Environmental and radiation assessment of construction materials in Tyumen

Full Text

Интенсивные темпы строительства в настоящее время приводят к использованию большого объема строительного сырья, которое должно соответствовать нормативным параметрам, в том числе радиационным. Во всех строительных материалах, используемых как для строительства жилых объектов, так и производственных зданий и сооружений, определяется удельная активность естественных радионуклидов, к которым относят калий-40, радий-226, торий-232 [1, с. 245; 2; 3].

В зависимости от природной особенности естественных строительных материалов активность радионуклидов может изменяться в большую и в меньшую сторону. Так, наибольшие значения отмечены в породах магматического и метаморфического генезиса, таких как: гранит, диорит, мрамор и других, в отличие от осадочных природных материалов: песка, известняка, мела, каолина и других [4–6].

Согласно ГОСТ 30108-94 «Материалы и изделия строительные, определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов» во всех строительных материалах должна быть определена удельная эффективная активность естественных радионуклидов. Данный показатель рассчитывается и зависит от удельной активности природных радионуклидов в исследуемых образцах. От удельной эффективной активности зависит класс исследуемых строительных материалов и, следовательно, область их применения [7].

При изготовлении строительных материалов важно, чтобы использовалось экологически чистое сырье, соответствующее основным радиационным параметрам. Высокая активность естественных радионуклидов как в строительных, так и в отделочных материалах влияет на изменения показателей гамма-излучения в помещениях, что негативно может отразиться на здоровье людей, проживающих в таких объектах [8; 9; 10, с 55]. При удельной эффективной активности природных радионуклидов до 370 Бк/кг строительные материалы безопасны и могут быть использованы в строительстве без ограничений [7; 11–13].

Материалы и методы исследования

Для определения удельной активности естественных радионуклидов в строительных материалах и оценки их эколого-радиационного состояния в качестве объектов исследования был произведен отбор проб разных видов строительной продукции, используемой как для строительства и отделки помещений, так и широко применяемых при благоустройстве территорий.

Спектрометрические исследования образцов строительных материалов (сухие строительные смеси, цемент, кирпич, щебень, песок и другие материалы) проводились согласно общепринятым методикам [14]. Была определена удельная активность естественных радионуклидов (калий-40, торий-232, радий-226) в соответствии с основными нормативными документами для определения радиационной безопасности строительных материалов: СП 2.6.1.758-99 «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)» и ГОСТ 30108-94 [3; 7; 15].

Согласно ГОСТ 30108-94 «Материалы и изделия строительные, определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов» была определена удельная эффективная активность природных радионуклидов в строительных материалах. Удельная эффективная активность естественных радионуклидов – это суммарная удельная активность естественных радионуклидов в материале, определяемая с учетом их биологического воздействия на организм человека. Данный показатель рассчитывается и зависит от удельной активности естественных радионуклидов в образцах.

По значению удельной эффективной активности естественных радионуклидов присваивается класс по радиационной безопасности материала с определением области применения. При удельной эффективной активности природных радионуклидов до 370 Бк/кг строительные материалы относятся к первому классу, считаются радиационно-безопасными и могут быть использованы в строительстве без ограничений [7].

Результаты исследования

Результаты определения удельной активности природных радионуклидов в образцах представлены в виде диаграммы на каждый вид строительных материалов в отдельности (рис. 1). Результаты расчета удельной эффективной активности естественных радионуклидов отражены в виде диаграммы (рис. 2). Анализ полученных значений удельной эффективной активности естественных радионуклидов проведен по видам строительных материалов.

Наиболее часто используемый материал в строительстве – кирпич. Для определения радиоактивности были взяты 4 вида: кирпич керамический; кирпич силикатный № 1; кирпич силикатный № 2; кирпич керамический утолщенный рядовой пустотелый. Полученные показатели удельной активности естественных радионуклидов наглядно представлены на рисунке 1.

Анализ полученных результатов показал, что наибольшие показатели активности были отмечены у ⁴⁰K. Удельная активность природного калия в пробе кирпича керамического утолщенного рядового пустотелого составила 799,0 Бк/кг, наименьшее значение было зафиксировано в пробе кирпича силикатного № 2 (236,0 Бк/кг). Активность ²³²Th и ²²⁶Ra во всех исследуемых пробах по отношению к ⁴⁰K имела меньшие значения, и показатели варьировали от 7,5 до 39,5 Бк/кг.

 

Рисунок 1 – Удельная активность естественных радионуклидов в строительных материалах

 

Анализ удельной эффективной активности естественных радионуклидов в исследуемых образцах показал, что более высокие значения были отмечены в пробе кирпича керамического утолщенного рядового пустотелого и в пробе кирпича керамического, где данные значения составили 125,7 и 167,7 Бк/кг. Столь высоким значениям могла способствовать высокая природная адсорбционная активность глинистого материала на основе каолинита и монтмориллонита. В пробах кирпича силикатного данные результаты составили 45,2 и 40,3 Бк/кг соответственно, что обусловлено наличием в его составе песка (рис. 2).

Для анализа удельной активности природных радионуклидов в строительном материале (щебень) были взяты пробы щебня с разными фракциями. Результаты исследований наглядно представлены на рис. 1.

По результатам проведенных исследований было выявлено, что удельная активность ²³²Th и ²²⁶Ra в щебне имеют незначительные показатели. Максимум удельной активности отмечен в пробе щебня с фракцией 40–70 мм, где составил 36,9 и 25,2 Бк/кг соответственно (среднее значение активности ²³²Th – 13,9 Бк/кг, ²²⁶Ra – 12,1 Бк/кг). Средняя удельная активность ⁴⁰K – 140,36 Бк/кг при наибольшем значении активности в пробе щебня с фракцией 40–70 см (372, 1 Бк/кг).

Анализ результатов показал прямую зависимость фракций щебня и удельной эффективной активности природных радионуклидов (А_эфф). Чем больше фракция строительного щебня, тем выше удельная эффективная активность природных радионуклидов в материале. Так, в образце щебня (40–70 мм) А_эфф составила 105,2 Бк/кг, в пробе щебня (до 20 мм) А_эфф – 12,1 Бк/кг (рис. 2).

При строительсте объектов широко используются отделочные строительные материалы. Для спектрометрического исследования были отобраны образцы наиболее часто применяемых в строительстве строительных смесей (штукатурная смесь и цементно-известковая смесь, гипс 63, клей, W6 стяжка) [16, с. 298–301]. Результаты определения удельной активности естественных радионуклидов в строительных смесях наглядно представлены на рисунке 1.

Во всех сухих строительных смесях наблюдается высокая активность ⁴⁰K. Наибольшие значения удельной активности ⁴⁰K были зафиксированы в пробе клея (381,7 Бк/кг). Минимальный показатель удельной активности радионуклида был отмечен в пробе цементно-известковой смеси (198,7 Бк/кг). Удельная активность ²³²Th и ²²⁶Ra в строительных материалах значительно меньшим, чем калия. Так, значения активности ²³²Th были практически на одном уровне, находились в пределах от 14,5 до 19,1 Бк/кг. Удельная активность ²²⁶Ra составляла от 18,4 до 51,3 Бк/кг.

Удельная активность естественных радионуклидов практически во всех строительных смесях имела не одинаковое значение. Так, максимальный показатель активности ²²⁶Ra зафиксирован в W6 стяжка – 16,9 Бк/кг. По результатам расчетов максимальная удельная эффективная активность естественных радионуклидов была отмечена у клея – 105,9 Бк/кг, что может быть обусловлено высоким содержанием глинистых минералов в составе полимеров клея, которые используются для его водостойкости. Удельная эффективная активность в пробе гипса составила 62,5 Бк/кг, в пробе W6 стяжка – 86,0 Бк/кг (рис. 2).

В рамках проведенных исследований для определения удельной активности естественных радионуклидов в строительных материалах нами были отобраны различные образцы керамзита, камня бетонного стенового и блока ячеистобетонного (рисунок 1).

Из полученных результатов определения удельной активности естественных радионуклидов в исследуемых образцах прослеживается высокая активность природного ⁴⁰K во всех трех строительных материалах. Наибольшая активность наблюдается у керамзита, где данное значение составляет 622,0 Бк/кг, наименьшая у блока ячеистобетонного 363,4 Бк/кг. Максимальные значения активности тория были выявлены у камня бетонного стенового – 25,7 Бк/кг, минимальные у блока ячеистобетонного – 14,3 Бк/кг. Активность радия в исследуемой пробе имеет аналогичные закономерности. Наибольшей активностью здесь обладает камень бетонный стеновой – 25,7 Бк/кг.

 

Рисунок 2 – Удельная эффективная активность естественных радионуклидов в строительных материалах

 

Из полученных результатов удельной эффективной активности установлено, что наименьшей удельной активной эффективностью обладает блок ячеистобетонный, где данные значения составили 83,7 Бк/кг (рис. 2).

Блок ячеистобетонный по своей структуре является очень пористым (пористость может доходить до 90%), поэтому циркуляция воздуха в строительном материале высокая, за счет воздушной фазы активность естественных радинуклидов здесь снижается. Наибольшая удельная эффективная активность отмечена у каменя бетонного стенового (118,8 Бк/кг) и керамзита (138,1 Бк/кг). Высокая удельная эффективная активность керамзита обусловлена высоким содержанием глинистого материала. Поскольку керамзит имеет закрытую пористость ID-20%, то при высоких концентрациях долгоживущих естественных радионуклидов из пор и трещин керамзитового гравия происходит активное излучение радиоактивности [17, с. 157].

В рамках исследования была определена удельная активность естественных радионуклидов в образцах цемента и песка, которые как сырьевые материалы в большем количестве используются при строительстве и изготовлении строительных материалов [18]. Результаты представлены на рисунке 1.

Результаты спектрометрического исследования образцов показали, что природная радоктивность строительных материалов в большей степени связана с ⁴⁰K. Максимальное значение удельной активности природного калия было зафиксированно в пробе песка г. Тюмень, где 322,3 Бк/кг, в пробе цемента в 2 раза меньше – 161,7 Бк/кг.

Самая высокая активность природного радия была отмечена в пробах цемента и составила 55,6 Бк/кг. Удельная активность ²³²Th во всех исследуемых пробах находилась практически на одном уровне (в пробах песка и цемента составили 9,3 и 9,7 Бк/кг соответственно).

Анализ результатов определения удельной эффективной активности естественных радионуклидов показал, что наибольшей А_эфф обладает цемент (82,1 Бк/кг). В пробах песка данные значения имели меньшую активность по сравнению с цементом, здесь этот показатель составил 46,5 Бк/кг. Существенное повышение удельной эфективной активности в пробе цемента, по отношению к песку, обусловлено составом исходного сырья.

Заключение

Отмечено, что основной вклад в формирование удельной эффективной активности строительной продукции вносит повышенная природная активность ⁴⁰K. Разные технологические этапы изготовления строительных материалов и состав сырья могут существенно снизить активность радионуклидов и тем самым улучшить эколого-радиационные параметры выпускаемой продукции.

Анализ эколого-радиационного состояния исследуемых строительных материалов показал, что удельная эффективная активность природных радионуклидов в исследуемых образцах не превышают 370 Бк/кг, следовательно, они относятся к первому классу строительных материалов и подходят для всех видов строительства и реконструкции без ограничения.

Учитывая широкие темпы строительства объектов различного назначения, для контроля за эколого-радиационной обстановкой требуется проведение постоянного радиационного контроля как исходного природного строительного сырья, так и готовой строительной продукции, это позволит избежать негативного воздействия на здоровье человека от дополнительного воздействия природных источников радиационного излучения.

About the authors

Elena Viktorovna Zakharova

Tyumen Industrial University

Email: zaharovaev@tyuiu.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Technosphere Safety Department

Russian Federation, Tyumen

Elena Viktorovna Gaevaya

Tyumen Industrial University

Email: gaevajaev@tyuiu.ru

candidate of biological sciences, professor of Technosphere Safety Department

Russian Federation, Tyumen

Leonid Nikolaevich Skipin

Tyumen Industrial University

Email: skipinln@tyuiu.ru

doctor of agricultural sciences, professor of Technosphere Safety Department

Russian Federation, Tyumen

Svetlana Sergeevna Tarasova

Tyumen Industrial University

Email: tarasovass@tyuiu.ru

assistant of Technosphere Safety Department

Russian Federation, Tyumen

Vasilyа Zinnurovna Burlaenko

Tyumen Industrial University

Author for correspondence.
Email: burlaenkovz@tyuiu.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Technosphere Safety Department

Russian Federation, Tyumen

References

Supplementary files