Оценка радиоактивности АВТОКЛАВНОГО газобетона

Мартыненко В.А., к.т.н., доц., Запрудин В.Ф., к.т.н., доц.,

Гупало О.С. инж., Мисиенко А.А., магистр, (Приднепровская академия строительства и архитектуры, г. Днепропетровск, Украина)

Оценка радиоактивности АВТОКЛАВНОГО газобетона

Актуальность. Самой материалоемкой отраслью современной индустрии является строительство. Строительные материалы, применяемые в строительстве, должны удовлетворять основным таким условиям:

- быть экологически чистыми;

- изготавливаться из дешевого и местного сырья;

- иметь высокие эксплуатационные свойства, обеспечивающие долговечность на весь период эксплуатации зданий и сооружений;

- обеспечивать снижение трудоемкости при их применении;

- быть безопасными в условиях эксплуатации и переработки;

- обеспечивать утилизация тех строительных конструкций, которые потеряли свою потребительскую ценность, с целью их переработки в новый общественно полезный продукт для последующего применения и др.

Основными строительными материалами строительной индустрии является тяжелый бетон, силикатный и керамический кирпич, разновидности ячеистого бетона – газобетон автоклавного твердения и др. При этом именно газобетон, как ни один из многих видов бетонов и из строительных материалов, сочетает в себе основные и необходимые свойства для стеновых материалов – прочностные, тепло- и звукоизоляционные, комфортные. Автоклавный газобетон обладает свойствами с одной стороны камня, с другой стороны – дерева, поэтому он признан самым универсальным стеновым материалом.

Цель работы состоит в оценке радиоактивности автоклавного газобетона.

Содержание работы. Автоклавный газобетон – это искусственный строительный материал, полученный в результате затвердевания рационально подобранной и газовой поризации бетонной смеси с равномерно распределенными ячеистыми порами, состоящей из минеральных вяжущих и кремнеземистого компонента. Основными материалами в газобетоне является кварцевый молотый песок и негашеная известь, цемент

Рис. 1. Примерная долевая потребность в основных твердых сырьевых материалах для производства автоклавного газобетона

Современные технологии производства изделий из автоклавного газобетона в сравнении с технологиями других строительных материалов характеризуются малым расходом используемого основного сырья, затратами электроэнергии из-за его малой плотности газобетона (рис. 2).

Рис. 2. Примерный расход сырья для производства основных стеновых материалов

Неармированные изделия из автоклавного газобетона преимущественно применяются для возведения самонесущих наружных и внутренних стен, для стен подвалов, армированные – для панелей перекрытий и покрытий зданий, а также в качестве перемычек. Сам автоклавный газобетон, обладая уникальными физико-техническими свойствами за счет высокой пористости и, соответственно, малой средней плотности, низкой теплопроводности, достаточной паро- и воздухопроницаемости. За счет этих свойств обеспечивает эксплуатационную комфортность помещений. В таблицах 1, 2 приведены сравнительные характеристики использования некоторых стеновых материалов для сооружения однослойных стен с требуемым термическим сопротивлением.

Таблица 1

Примерные затраты стеновых материалов

для возведения однослойных стен с Rо=2,8 (м2·К)/Вт

Таблица 2

Примерные стоимость стеновых материалов для возведения 1 м2 наружных стен

Стеновые материалы изготавливаются на основе минеральных видов сырья и отходов промышленного производства, т.е. они содержит естественные радионуклиды, несущие опасность для человека. Именно их содержание в исходных сырьевых материалах, величина их излучения и определяет воздействие основных групп источников ионизирующих излучений вклад в величину эффективной годовой дозы облучения человека [1-4].

В биосфере Земли содержится более 60 естественных радионуклидов, которые можно подразделить на радионуклиды урано-радиевого и ториевого рядов (32 радионуклида) и радионуклиды, находящиеся вне этих рядов – это 11 долгоживущих радионуклидов (калий-40, рубидий-87 и др.), и космогенные.

Внешнее гамма-облучение человека определяется в основном радионуклидами ураново-радиевого и ториевого рядов, а также калия-40. Основной вклад в дозу излучения над поверхностью Земли вносят радионуклиды, содержащиеся в верхнем, 30-50 сантиметровом, слое почвы. При этом вклад в среднее значение мощности поглощенной дозы в воздухе составляет от калия-40 – 35%, урана-238 – 25%, тория-232 – 40% с учетом средних значений их удельной активности  в почве. Внутреннее облучение человека создается радионуклидами, попадающими с воздухом, пищей и водой внутрь организма. Наибольший вклад в эффективную эквивалентную дозу вносят радон-222 и торон-220, а также калий-40, полоний-210, рубидий-87, радий-226 и др.

Расширение видов деятельности человека по обеспечению условий его жизнедеятельности привело к тому, что в природную среду стали поступать в большом количестве естественные радионуклиды. Извлекаемые из глубины земли сырье: для получения топлива; и, в т.ч., топливо для АЭС; для получения  минеральных удобрений; для  получения строительных материалов и др. виды деятельности. Это в отдельности и в совокупности привело к росту величины радиационного фона, который принято называть техногенно-повышенным естественным радиационным фоном.

Проведенный анализ возможностей воздействия основных групп источников ионизирующих излучений позволил определить их вклад в величину эффективной годовой дозы облучения человека (рис. 3). Доминирующая роль вклада радиоактивности строительных материалов в эффективную дозу облучения человека среди других техногенных источников ионизирующих излучения объясняется, в первую очередь, высокой радиотоксичностью естественных радионуклидов в них.

Рис. 3. Вклад основных групп источников ионизирующих излучений в среднее значение годовой эффективной дозы облучения населения Украины

Радиоактивность строительных материалов, изготавливаемых как из горных пород, так и из отходов промышленного производства, обусловлена в первую очередь содержанием в них природных радионуклидов семейства урана-238, тория-232, а также калия-40. Суммарная эффективная удельная активность естественных радионуклидов (ЕРН) в материалах Аэф, Бк/кг, определяется соотношением:

Аэф=АудRa+1,3·АудTh+1,3·АудК,                                              (1)

где АудRa, АудTh, АудК, - удельная активность радия-226, тория-232, калия-40 данного строительного материала соответственно; 1,31; 0,085 – взвешивающие коэффициенты тория-232, калия-40 по отношения к радию-226, соответственно.

Основой для изготовления строительных материалов и изделий служат минеральное сырье – горные породы. Радиационные параметры основных видов горных пород приведены в таблице 3. Диапазон изменения эффективной удельной активности ЕРН в горных породах, используемых в строительном производстве, весьма широк 41...603 Бк/кг. При этом, эффективная удельная активность ЕРН в значительной части строительных материалов и сырья превышает данный параметр почвы и земной коры, особенно для бокситов, гранитов, глин, гнейсов, сланцев и других горных пород.

Таблица 3

Удельная активность естественных радионуклидов

в породах, почве и земной коре

Порода

Удельная активность, Бк/кг

Аэф,

Бк/кг

радий-226

торий-226

калий-226

Гранит

78

74

999

260

Диабаз

18

18

148

55

Базальт

33

26

370

98

Кварцепорфир

85

96

1517

340

Кварцит

30

33

629

126

Известняк, мрамор

18

15

37

41

Глинистый сланец

56

67

666

212

Бокситы

104

333

740

603

Песок, гравий

26

22

333

83

Глина

18

111

1221

267

Гнейсы

40

62,9

1036

208

Почва

25

28

529

107

Земная кора

33

39

659

140

Рост численности населения планеты потребовал увеличения масштабов строительства. Это обусловило необходимость изыскания экономически более выгодных строительных материалов. В строительной индустрии стали успешно применяться отходы промышленности, например, золы и шлаки ТЭС, шлаки черной и цветной металлургии, шлаки химической промышленности и др. Эффективная удельная активность ЕРН в отходах промышленного производства (табл. 4) определяется удельной активностью ЕРН в исходном материале и технологическими процессами самого производства.

Таблица 4

Удельная активность естественных радионуклидов в промышленных отходах

Более высокие значения эффективной удельной активности ЕРН в промышленных отходах по сравнению с исходным материалов объясняются процессом концентрирования минерального остатка в процессе использования исходного материала по назначению. Так, например, при средней удельной активности естественных радионуклидов в каменном угле: калия-40 – 50; урана-232 и тория-232 – 20 Бк/кг, а после сжигания - уровень в угольной золе (при зольности ≈13%) составляет 400 и 150 Бк/кг.

Радон-222 и его дочерние продукты распада определяют ~ 75% годовой эффективной дозы облучения человека. Знание источников поступления радона в воздух помещений здания необходимо для обеспечения радиационной защиты человека. Радон-222 –наиболее весомый по радиационной опасности из всех известных естественных радионуклидов, является невидимым, не имеющим запаха, цвета и вкуса, инертным радиоактивным газом в 7,5 раза тяжелее воздуха. Радон-222 образует в процессе распада радионуклид радия-226:

                                                                        (2)

Величина радоносодержания в источнике зависит от концентрации радия-226 в нем и коэффициента эманирования радона в материале и оценивается по показателю эффективной удельной активности радия-226 в грунте АэфRa Бк/кг:

АэфRa=АудRa х η,                                                               (3)

где АудRa – удельной активности радия-226 в грунте, Бк/кг; η - коэффициент эманирования радона в грунте.

Средние значения эффективной удельной активности радия-226 (показатель радоносодержания) в основных горных породах (табл. 5). В таблице 6 приведены для сравнения параметры радоносодержания в горных породах и строительных материалах Украины и России.

Таблица 5

Средние значения характеристик радоносодержания в горных породах

Таблица 6

Усредненные значения радоносодержания в горных

породах и строительных материалах Украины и России

Для строительных материалов Украины показатель радоносодержания (по сравнению с Россией) имеет более широкий диапазон варьирования 0,13...11,0 (1,4...4,69) Бк/кг – по радию-226 и 0,35...19,5 (0,91...7,75) Бк/кг – по торию –232. Это объясняет повышенное радоносодержание в щебне и в глине в 2-3 раза, в песке – в 1,5 раза, что соответственно, влечет увеличение его в тяжелом бетоне – в 1,7 раза. Так, геологическая структура горных пород на территории Днепропетровской области обусловила наличие больших запасов местных естественных видов строительных материалов и различных видов руды, что и сосредоточило большое количество металлургических предприятий. Соответственно, отходы промышленности имеют широкий диапазон варьирования значения эффективной удельной активности ЕРН (рис. 4). Эти отходы широко применяются в различных видах строительства (рис. 5).

Рис. 4. Диапазон варьирования эффективной удельной активности ЕРН Аэф.см, Бк/кг минеральных видов сырьевых материалов и используемых отходов промышленности Днепропетровской области и установленные их региональные допустимые уровни (Аэф.доп) для жилищного и промышленного строительства

Рис. 5. Усредненные значения мощности дозы гамма-излучения

в помещениях жилых домов и их доля в жилом фонде г. Днепропетровска

Диапазон изменения средней мощности γ-излучения в жилом фонде г. Днепропетровска составляет 5…34 мкР/ч. Такое значительное колебание объясняется многообразием используемых видов строительных материалов и, соответственно, колебанием величины эффективной удельной активности естественных радионуклидов в них. Наименьшая мощность гамма-излучения наблюдается в деревянных и в силикатных домах, а наибольшая – панельных, с использование тяжелого бетона и бетонов с применением в качестве сырьевых материалов отходов промышленности (рис. 6). Средние значении мощности дозы γ-излучения в помещениях жилого фонда некоторых городов Украины приведены на рисунке 7.

Рис. 6. Распределение эффективной удельной активности радионуклидов Аэф.см, Бк/кг, в строительных материалах города Днепропетровска

Рис. 7. Усредненные значения мощности дозы гамма-излучения в помещениях жилых зданиях городов Украины

Из анализа показателей радиоактивности основных видов сырья (рис. 3, 4, 6), которые используются для изготовления различных видов строительных материалов и изделий видно, что и получаемые строительные материалы и изделия обладают повышенным уровнем эффективной удельной активностью радионуклидов. Меньшими показателями обладают изделия из силикатных материалов, в т.ч., автоклавный газобетон. В этих материалах используется песок, как основной сырьевой материал, а цемент, известь – в меньшем долевом количестве (рис. 1). Все они имеют относительно малый уровень эффективности удельной активностью радионуклидов (рис. 4)

На рисунках 4 и 6 приведены распределения эффективной удельной активности радионуклидов в строительных материалах ограждающих конструкций жилых зданий города и показатели радонопоступления из стеновых конструкций жилых зданий в воздух помещений (рис. 8).

Заключение. Низкая средняя плотность изделий из автоклавного газобетона позволяет использовать его в стеновых элементах зданий и сооружений, при этом имеем низкие затраты сырьевых материалов и энергосберегающие решения наружных ограждающих конструкций отапливаемых зданий.

Технология производства газобетонных изделий позволяет получать с малым удельным расходом энергии на единицу продукции и удельные показатели ограждающих конструкций отапливаемых зданий и сооружений.

Технологическая особенность изготовления газобетонных изделий из автоклавного газобетона позволяет использовать виды сырья с низким уровнем их радиоактивности, что обусловило высокий уровень его радиационного качества по сравнению с другими видами стеновых строительных материалов.

литература

1. Мартыненко В.А. Радиационная безопасность строительных материалов, автоклавного газобетона // Сб. труд. «Теория и практика производства и применения ячеистого бетона в строительстве». Вып. 3. – Днепропетровск: ПГАСА, 2007. – С.54–67.

2. Нормы радиационной безопасности Украины (НРБУ-97) – Киев: МОЗ, 1997.

3. Посібник до ДБН В.1.4-01-97 «Система норм та правил зниження рівня іонізуючих випромінювань природних радіонуклідів в будівництві. Радіаційний контроль будівельних матеріалів та об’єктів будівництва» - Київ: Держкоммістобудування, 1997.

4.Радиационное качество жилых зданий и пути его обеспечения. Учебник для студентов высших учебных заведений образования Украины / И.А. Соколов, В.Ф. Запрудин, А.С. Беликов, Н.В. Савицкий, А.В. Пилипенко; Под ред. И.А. Соколова. – Днепропетровск: ПГАСА, 2007. – 300 с.