РАЗВИТИЕ НАУЧНЫХ ОСНОВ И МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ЗАДАННЫМИ РАДИАЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

Назиров Р.А. Томский государственный архитектурно-строительный университет. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

В России систематические исследования естественной радиоактивности строительной продукции и материалов были начаты в 70-е годы в Ленинградском институте радиационной гигиены. Многие годы ведущим специалистом в этой области знаний является Эдуард Мечиславович Крисюк, усилиями которого в России создана школа радиологов-специалистов в области физики и радиационной гигиены природных радионуклидов. Практическим результатом их работы явился документ № 43-10/796 "Ограничение облучения населения от природных источников ионизирующего излучения. Временные критерии для организации контроля и принятия решений", введённый в действие в декабре 1990 г. в качестве республиканских санитарных правил.

В государственных стандартах в области строительных материалов первые требования в части содержания естественных радионуклидов появились в ГОСТах на золу-унос и золошлаковые смеси для бетонов, а затем и в стандартах на тяжёлые и мелкозернистые бетоны. В соответствии с этими документами содержание естественных радионуклидов в материалах должно было соответствовать требованиям ОСП-72/87.

В настоящее время в стандартах и технических условиях практически для всех видов строительных материалов или сырья для их изготовления имеются требования по ограничению содержания естественных радионуклидов. С начала 1995 г. введён в действие ГОСТ 30108-94 "Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов". Имеются региональные нормативные документы, регламентирующие порядок определения и величину мощности дозы на открытой местности, скорость эксхаляции 222Rn из грунта, концентрацию радона и мощность дозы внутри помещения. Следует отметить, что в отличие от критериев зарубежных стран в строительных материалах России не учитывается излучение по радону, источником которого является радий. OECD (1979) и UNSCEAR (1982) предлагают, чтобы максимальная концентрация 226Ra в строительных материалах не превышала 185 Бк/кг.

В помещениях (при отсутствии искусственных источников) человек подвергается воздействию технологически изменённого естественного радиационного фона, обусловленного природными источниками ионизирующего излучения: космическим излучением и естественными (земного происхождения) радионуклидами, содержащимися в грунте, на котором возведено знание, в строительных материалах, из которых изготовлены ограждающие конструкции, а также поступающими в помещения вместе с воздухом, водой и в результате сгорания топлива.

Основная часть облучения населения ЕРН уранового и ториевого семейств зависит от деятельности и образа жизни людей и может регулироваться ими. Типичным примером является внешнее облучение, обусловленное гамма-излучением 226Ra, 232Tn, 40K, и внутреннее облучение за счёт вдыхания радона и торона, содержащихся в приземном слое атмосферы и в воздухе закрытых помещений. Концентрации этих радиоактивных газов определяются содержанием материнских радионуклидов в грунтах на участках застройки и строительных материалах, используемых при сооружении домов, а также процессами поступления радиоактивных эманаций из этих материалов, недр земли и накоплением их в воздухе помещений.

Особое место в облучении человека в помещениях принадлежит радону и торону. От 50 до 70 % дозы от естественных источников ионизирующего излучения обусловлено вдыханием короткоживущих изотопов радона (около 1100 мкЗв/год). Острота вопроса определяется выявлением большого количества зданий (особенно одноэтажных), уровень концентрации радона в которых представляет несомненную радиологическую опасность. Установлено, что достаточно часто уровень концентрации радона в помещениях превышает уровень предельно допустимых концентраций, установленных даже для работников урановых рудников.

Принимая во внимание незначительный (5-10 %) вклад торона в формирование эффективной дозы от радиоактивных эманаций и короткие периоды полураспада 220Rn и 219Rn (соответственно 51 с и 4 с), то с учетом их распространенности в природе в большинстве практических задач, связанных с изучением природной радиоактивности, обычно учитывают только 222Rn.

До 1980 года ни в одной стране мира не устанавливались нормативы на содержание радона и его ДПР в помещениях. И только углублённые эпидемиологические исследования, проводимые в последние десятилетия, выявили относительно высокие значения доз, получаемых отдельными группами населения за счет ДПР, находящихся в воздухе жилых помещений. По данным радиологов, от 2 до 40 тыс. смертей от рака лёгких в США произошло в результате вдыхания радона в жилищах.

Измерение мощности поглощённой дозы космического излучения в помещениях затруднено из-за наличия гамма-излучения строительных конструкций и земных пород, а также ослабления стеновыми ограждениями и перекрытиями. Очевидно, что величина ослабления будет зависеть от вида материала и толщины перекрытий, которые в свою очередь определяются конструктивными особенностями зданий и сложившейся практикой строительства.

Мощность гамма-излучения в помещении зависит от содержания радионуклидов в ограждающих строительных конструкциях. Снижение гамма-фона в помещениях уже построенных гражданских, жилых и общественных зданий является практически невозможным или, как правило, экономически нецелесообразным в связи со значительной проникающей способностью -излучения. Такое снижение реально только в тех случаях, когда повышенный уровень гамма-фона обусловлен использованием материалов для устройства теплоизоляционных засыпок или территорий около здания с повышенным содержанием природных радионуклидов.

Основой для расчёта может быть формула определения мощности дозы в центре помещения по известным значениям удельной эффективной активности ЕРН материалов ограждений, однако в этом случае не учитывается излучение, проникающее снаружи и из соседних помещений. Исходные данные для расчёта могут быть получены из технико-экономических показателей проекта в части расходов материалов на единицу строительной продукции (на единицу объёма или площади) и данных о радиоактивности местных строительных материалов.

Высокая концентрация ЕРН характерна для отходов промышленности, широко используемых для производства строительных материалов. Во многих странах обнаружена высокая удельная активность радионуклидов в золах и шлаках.

В этой связи представляется весьма актуальным изучение формирования эманирующей способности и величины удельной эффективной активности материалов, изготовленных из сложных строительных смесей и, в том числе, с применением отходов промышленности.

Детальные измерения эманирования руд и минералов проведены В.Л. Шашкиным и М.И. Пруткиной. Проведёнными исследованиями установлено, что параметры эманирования зависят от размеров частиц и их структуры, влажности пробы, температуры и т.д. Как утверждают исследователи, "...эманирующую способность и коэффициент эманирования нельзя рассматривать как постоянные характеристики твердого тела. Они должны относиться к определённому физическому состоянию тела и к определённой внешней среде. При экспериментальных определениях эманирующей способности вещество должно находиться в том состоянии, для которого нужно знать эманирующую способность". Таким образом, авторы не отрицают постоянство параметров эманирования при некоторых определённых условиях.

С позиции оценки величины эманирования, характеризующей определённый вид строительных материалов, это означает, что для бетона, например, определение параметров эманирования (с целью сопоставимости результатов) должно производиться на образцах одного (лучше всего стандартного) размера и при нормальных воздушно-влажностных условиях, характерных для жилых помещений, а определение эманирующей способности кирпича и бетонных камней должно производиться на целых изделиях. Это связано с тем, что выход радона из материала зависит не только от коэффициента эманирования, но и от эффективного коэффициента диффузии радона. Кроме того, при измельчении материала будет происходить вскрытие закрытых пор, изменение равновесной с воздухом влажности материала, что может существенно отразиться на результатах измерения. Для бетона, например, это означает дробление крупного заполнителя, который в теле бетона находится в неизмельчённом состоянии, а значит, возможен выход дополнительного количества радона. Полученные таким образом результаты не будут отражать действительную потерю радона бетонными ограждениями. Последнее обстоятельство в полной мере относится к стеновым ограждениям из кирпича и бетонных стеновых камней.

J. Pensko, Z. Stpiezynska и K. Blaton-Albicka отмечали качественную зависимость коэффициента эманирования составных строительных смесей от используемых при их изготовлении золы и шлака. Возможность таких расчётов показана Н.А. Королёвой, Н.И. Шалак, Э.М. Крисюком и М.В. Терентьевым. По результатам исследований компонентов бетона и их массовым вкладам они рассчитали ожидаемую удельную и удельную эффективную активность 226Ra бетона и сравнили с соответствующими показателями, полученными при непосредственных измерениях готового бетона.

Позднее Э.М. Крисюк отметит, что "вывод о неизменности коэффициента эманирования при приготовлении бетонов и многокомпонентных материалов скорее всего несправедлив для цемента и других мелкодисперсных добавок" и если коэффициент эманирования цемента увеличить в 10 раз, то "…совпадение расчётных и измеренных значений значительно улучшится". Расчётная формула считается очевидной и в этих публикациях не приводится. Далее, он совершенно справедливо отмечает, что "…окончательный вывод о возрастании (примерно в 10 раз) коэффициента эманирования цемента и, возможно, золы при изготовлении бетонов можно дать только на основании прямых измерений…". Н.П. Локутцовой на основании результатов проведённых исследований сделан вывод о том, что для большинства безобжиговых строительных материалов на основе вяжущих веществ содержание ЕРН должно зависеть от состава и подчиняться правилу аддитивности.

В выполненных этими авторами расчётах совершенно игнорируется химически связанная цементом вода, а совпадение расчётных и экспериментальных данных не подтверждено статистическими расчётами.

Л. А. Ильин, В.Ф. Кириллов, И.П. Коренков считают необходимым отметить, что скорость эксхаляции из бетона нельзя рассчитывать, исходя из коэффициентов эманирования его составных частей, поскольку "в процессе производства бетона происходят химические реакции". Следует заметить, что этим не отрицается принципиальная возможность проведения таких расчётов, если учитывать влияние химических реакций гидратации цемента на изменение эманирования. Однако подобных исследований не проводилось.

Для оценки изменения радионуклидного состава Н.П. Локутцовой используется коэффициент концентрирования (КК), равный отношению удельной эффективности активности ЕРН материала до обжига к этому же параметру после обжига. Она установила, что для керамического кирпича КК=1,23, а цементного клинкера - 1,48. Коэффициент концентрирования радия, рассчитанный нами по результатам, опубликованным Н.А. Королёвой, Н.И. Шалак, Э.М. Крисюком и М.В. Терентьевым для кирпича, оказался равным 1,21.

И.С. Чуйкова при исследовании влияния высокотемпературной обработки на изменение активности ЕРН на примере глины наблюдала резкие изменения в большую и меньшую сторону активности ЕРН. Например, уменьшение активности тория-232 при нагреве до 200 0С она связывает с процессом удаления из глины физически связанной воды, а радия-226 в диапазоне от 200 до 900 0С - с удалением химически связанной воды и диссоциацией карбонатов. В то же время при нагреве мела до 600 0С активность тория-232 почти не изменяется, хотя и в этом случае происходит удаление физически связанной воды. Уменьшение удельных активностей Чуйкова связывает с возгонкой последних за счёт выгорания органической составляющей мела и дегидратации структурированной влаги материала. О.П. Сидельникова также наблюдала снижение количества радия в диапазоне от 500 до 800 0С при обжиге глины. Однако возгонка тяжёлых атомов ЕРН при таких температурах практически невозможна. Если бы это происходило, то своды печей и металл вагонеток имели бы аномально высокую радиоактивность, что в действительности не наблюдается.

Выполненный анализ показал, что при достаточно высоком уровне научных и практических исследований в области снижения естественного радиационного фона в помещениях детального исследования формирования естественной радиоактивности строительных материалов не проводилось. На основании имеющихся в литературе немногочисленных и противоречивых данных, не привязанных к определённым условиям экспериментов, можно получить лишь приближённую характеристику эманирования строительных материалов. Вывод о возможности расчёта удельной эффективной активности ЕРН и коэффициента эманирования цементного бетона или раствора по массовым вкладам их компонентов можно сделать только на основании результатов прямых исследований, подтверждённых статистическими расчётами. Нет достаточно достоверных данных о влиянии технологических переделов на формирование радионуклидного состава и величину эманирования строительных материалов. Практически отсутствуют данные о влиянии внутренней отделки ограждающих конструкций на выход радона в воздух помещений. В этой связи необходимо отметить, что к строительным материалам, а также к сырью для их производства предъявляются требования, которые обеспечивают в определённой степени постоянство их показателей. Это свидетельствует о перспективности исследований, направленных на изучение и установление закономерностей формирования естественной радиоактивности материалов и строительной продукции.

Во второй главе даны основные характеристики оборудования и рассмотрены методы оценки радиационных параметров промышленной и строительной продукции. Рассмотрены геохимические особенности формирования нерудных строительных материалов и особенности геологического строения территории Красноярского края. Приведены результаты исследований радиоактивности основных месторождений минерального строительного сырья.

Измерения удельной эффективной активности естественных радионуклидов проводили на аттестованном сцинтилляционном спектрометре с использованием пакета программ PROGRESS и гамма-радиометре РУГ-91М "АДАНИ". Мощность дозы в помещениях измерялась в основном приборами ДРГ-01Т1 и ДБГ-06Т, оборудованными газоразрядными счётчиками. Для индикаторных измерений использовались приборы СРП. Концентрацию радона в воздухе помещений измеряли мгновенными и интегральными методами. В первом случае измерения проводили радонометром РРА-01М и радон-монитором AlphaGUARD фирмы Genitron Instruments GmbH, во втором - использовали трековый метод и метод, основанный на адсорбции радона пассивными угольными адсорберами. Все измерения и расчёты проводили в строгом соответствии с утверждёнными в установленном порядке методиками.

В результате исследований минерально-сырьевой базы промышленности строительных материалов было установлено, что характерной особенностью пород, развитых на территории Красноярского края, является повышенное содержание в них естественных радионуклидов уранового ряда. В крае выявлено более 2 000 радиоактивных аномалий.

Песчано-гравийная смесь, добываемая в поймах рек, имеет в среднем более низкое значение удельной эффективной активности ЕРН и отличается большей однородностью, чем ПГС горных пород. Заполнители для бетонов, используемые предприятиями г. Красноярска, отличаются повышенным содержанием ЕРН в сравнении с г. Ачинском и г. Канском.

В отличие от ПГС глинистое сырье более однородно по величине удельной эффективной активности ЕРН. Тугоплавкие глины характеризуются относительно меньшей радиоактивностью, чем сырье для производства кирпича и керамзита, представленного в основном суглинками.

Для строительного сырья, добываемого в крае, характерен большой диапазон изменчивости активности ЕРН. Это важное обстоятельство, свидетельствующее о возможности управления радиационным качеством строительных материалов и изделий путём исключения или сокращения в них доли высокорадиоактивного сырья.

В третьей главе представлены результаты измерений, статистической обработки и анализа данных о содержания ЕРН в строительных материалах и золошлаковых отходах от сжигания канско-ачинских бурых углей. Выявлены особенности статистических распределений мощности дозы и концентрации радона в воздухе помещений в зданиях с ограждающими конструкциями из сборного железобетона, кирпича, дерева, трёхслойных металлических панелей.

Целью статистического анализа в данной работе являлось определение и научное обоснование вероятностных максимальных значений нормируемых показателей радиоактивности материалов, мощности дозы и концентрации радона в помещениях зданий, принятых к строительству в суровых климатических условиях Сибирского региона. Очевидно, что эти показатели могут в значительной степени отличаться от значений, приведённых в литературе в основном для стран Западной Европы, Северной Америки и европейской части нашей страны.

Анализ распределений ЕРН показал, что расчётная верхняя граница в предположении логнормального распределения и при сплошной выборке (строительные материалы, сырьё, отходы промышленности) с вероятностью 0,95 оказалась равной 395 Бк/кг, а в предположении нормального распределения - 229 Бк/кг. Расчёты показали, что распределение величины удельной эффективной активности ЕРН в выборке без слабо- (асбест, гипс, известь и материалы на их основе) и высокоактивных (золошлаковые отходы) материалов соответствует нормальному закону распределения и с той же вероятностью можно утверждать, что верхняя граница Аэфф ЕРН не превысит значения 235 Бк/кг. Учитывая, что доля этих материалов в структуре объёмов потребления не очень велика, можно считать значение Аэфф=235 Бк/кг характеристической величиной для строительных материалов и сырья в Красноярском крае. Расчётные верхние границы как при сплошной выборке, так и усечённой близки между собой, однако в значительной степени отличаются от значения, рассчитанного в предположении логнормального распределения, которое для материалов Красноярского края оказалось больше нормируемого значения. Таким образом, с вероятностью 0,997 можно утверждать, что значение Аэфф ЕРН материалов и сырья в крае не будет превышать 284 Бк/кг. Этот вывод не распространяется на золошлаковые отходы от сжигания бурых углей.

Литература

1. Назиров Р.А. Естественная радиоактивность строительных материалов // Известия вузов. Строительство. - 1998. - № 11-12. - С. 58-63.

2. Назиров Р.А. Естественная радиоактивность зол и шлаков канско-ачинских бурых углей / Р.А. Назиров, В.В. Коваленко // Изв. вузов. Строительство. - 2000. - № 11. - С. 100-105.

3. Назиров Р.А. Радиологическая оценка минерального сырья и строительных материалов // Международная науч. -техн. конф. "Ресурсосберегающие технологии в производстве строительных материалов". - Новосибирск, 1997.

4. Назиров Р.А. Естественная радиоактивность строительных материалов // Всероссийская конф. "Актуальные проблемы строительного материаловедения". -Томск, 1997. -С. 211.

5. А.с. 1715783 СССР, МКИ С 04 В 40/00. Способ изготовления добавки для бетонной смеси / Р.А. Назиров, А.Х. Назиров; Красноярский ИСИ. -4718660/33; Заяв. 11.07.89; Опубл. 29.02.92. Бюл. № 8.

5. Коваленко В.В. Первые результаты оценки радоноопасности на территории Красноярского края/ В.В. Коваленко, Р.А. Назиров // Известия вузов. Строительство.- 1998. - № 2. - С. 115-120.