Радиоэкология строительных материалов

Доза гамма - излучения  в помещении определяется в основном удельной эффективной активностью естественных радионуклидов в строительных материалах (А_эфф). Форма и размеры помещений, толщина стен и перекрытий мало влияют на мощность дозы в помещении.

Значение средней дозы облучения населения (или коллективной дозы) зависит от средневзвешенной А_эфф. Поэтому изменить ее можно только влиянием на номенклатуру используемых строительных материалов, например, путем отказа от применения в жилищном строительстве материалов с наиболее высоким содержанием естественных радионуклидов. Этого можно достичь нормированием А_эфф в материалах, добываемых на отдельных месторождениях [24-25].

Данные о величине удельной активности естественных радионуклидов (ЕРН) некоторых строительных материалов, характеризующих величину γ-фона представлены таблице 8 [26, 27].

 

Таблица 8

Удельная активность ⁴⁰К, ²³⁸U, ²³²Th в горных породах и соответствующая мощность поглощенной дозы в воздухе на высоте 1 м от поверхности земли (Ахременко С.А., 2000)

Вид камня по происхождению (тип породы)	Удельная активность, мБк/г			Мощность поглощенной дозы в воздухе, мкГр/г
Вулканические
Кислые  (граниты)	1000	60	80	0,12
Промежуточные (диориты)	700	20	30	0,06
Магматические (базальты)	240	10	10	0,02
Ультроосновные (дюриты)	150	0,4	25	0,02
Вулканический туф	1500	130	120	0,40
Осадочные
известняки	90	30	7	0,02
карбонаты	-	27	8	0,02
песчаники	370	19	10	0,03
сланцы	700	44	45	0,008

Гамма-фон, создаваемый различным материалом в помещениях представлен в таблице 8 на основе только данных гамма - спектрометрических измерений, дающих полную характеристику радиоактивности строительных материалов, Эти данные позволяют оценить дополнительное облучение за счет гамма-излучения материалов строений.

Мощность поглощенной дозы рассчитана для 4π-геометрии и бесконечной толщины материала, полученные значения позволяют только провести сравнения между строительными материалами, и не могут служить оценкой доз в жилых зданиях, построенных из них.

Данные таблицы приведены для ограниченного числа измерений, выполненных различными группами исследователей, и могут служить только ориентиром для выбора того или иного материала. А_эфф в строительных материалах имеет широкий диапазон значений (от 7 до 4700 Бк/кг).

Наиболее высокие удельные активности ЕРН характерны для пород вулканического происхождения (гранит, туф, пемза), а наиболее низкие – для пород осадочного происхождения карбонатных (мрамор, известняк), сульфатных (гипс, ангидрит). Осадочные горные породы имеют низкие значения удельной активности, близкие к значениям этого показателя для почвы и земной коры. Однако некоторые виды осадочных горных пород (например, битуминозные сланцы) имеют включения высокоактивных соединений.

Керамзиты, глины и  красный кирпич характеризуются  умеренными и повышенными значениями активности содержащихся в них радионуклидов. Для бетонов характерен достаточно большой диапазон вариаций удельной активности, обусловленный соответствующими свойствами его заполнителей. Наиболее высокие значения удельной активности радионуклидов характерны для горных пород вулканического происхождения. Среди материалов, используемых в дорожном строительстве, - это прежде всего граниты. Чем глубже величина залегания добываемого материала, тем вероятнее более высокие значения радиоактивности.

Необходимо знать, что для одного и того же вида материала показатели по радиоактивности могут отличаться в зависимости от местоположения месторождения, поэтому возможен некоторый разброс данных от средних фоновых значений (Приложение А). Радиоактивность материала может быть связана как с его месторождением, так и получена дополнительно с использованием сырья из каменоломен, карьеров и т.п., расположенных вблизи зон техногенного радиационного загрязнения литосферы.

Таким образом, радиационное загрязнение строительных материалов может быть обусловлено не только его происхождением, но и привнесением в него из окружающей среды радиоактивных веществ-загрязнителей. В каждом случае это отрицательное свойство можно диагностировать по химическому составу материала. Например, следует избегать применения строительных материалов, содержащих тяжелые металлы и др. Поэтому уже при проектировании нужно знать характеристики радиационной опасности материала и при выборе строительных материалов стараться избегать использование строительных материалов с высокими показателями радиационной активности, в первую очередь для жилых и общественных зданий.

Примерные значения радиоактивности  строительных материалов в зависимости от страны производителя и вида строительного материала [28] приведены в таблице 9. Более полная информация об удельной активности естественных радионуклидов в различных строительных материалах представлена в Приложении А.

 

Таблица 9

Примерные значения радиоактивности строительных материалов (Князева, 2003)

Вид строительного  материала	Удельная активность, Бк/кг	Страна
Природный гипс	43	Великобритания
Песок, гравий	183	Финляндия
Портландцемент	70 - 113	Германия
Кирпич красный	257	Великобритания
	305	Россия
	354	Швеция
Кирпич силикатный	66	Россия
Гранит	204	Великобритания
	315	Германия
	150 - 420	Россия
Глинозем	496	Швеция
Известняк, мрамор	40	Россия

 

Часто в целях экономии расходов в технологии стройматериалов  в качестве сырья используются отходы промышленности. Такая практика способствует сохранению природных ресурсов и снижению загрязнения окружающей среды, однако может служить причиной радиоактивного загрязнения.

Во многих странах  установлена высокая активность естественных радионуклидов в топливных золах и шлаках. Каменные угли в своем природном состоянии содержат ничтожные количества радионуклидов, часто ниже, чем в земной коре. Однако при сжигании каменного угля образуются шлаки и золы, в которых радионуклиды могут концентрироваться до опасного уровня. Повышенной радиоактивностью могут обладать также другие отходы переработки природного сырья: бокситовые шламы, доменные шлаки, фосфогипс.

Фосфогипс - побочный продукт, образующийся при другой технологии переработки фосфорных руд, - широко применялся при изготовлении строительных блоков, сухой штукатурки, перегородок и цемента, что объяснялось меньшей себестоимостью, чем природного гипса. Однако, он обладает гораздо большей удельной радиоактивностью, чем природный гипс. Люди, живущие в домах, построенных с его применением, подвергаются облучению, на 30% более интенсивному, чем жильцы других домов.

Среди других промышленных отходов с высокой радиоактивностью, применявшихся в строительстве, следует назвать кирпич из красной глины - отхода производства алюминия, доменный шлак - отход черной металлургии и зольную пыль, образующуюся при сжигании угля.

Известны случаи применения в строительстве даже отходов урановых рудников. Примерные значения радиоактивности техногенных строительных материалов приведены в таблице 10.

 

Таблица 10

Примерные значения радиоактивности техногенных материалов (Князева, 2003)

Техногенный материал	Удельная активность, Бк/кг	Страна
Зольная пыль	341	Германия
Фосфогипс	1367	Германия
	1240	США
Шлак доменный	270	США
	332	Германия
	70 - 310	Россия
Зола уноса	400 - 3310	США
	120 - 310	Россия

 

Наглядно о нагрузках на человека строительных материалов, из которых сделаны стены здания, можно судить по нижеприведенным данным. Например, при проживании в течение года в различных домах человек получает следующие дозы излучения от стен:

1) в кирпичном доме — от 0,50 до 1 мЗв;

2) в бетонном доме — от 0,7 до 1 мЗв;

3) в деревянном доме — от 0,3 до 0,5 мЗв.

4) в среднем от строительных материалов – 1,2 - 1,7 мЗв.

Для сравнения человек  за год получает также дозу природного излучения:

1) от космических лучей — 0,32 мЗв;

2) земная радиация – 0,3 - 06 мЗв;

3) от воды, пищи, воздуха — 1,3 мЗв;

4) от медицинской диагностики — 0,5-1,7мЗв;

5) при перелете в самолетах  — 1,20 мЗв;

6) ежедневный в течение года 3-часовой просмотр ТВ — 0,001 мЗв [5, C. 10-25].

В таблице 11 для предварительной оценки радиационных свойств материалов приведен радиевый эквивалент для основных из них (пКи/г), полученный при исследовании образцов из разных регионов страны. В таблице приведены данные по концентрации следующих изотопов: ⁴⁰К, ²²⁶Ra, ²³²Th. Данные представлены по результатам исследования более чем 2500 образцов строительных материалов.   

 

Таблица 11

Радиевый эквивалент ряда минеральных материалов и строительных материалов на их основе (Пархоменко В.И., 1980)

Материал	Радиевый эквивалент, пКи/г
строительный камень	0,9-15,9
бетон	0,5-10,1
глина	1,4-6,7
кирпич глиняный (красный)	2,2-7,0
цемент	0,8-4,3
щебень известняковый	0,1-3,2
известь	0,1-2,6
песок	0,2-5,6
кирпич силикатный	0,3-2,8
отходы промышленности и изделия на их основе	0,9-11,6
шлак, пепел и фосфогипс  (по данным, полученным в Польше)	до 60

 

Таким образом, на долю строительных материалов в годовой дозе облучения приходится ¼ эффективной эквивалентной дозы. Согласно нормам радиационной безопасности НРБ-99, где предельная годовая норма облучения населения устанавливается на уровне 5 мЗв, можно сделать вывод, что уровень облучения за счет строительных материалов и с учетом других факторов радиации находится в пределах нормы.

Естественно, что при  выборе камня с повышенным фоном  радиации радиационный фон будет повышаться и в доме. Превышение фона можно выявить, если подсчитать суммарный уровень радиационного фона от всех возможных источников и не допускать, чтобы сумма нагрузок превысила показатель природного фона.

Особую осторожность надо проявлять при выборе строительных материалов из природного камня и материалы на основе минеральных вяжущих, избегая использования строительного материала с повышенной радиационной активностью.

Для полной экологической  оценки строительных материалов по показателю их радиационной безопасности следует знать и понимать физическую сущность явления радиоактивности.

Важным свойством строительных материалов является их различная способность  гасить внешнее излучение и поглощать  радиоактивные загрязнители из окружающей среды. Материал (здание) защищает человека от вредных внешних излучений. Различные типы зданий и сооружений по-разному обеспечивают радиационную безопасность человека в помещениях из-за способности строительных материалов ослаблять гамма-излучение, проходящее через стены, пол и т.д., т.е. извне. Характеристики ослабления для различных материалов и веществ приведены в таблице 12.