的下降。
3.3 多变量分析
将测得的AAMs、原始材料和活化剂的活度浓度数据用于计算PCA模型，以评估每个所分析的放射性元素在反应链中的行为。该组数据由4类AAMs及其相应的原始材料（BWP、FA、GGBS和MK）、净浆、活化剂（NaOH、NaSiO和NaAlO）和两个砂样组成。由于砂可能对最终的AAMs在NORM方面产生不可忽略的影响，因此在此试验中包含了两个砂样。如前所述，建筑材料是否符合Euratom的要求，是由各种成分的NORM混合物决定的。对于砂样，经验告诉我们需要检查其NORM含量，因为其中一种砂表现出非常低的NORM水平，能够有效地稀释母体废料中的NORM，但另一种砂却不是。因此，砂的来源产地和少量化学成分可能在放射性安全方面影响显著。
每个样品重复测量3次，有些样品由于测量中的不确定度而重复5次。最终的数据集由66个对象（样本的重复）和8个变量（7个NORM和剂量学指数I）组成。图4显示了由PCA模型获得的双标图。双标图将得分和载荷按比例放大到区间（-1；+1）后得到的，使两者显示在同一图谱上。
图4中显示的两个主体PC1和PC2，共占总方差的94.1%，因此它们几乎代表了数据中包含的全部信息。包括I在内的所有变量都在图的右侧，PC1数值为正。还有两组很好区分的NORM变量，它们在图中的接近程度表明了他们之间具有很强的相关性：第一类是232Th族的主要发射体，即212Bi、212Pb和228Ac；第二类是238U族的主要发射体，即226Ra、214Bi和214Pb，与40K的相关性也较低。
从图4中变量的分布可以定性地看来，位于图左侧PC1为负值的样品在所有放射性核素中的浓度最低。实际上，在PCA中，位于某一变量的同一象限的样本，其浓度最高，而位于某一变量相反象限的样本，其浓度较低。这通常表现为分数和载荷之间的“象限对应关系”。因此，图4显示活化剂的所有放射性核素深度最低。还可以看出，与原始材料（三角形）和净浆（圆圈）样品相比，砂浆样品（用全方格表示）的所有放射性核素浓度也较低。此外，图4可以从右往左查看AAMs生产链。例如，从双标图下部的三角形（代表原始材料）到净浆样品（圆圈），最后到砂浆产品（全方格），暗红色代表的是BWP这一条链。这种分布模式对所有AAMs都大致适用，除了原始材料和净浆之间有一些轻微的重叠（如紫色的MK）。从图4的双标图也可以推断，MK原始材料和净浆由于位于PC2的正值位置，因此主要集中在212Bi、212Pb和228Ac，而其他原始材料通常主要集中在其他放射性元素中。变量I位于两组放射性核素的中间，因为它的计算需要212Pb，232Th（228Ac）和226Ra，40K这两组成对元素的浓度。其值在FA原始材料（浅蓝色方格）和所有原始材料中最高。
4 结论
对碱活性材料（AAMs）生产链上的放射性再分布模式进行了详细的研究。四种不同类型的工业固体废弃物被用作原始材料。在进行化学处理将其转化为碱活性材料之前，对其粒度测定方法进行了详细的表征。通过高分辨率伽玛射线能谱法对所有材料的NORM的活度浓度进行了准确的表征了，并计算了基于欧盟指南2013/59的剂量学指标。
在所有情况下，根据所使用的所有材料和反应物的辐射特性，砂浆（即最终的AAMs产品）都符合目前欧洲建筑材料的放射标准。此外，发现所有AAMs家族的辐射指数都有所下降，从原始材料的较高值（在某些情况下不符合法律限制）到最终AAMs的较低值，这表明该回收方法可能非常高效。
通过PCA对整组数据进行多元分析，包括通过伽马射线能谱定量的所有放射性核素，使我们能够指出碱活化材料在化学处理前后的有效分类。此外，还可以评估每个AAMs族中特定放射性核素的富集程度（特别是232Th和238U的衰变过程）。
最后，为能够在符合辐射防护标准条件下，最佳地和安全地利用原始材料，本工作给出了建议和注意事项。
（校译：宁夏）
参考文献
[1] IPCC, IPCC AR6 Working Group 1: Summary for Policymakers | Climate Change The Physical Science Basis, (2021), accessed April 17, 2023, https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/chapter/summary-for-policymakers/, 2021.
[2] H. Castillo, H. Collado, T. Droguett, M. Vesely, P. Garrido, S. Palma, State of the art of geopolymers: a review, E-Polymers 22 (2022) 108–124, https://doi.org/10.1515/EPOLY-2022-0015/ASSET/GRAPHIC/J_EPOLY-2022-0015_FIG_009.JPG.
[3] M. Valente, M. Sambucci, A. Sibai, Geopolymers vs. cement matrix materials: how nanofiller can help a sustainability approach for smart construction applications—a review, Nanomater. 2021, Vol. 11, Page 2007. 11 (2021) 2007. doi:10.3390/NANO11082007.
[4] M. Elzeadani, D.V. Bompa, A.Y. Elghazouli, One part alkali activated materials: a state-of-the-art review, J. Build. Eng. 57 (2022), 104871, https://doi.org/10.1016/J.JOBE.2022.104871.
[5] X. Lu, B. Liu, Q. Zhang, Q. Wen, S. Wang, K. Xiao, S. Zhang, E. Mokrzycki, A. Uliasz-Boch′e, X. Lu, B. Liu, Q. Zhang, Q. Wen, S. Wang, K. Xiao, S. Zhang, Recycling of coal fly ash in building materials: a review, Miner. 2023, Vol. 13, Page 25. 13 (2022) 25. doi:10.3390/MIN13010025.
[6] G. Masi, S. Manzi, M.C. Bignozzi, Gender balance in construction material research: the analysis of alkali-activated materials by a bibliometric study using scopus database, Front. Mater. 7 (2020) 321, https://doi.org/10.3389/FMATS.2020.572514/BIBTEX.
[7] Y. Wu, B. Lu, T. Bai, H. Wang, F. Du, Y. Zhang, L. Cai, C. Jiang, W. Wang, Geopolymer, green alkali activated cementitious material: synthesis, applications and challenges, Constr. Build. Mater. 224 (2019) 930–949, https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2019.07.112.
[8] J.L. Provis, Alkali-activated materials, Cem. Concr. Res. 114 (2018) 40–48, https://doi.org/10.1016/J. CEMCONRES. 2017.02.009.
[9] S.A. Bernal, E.D. Rodríguez, A.P. Kirchheim, J.L. Provis, Management and valorisation of wastes through use in producing alkali-activated cement materials, J. Chem. Technol. Biotechnol. 91 (2016) 2365–2388, https://doi.org/10.1002/JCTB.4927.
[10] C. Shi, B. Qu, J.L. Provis, Recent progress in low-carbon binders, Cem. Concr. Res. 122 (2019) 227–250, https://doi.org/10.1016/J.CEMCONRES.2019.05.009.
[11] B.C. McLellan, R.P. Williams, J. Lay, A. Van Riessen, G.D. Corder, Costs and carbon emissions for geopolymer pastes in comparison to ordinary portland cement, J. Clean. Prod. 19 (2011) 1080–1090, https://doi.org/10.1016/J.JCLEPRO.2011.02.010.
[12] P. Cong, Y. Cheng, Advances in geopolymer materials: a comprehensive review, J. Traffic Transp. Eng. (english Ed.) 8 (2021) 283–314, https://doi.org/10.1016/J.JTTE.2021.03.004.
[13] B. Kim, J. Lee, J. Kang, W. Um, Development of geopolymer waste form for immobilization of radioactive borate waste, J. Hazard. Mater. 419 (2021), 126402, https://doi.org/10.1016/J.JHAZMAT.2021.126402.
[14] D.C. Wilson, L. Rodic, A. Scheinberg, C.A. Velis, G. Alabaster, Comparative analysis of solid waste management in 20 cities, Waste Manag. Res. 30 (2012) 237–254, https://doi.org/10.1177/0734242X12437569/ASSET/IMAGES/LARGE/10.1177_0734242X12437569-FIG6.JPEG.
[15] B. Michalik, A. Dvorzhak, R. Pereira, J. Lourenço, H. Haanes, C. Di Carlo, C. Nuccetelli, G. Venoso, F. Leonardi, R. Trevisi, F. Trotti, R. Ugolini, L. Pannecoucke, P. Blanchart, D. Perez-Sanchez, A. Real, A. Escribano, L. Fevrier, A. Kallio, L. Skipperud, S.M. Jerome, J.M. Popic, A methodology for the systematic identification of naturally occurring radioactive materials (NORM), Sci. Total Environ. 881 (2023), 163324, https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2023.163324.
[16] J.H. Schon, Rocks-their classification and general properties, Dev. Pet. Sci. 65 (2015) 1–19, https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100404-3.00001-9.
[17] R.H. Wilkens, Physical properties of rocks: fundamentals and principles of petrophysics, Eos Trans. Am. Geophys. Union 78 (1997) 600, https://doi.org/10.1029/97EO00363.
[18] R. Trevisi, F. Leonardi, S. Risica, C. Nuccetelli, Updated database on natural radioactivity in building materials in Europe, J. Environ. Radioact. 187 (2018) 90–105, https://doi.org/10.1016/J.JENVRAD.2018.01.024.
[19] C. Coletti, E. Brattich, G. Cinelli, G. Cultrone, L. Maritan, C. Mazzoli, D. Mostacci, L. Tositti, R. Sassi, Radionuclide concentration and radon exhalation in new mix design of bricks produced reusing NORM by-products: the influence of mineralogy and texture, Constr. Build. Mater. 260 (2020), 119820, https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2020.119820.
[20] G. Cinelli, B. Capaccioni, M.A. Hernandez-Ceballos, ′ D. Mostacci, A. Perghem, L. Tositti, Radiological risk from thoron, a case study: the particularly radon-prone area of Bolsena, and the lesson learned, Radiat. Phys. Chem. 116 (2015) 381–385, https://doi.org/10.1016/J.RADPHYSCHEM.2015.02.016.
[21] B. Capaccioni, G. Cinelli, D. Mostacci, L. Tositti, Long-term risk in a recently active volcanic system: evaluation of doses and indoor radiological risk in the quaternary Vulsini Volcanic District (Central Italy), J. Volcanol. Geoth. Res. 247–248 (2012) 26–36, https://doi.org/10.1016/J.JVOLGEORES.2012.07.014.
[22] COST Action TU1301 NORM4BUILDING, Naturally occurring radioactive materials in construction: Integrating radiation protection in reuse, (2017) 338.
[23] Unscear, Sources and Effects of Ionizing Radiation Volume I: source, United Nations Sci, Committe Eff. at. Radiat. I (2000) 1–654. //www.unscear.org/unscear/en/publications/2000_1.html (accessed April 3, 2023.
[24] L.C. Damonte, P.C. Rivas, A.F. Pasquevich, F. Andreola, F. Bondioli, A.M. Ferrari, L. Tositti, G. Cinelli, Structural characterization of natural and processed zircons with X-rays and nuclear techniques, Adv. Condens. Matter Phys. 2017 (2017), https://doi.org/10.1155/2017/9707604.
[25] European Council, Council Directive 2013/59/Euratom of 5 December 2013 laying down basic safety standards for protection against the dangers arising from exposure to ionising radiation, and repealing Directives 89/618/Euratom, 90/641/ Euratom, 96/29/Euratom, 97/43/Euratom a, Queen’s Printer of Acts of Parliament, 2013. https://webarchive.nationalarchives.gov.uk/eu-exit/https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:02013L0059-20140117 (accessed April 17, 2023).
[26] M. ach, M. Hebdowska-Krupa, A. Stefanska, ′ J. Stefanek, A. Stanek, J. Mikua, M. Hebda, Characterisation of post-production raw material from the Raciszyn II deposit as a material suitable for the production of alkaline-activated materials, J. Therm. Anal. Calorim. 138 (2019) 4551–4559, https://doi.org/10.1007/s10973-019-08539-4.
[27] T. Hertel, Y. Pontikes, Geopolymers, inorganic polymers, alkali-activated materials and hybrid binders from bauxite residue (red mud) – putting things in perspective, J. Clean. Prod. 258 (2020), 120610, https://doi.org/10.1016/j. jclepro.2020.120610.
[28] M.M. Alonso, C. Gasco, ′ M.M. Morales, J.A. Su′arez-Navarro, M. Zamorano, F. Puertas, Olive biomass ash as an alternative activator in geopolymer formation: a study of strength, radiology and leaching behaviour, Cem. Concr. Compos. 104 (2019), 103384, https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2019.103384.
[29] J. Temuujin, A. Minjigmaa, B. Davaabal, U. Bayarzul, A. Ankhtuya, T. Jadambaa, K.J.D. MacKenzie, Utilization of radioactive high-calcium Mongolian flyash for the preparation of alkali-activated geopolymers for safe use as construction materials, Ceram. Int. 40 (2014) 16475–16483, https://doi.org/10.1016/j. ceramint.2014.07.157.
[30] Z. Sas, W. Sha, M. Soutsos, R. Doherty, D. Bondar, K. Gijbels, W. Schroeyers, Radiological characterisation of alkali-activated construction materials containing red mud, fly ash and ground granulated blast-furnace slag, Sci. Total Environ. 659 (2019)1496–1504, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.01.006.
[31] T. Croymans, W. Schroeyers, P. Krivenko, O. Kovalchuk, A. Pasko, M. Hult, G. Marissens, G. Lutter, S. Schreurs, Radiological characterization and evaluation of high volume bauxite residue alkali activated concretes, J. Environ. Radioact. 168 (2017) 21–29, https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2016.08.013.
[32] Parlamento Italiano, DECRETO LEGISLATIVO 31 luglio 2020, n. 101, 2020. https://www.gazzettaufficiale.it/eli/id/2020/08/12/20G00121/sg (accessed April 17, 2023).
[33] E. Sassoni, P. Pahlavan, E. Franzoni, M.C. Bignozzi, Valorization of brick waste by alkali-activation: a study on the possible use for masonry repointing, Ceram. Int. 42 (2016) 14685–14694, https://doi.org/10.1016/J.CERAMINT.2016.06.093.
[34] J.L. Provis, K. Arbi, S.A. Bernal, D. Bondar, A. Buchwald, A. Castel, S. Chithiraputhiran, M. Cyr, A. Dehghan, K. Dombrowski-Daube, A. Dubey, V. Ducman, G.J.G. Gluth, S. Nanukuttan, K. Peterson, F. Puertas, A. van Riessen, M. Torres-Carrasco, G. Ye, Y. Zuo, RILEM TC 247-DTA round robin test: mix design and reproducibility of compressive strength of alkali-activated concretes, Mater. Struct. Constr. 52 (2019) 1–13, https://doi.org/10.1617/S11527-019-1396-Z/ FIGURES/6.
[35] R. San Nicolas, M. Cyr, G. Escadeillas, Characteristics and applications of flash metakaolins, Appl. Clay Sci. 83–84 (2013) 253–262, https://doi.org/10.1016/J. CLAY.2013.08.036.
[36] R. Pouhet, M. Cyr, R. Bucher, Influence of the initial water content in flash calcined metakaolin-based geopolymer, Constr. Build. Mater. 201 (2019) 421–429, https:// doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2018.12.201.
[37] G. Masi, Steel corrosion behavior in light weight fly-ash based alkali activated mortars, Appl. Sci. 2021, Vol. 11, Page 1908. 11 (2021) 1908. doi:10.3390/APP11041908.
[38] L. Carabba, S. Pirskawetz, S. Krüger, G.J.G. Gluth, M.C. Bignozzi, Acoustic emission study of heat-induced cracking in fly ash-based alkali-activated pastes and lightweight mortars, Cem. Concr. Compos. 102 (2019) 145–156, https://doi.org/10.1016/J.CEMCONCOMP.2019.04.013.
[39] W.D.A. Rickard, R. Williams, J. Temuujin, A. van Riessen, Assessing the suitability of three Australian fly ashes as an aluminosilicate source for geopolymers in high temperature applications, Mater. Sci. Eng. A 528 (2011) 3390–3397, https://doi.org/10.1016/J.MSEA.2011.01.005.
[40] The British Standard Institution, BS EN 196-1:2016 Methods of testing cement. Determination of strength, (2016). https://www.thenbs.com/PublicationIndex/ documents/details?Pub=BSI&DocID=314246 (accessed April 3, 2023).
[41] G.R. Gilmore, Practical Gamma-Ray Spectrometry: Second Edition, Pract.GammaRay Spectrom. Second Ed. (2008) 1–387. doi:10.1002/9780470861981.
[42] D.-G. for E. European Commission, Radiological protection principles concerning the natural radioactivity of building materials, (2000). https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/988f3243-5259-43a5-b621-fbff662deeb0/language-en (accessed April 3, 2023).
[43] W. Burkart, Radon and its decay products in the indoor environment: radiation exposure and risk estimation., in: Adv. Aerobiol. Exp. Suppl., Birkhauser, ¨ Basel, 1987: pp. 303–310. doi:10.1007/978-3-0348-7491-5_51/COVER.
[44] R. Bro, A.K. Smilde, Principal component analysis, Anal. Methods 6 (2014) 2812–2831, https://doi.org/10.1039/c3ay41907j.
[45] A. Zappi, V. Marassi, S. Giordani, N. Kassouf, B. Roda, A. Zattoni, P. Reschiglian, D. Melucci, Extracting information and enhancing the quality of separation data: a review on chemometrics-assisted analysis of volatile, soluble and colloidal samples, Chemosensors. 11 (2023), https://doi.org/10.3390/CHEMOSENSORS11010045.
[46] T. Sofili′c, D. Bariˇsi′c, U. Sofili′c, Natural radioactivity in steel slag aggregate, Arch. Metall. Mater. 56 (2011) 627–634.
[47] Z. Sas, N. Vandevenne, R. Doherty, R. Vinai, J. Kwasny, M. Russell, W. Sha, M. Soutsos, W. Schroeyers, Radiological evaluation of industrial residues for construction purposes correlated with their chemical properties, Sci. Total Environ. 658 (2019) 141–151, https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2018.12.043.
[48] N.W. El-Dine, A. Sroor, A. El-Shershaby, S.M. El-Bahi, F. Ahmed, Radioactivity in local and imported kaolin types used in Egypt, Appl. Radiat. Isot. 60 (2004) 105–109, https://doi.org/10.1016/J.APRADISO.2003.09.006.
[49] M. Ivanovic, L. Kljajevic, M. Nenadovic, N. Bundaleski, I. Vukanac, B. Todorovic, S. Nenadovic, Physicochemical and radiological characterization of kaolin and its polymerization products, Mater. Construccion. ′ 68 (2018) e155–e, https://doi.org/ 10.3989/MC.2018.00517.
[50] K. Gijbels, P. Krivenko, O. Kovalchuk, A. Pasko, S. Schreurs, Y. Pontikes, W. Schroeyers, The influence of porosity on radon emanation in alkali-activated mortars containing high volume bauxite residue, Constr. Build. Mater. 230 (2020), 116982, https://doi.org/10.1016/J.CONBUILDMAT.2019.116982.
[51] D. Hatungimana, C. Tas¸koprü,M. ˙Içhedef, M.M. Saç, S¸ . Yaz, Compressive strength, water absorption, water sorptivity and surface radon exhalation rate of silica fume and fly ash based mortar, J. Build. Eng. 23 (2019) 369–376, https://doi.org/10.1016/J.JOBE.2019.01.011.
[52] W.W. Nazaroff, A.V. Nero, Radon and its decay products in indoor air, J, Wiley, 1988.
[53] Z. Luo, Y. Hao, Y. Mu, C. Tang, X. Liu, Solidification/stabilization of red mud with natural radionuclides in granular blast furnace slag based geopolymers, Constr. Build. Mater. 316 (2022), 125916, https://doi.org/10.1016/j. conbuildmat.2021.125916.
[54] S.S. Nenadovi′c, C. Ferone, M.T. Nenadovi′c, R. Cioffi, M.M. Mirkovi′c, I.Vukanac, L. M. Kljajevi′c, Chemical, physical and radiological evaluation of raw materials and geopolymers for building applications, J. Radioanal. Nucl. Chem. 325 (2020) 435–445, https://doi.org/10.1007/s10967-020-07250-1.
[55] F. Puertas, M.M. Alonso, M. Torres-Carrasco, P. Rivilla, C. Gasco, L. Yagüe, J. A. Suarez, ′ N. Navarro, Radiological characterization of anhydrous/hydrated cements and geopolymers, Constr. Build. Mater. 101 (2015) 1105–1112, https:// doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.10.074. L. Tositti et al.
供稿人：容红，陈向东，张荣 译
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
【标准规范】
【会议培训】
第十届全国建筑固废和余泥渣土处理及资源化利用大会暨中国砂石协会建筑固废利用分会年会
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课题研究
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【期刊著作】
《常见预拌混凝土质量事故分析百例》图书
《预拌混凝土企业标准化试验室建设指南》图书
混凝土技术发展中心（以下简称“中心”）隶属建筑材料工业技术情报研究所，主要职能是跟踪分析和研究国内外混凝土行业科技前沿动态，为全国混凝土行业开展技术服务工作，包括出版技术期刊、研究制定标准、开展技术咨询、举办技术会议、承担行业培训、从事认证评价和开发研究等，中心是建材情报所主要业务部门之一。中心拥有员工10人，其中博士3人，正高职称3人，副高职称4人。中心挂靠的行业协会分支机构包括中国散装水泥推广发展协会混凝土专业委员会、中国散装水泥推广发展协会预制建筑产业专业委员会、中国砂石协会建筑固废利用分会、建筑材料工业技术情报研究所双碳研究中心。依托中心成立的平台有预拌混凝土质量追溯公共服务平台、混凝土行业数字化服务平台、中国商品混凝土行业企业专家委员会（拥有200余名行业一线专家）、北京砼享未来工程技术研究院（会员制技术和管理服务）。
中心每年参与多个混凝土技术咨询和技术服务项目，包括雄安新区混凝土项目咨询、河北省多个高速公路高性能混凝土技术咨询、固废基胶凝材料和再生复合掺合料研发和制备技术，以及数十个混凝土企业的技术服务工作。开展预拌混凝土绿色产品认证和科技成果评价工作。
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