WPŁYW CZASU DOJRZEWANIA KOMPOZYTÓW śuślowych O MATRYCY CEMENTOWEJ NA EKSHALACJĘ RADONU

Transkrypt

1 Dr inŝ. Jan Antoni RUBIN Politechnika Śląska, Gliwice Polskie Towarzystwo Badań Radiacyjnych WPŁYW CZASU DOJRZEWANIA KOMPOZYTÓW śuślowych O MATRYCY CEMENTOWEJ NA EKSHALACJĘ RADONU Streszczenie: Promieniotwórczość naturalna to jedna z wielu cech technicznych materiałów budowlanych. W referacie zaprezentowano wyniki badań własnych, nad ekshalacją radonu Rn-222 z betonów lekkich kształtowanych przy uŝyciu kruszywa ŜuŜlowego. Przedstawiono równieŝ wyniki z pomiarów wielkości innych cech technicznych wspomnianych kompozytów ŜuŜlowych, takich jak: gęstość objętościowa, nasiąkliwość masowa, wytrzymałość na ściskanie statyczne oraz porowatość otwarta. Zaprezentowano takŝe wyniki z pomiarów promieniotwórczości naturalnej surowców składowych. THE INFLUENCE OF SLAG COMPOSITES CURING TIME WITH CEMENT MATRIX ON RADON EXHALATION Summary: The natural radioactivity is one of many technical qualities of building materials. In paper, the results of own research on Rn-222 radon exhalation from lightweight concretes formed with the use of slag aggregate, were presented. The results of volume measurement of other mentioned slag composites technical qualities, such as: volume density, mass absorbability, compression static resistance and open porosity, were also presented. Moreover, the results of component raw materials natural radioactivity were presented. 1. WPROWADZENIE Swoistym produktem towarzyszącym wszelkiej działalności człowieka są odpady, w tym równieŝ odpady przemysłowe. Do jednych z najbardziej uciąŝliwych dla środowiska zalicza się procesy górnicze oraz energetyczne ze względu na powstawanie obok podstawowego produktu, znacznych ilości odpadów, których nieprawidłowe zagospodarowanie wiąŝe się w istotny sposób z degradacją środowiska naturalnego. Nagromadzone na składowiskach odpady z górnictwa węgla kamiennego, a takŝe energetyki zawodowej stanowią spore obciąŝenie dla lokalnego środowiska 101

2 naturalnego człowieka. Skala, a takŝe zasięg tego zjawiska zaleŝy od bardzo wielu czynników, w tym przede wszystkim od ilości i rodzaju omawianych odpadów, jak równieŝ od ich składu chemicznego i granulometrycznego oraz zawartości metali cięŝkich i stęŝenia naturalnych radionuklidów. Niektóre z tych odpadów są klasyfikowane przez EPA (Environmental Protection Agency) jako odpady szczególnie niebezpieczne, które muszą być zagospodarowane w szczególny sposób. Oprócz aspektu ekologicznego występuje takŝe aspekt ekonomiczny związany ze składowaniem odpadów i wynikające z tego faktu opłaty. W istniejących warunkach Górnego Śląska, biorąc pod uwagę szczególnie silne zanieczyszczenie środowiska, wykorzystanie miejscowych materiałów odpadowych wymaga prowadzenia skrupulatnych badań i ustalenia ścisłych kryteriów oceny pod względem przydatności ich w szeroko pojętym budownictwie. 2. PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA Nieodłącznym atrybutem Ŝycia na Ziemi jest promieniowanie jonizujące, zwane inaczej naturalnym tłem promieniowania. Jego źródłem jest: promieniowanie kosmiczne (pochodzenia słonecznego i galaktycznego) oraz promieniowanie ziemskie, pochodzące od naturalnych pierwiastków promieniotwórczych, występujących w skorupie ziemskiej. Spośród naturalnych pierwiastków promieniotwórczych występujących w przyrodzie, istotne znaczenie ze względu na poziom naturalnego tła promieniotwórczego w środowisku mieszkalnym człowieka mają: potas K-40 (okres półrozpadu T ½ = 1, lat); uran U-238 (okres półrozpadu T ½ = 4, lat) wraz z izotopami promieniotwórczymi szeregu uranowego (np. Ra-226, T ½ = 1600 lat; Rn-222, T ½ = 3 doby 19 godz. 44 min.); tor Th-232 (okres półrozpadu T ½ = 1, lat) wraz z izotopami promieniotwórczymi szeregu torowego (np. tor Th-228, T ½ = 1,91 lat). Rozpad promieniotwórczy wspomnianych wyŝej izotopów jest źródłem cząstek alfa i beta oraz promieniowania gamma. Od stęŝenia naturalnych radionuklidów w zewnętrznej warstwie skorupy ziemskiej i w materiałach budowlanych zaleŝy moc dawki naturalnego promieniowania gamma zarówno na otwartym terenie jak i wewnątrz budynku. W wyniku róŝnego rodzaju procesów technologicznych, a szczególnie procesów termicznych moŝe nastąpić kilkakrotny wzrost zawartości wspomnianych radionuklidów w wytworzonych wyrobach w stosunku do surowców wyjściowych. Szczególnie widoczne jest to w procesie spalania paliw organicznych, np. węgla kamiennego i brunatnego. Zawartość radionuklidów w przypadku ŜuŜla kotłowego jest około 2,5 razy większa, zaś w przypadku popiołów lotnych nawet 3,5 razy większa niŝ w spalanym surowcu wyjściowym. 3. WSKAŹNIKI AKTYWNOŚCI Określenie zanieczyszczeń promieniotwórczych w surowcach i materiałach budowlanych polega na wyznaczeniu sumarycznej aktywności występujących w nich radionuklidów, (tzn. potasu K-40, radu Ra-226 i toru Th-228) oraz pośrednio wielkości emisji gazowego radonu Rn- 222 i porównaniu wyników z wymaganiami normatywnymi. Wyznaczenie stęŝenia naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w badanych surowcach i materiałach pozwala na wyliczenie tzw. wskaźników aktywności: 102

3 f 1, który określa zawartość naturalnych izotopów promieniotwórczych (sumaryczne promieniowanie gamma) oraz f 2, który określa zawartość radu Ra-226. W zharmonizowanych z przepisami Unii Europejskiej [1] polskich unormowaniach prawnych [8, 4], wskaźniki aktywności zdefiniowane są dwiema zaleŝnościami: f 1 = S K 3000 [ Bq / kg ] + S Ra 300 [ Bq / kg ] + S Th 200 [ Bq / kg ] (1) ƒ 2 = S Ra (2) gdzie: S K, S Ra, S Th stęŝenie potasu K-40, radu Ra-226 i toru Th-228, w [Bq/kg]. Wartości wskaźników aktywności f 1 i f 2 dla surowców i materiałów budowlanych, stosowanych w obiektach przeznaczonych na stały pobyt ludzi oraz inwentarza Ŝywego, nie mogą przekraczać o więcej niŝ 20% wartości f 1 = 1 oraz f 2 = 200 [Bq/kg] [2]. 4. BADANIA LABORATORYJNE 4.1. KRUSZYWA BUDOWLANE Po przeanalizowaniu danych z badań wstępnych, do zastosowania oraz do dalszych badań wyselekcjonowano następujące kruszywa budowlane: ŜuŜel elektrowniany (Elektrownia Rybnik ); łupkoporyt ze zwałów samoczynnie przepalony (K.W.K. Rydułtowy ); kruszywo ŜuŜlowo łupkowe (stara hałda k. Rybnika) SPOIWA MINERALNE Po przeanalizowaniu danych z badań wstępnych, do zastosowania oraz do dalszych badań wyselekcjonowano następujące spoiwa budowlane: cement CEM I 32,5R Cementownia Strzelce Opolskie ; cement CEM II/B S 32,5R Cementownia Strzelce Opolskie DODATKI MINERALNE Po przeanalizowaniu danych z badań wstępnych, do zastosowania oraz do dalszych badań wyselekcjonowano następujące dodatki mineralne: mączkę glinianą (złoŝe Rybnik Wielopole); pył krzemionkowy (Huta Łaziska ); mączkę piaskową (złoŝe Rybnik Raszowiec) KOMPOZYTY śuślowe ETAP PIERWSZY W badaniach wykorzystano wzmiankowane kruszywa budowlane oraz cementy portlandzkie: CEM I 32,5R i CEM II/B S 32,5R. Stos okruchowy skomponowano z (wagowo): 70% ŜuŜla elektrownianego (fr. 0 2 mm) oraz łupkoporytu ze zwałów w ilości 20% (fr. 2 4 mm) i kruszywa 103

4 ŜuŜlowo łupkowego w ilości 10% (fr. 4 8 mm). Oznaczenia próbek betonowych serii C30 przy zróŝnicowanych rodzajach dodatków mineralnych: C3/I stosunek cementu portlandzkiego CEM I do standardowego stosu okruchowego jak 1:3 (wagowo); C3/IMG skład jak dla C3/I, zmodyfikowany jednak poprzez zamianę 30% cementu na mączkę glinianą (wagowo); C3/IPK skład jak dla C3/I, zmodyfikowany jednak poprzez zamianę 30% cementu na pył krzemionkowy (wagowo); C3/IIB stosunek mieszanego cementu portlandzko ŜuŜlowego CEM II/B-S (zawartości ŜuŜla granulowanego 32%) do standardowego stosu okruchowego jak 1:3 (wagowo); C3/IMP skład jak dla C3/I, zmodyfikowany jednak poprzez zamianę 30% cementu na mączkę piaskową (wagowo). Praca badawcza składała się z następujących podetapów: kształtowanie próbek z zaprojektowanych i wykonanych mieszanek betonowych; wykonanie badań porowatości na porozymetrze rtęciowym Carlo Erba 2000; oznaczenie gęstości pozornej; oznaczenie nasiąkliwości wagowej; oznaczenie wytrzymałości na ściskanie statyczne (próbki walcowe H= =8 cm); ekspozycja detektorów typu Pico-Rad w obecności zwartych próbek betonowych w szczelnej komorze pomiarowej zestawu HP Alpha; pomiary stęŝenia radonu S Rn zaabsorbowanego przez detektory Pico-Rad, analizatorem LSC typu Tri-Carb 1900 TR; pomiary stęŝeń potasu K-40, radu Ra-226 i toru Th-228 w omawianych betonach, przy uŝyciu spektrometru półprzewodnikowego HPGe CANBERRA. Wielkości ekshalacji radonu z próbek betonowych wyznaczono z zaleŝności: E Rn Rn k Rn = λ t F (1 Rn pr e gdzie: E Rn ekshalacja radonu z próbki, [Bq/m 2 h]; S Rn pomierzone stęŝenie radonu, [Bq/m 3 ]; V k objętość komory pomiarowej, [m 3 ]; λ Rn stała rozpadu Rn 222 = 7, , [1/h]; F pr powierzchnia całkowita próbki, [m 2 ]; t czas ekspozycji próbki w komorze pomiarowej, [h] KOMPOZYTY śuślowe ETAP DRUGI W badaniach wykorzystano próbki laboratoryjne z ETAPU PIERWSZEGO przechowywane przez sześć lat w stałych warunkach klimatycznych (temp C, wilgotność ok %). Praca badawcza składała się z następujących podetapów: wykonanie badań porowatości na porozymetrze rtęciowym Carlo Erba 2000; oznaczenie gęstości pozornej; oznaczenie nasiąkliwości wagowej; oznaczenie wytrzymałości na ściskanie statyczne; symulacja komputerowa wielkości ekshalacji radonu (wielkości pomiarowe na granicy czułości metody); wyznaczenie wartości wskaźników aktywności. S V λ ) (3) 104

5 Wyniki omawianych badań i oznaczeń zaprezentowano w tabeli 1, zaś wartości promieniotwórczości naturalnej surowców składowych w tabeli 2. Tabela 1. Kompozyty serii C30 stała ilość spoiwa. Lp. CECHY TECHNICZNE Jednostki Symbol kompozytu: C3/I C3/IMG C3/IPK C3/IIB C3/IMP 1. Objętość całkowita porów, V cp [mm 3 /g] 114,02 66,53 99,19 53,93 78,32 49,43 124,44 56,86 120,97 25,14 2. Powierzchnia właściwa porów, F wp [m 2 /g] 1,62 0,34 1,61 0,12 1,34 0,18 3,64 0,29 3,20 0,01 3. Średni promień porów, P p [nm] 63,0 1840,5 78,8 38,67 39,2 98,12 54,2 329,41 31,4 382,56 4. Porowatość względna, P w [%] 11,63 8,51 14,08 10,13 10,49 10,77 16,42 7,75 16,93 9,07 5. (F wp / V cp ) [1/pm] 14,21 16,23 17,11 29,25 26,45 5,11 2,23 3,64 5,10 0,40 6. Gęstość pozorna, ρ p [kg/dm 3 ] 1,337 1,296 1,373 1,324 1,321 1,314 1,262 1,280 1,336 1, Nasiąkliwość wagowa, n w [%] 27,83 26,14 27,59 26,36 21,60 27,50 27,18 24,52 24,23 26,94 8. Wytrzymałość na ściskanie H= =8cm, f c [MPa] 8,95 19,37 5,63 14,65 8,22 23,35 8,68 20,92 6,36 14,60 9. StęŜenie radonu, S Rn : 10. Ekshalacja radonu, E Rn : StęŜenie radionuklidów: Wskaźniki aktywności: S K S Ra S Th [Bq/m 3 ] 48,87 ± 4,15 36,89 ± 2,98 58,14 ± 4,68 83,31 ± 5,18 91,92 ± 6,63 [Bq/m 2 h] 0,3263 0,2463 0,3882 0,5563 0,6137 0,1173 0,0338 0,0826 0,0970 0,0093 [Bq/kg] 521,68 566,06 523,78 ± 6,86 ± 4,93 ± 4,39 [Bq/kg] 81,18 82,08 81,70 ± 2,42 ± 2,28 ± 2,21 [Bq/kg] 41,98 42,27 41,76 ± 1,18 ± 1,15 ± 1,12 f 1 [ - ] 0,65 0,67 0,66 ± 0,02 ± 0,02 f 2 81,18 82,08 81,70 [Bq/kg] ± 2,42 ± 2,28 ± 2,21 522,63 ± 7,63 559,54 ± 4,80 86,96 84,00 ± 2,61 ± 2,34 43,83 42,39 ± 1,25 ± 1,20 0,68 0,68 ± 0,02 86,96 84,00 ± 2,61 ± 2,34 105

6 Gdzie: wartości podkreślone pochodzą z badań z roku 1999, zaś wartości nie podkreślone pochodzą z badań z roku Tabela 2. Promieniotwórczość naturalna surowców składowych. Lp. Surowiec składowy: StęŜenie radionuklidów [Bq/kg]: Wskaźniki aktywności: 1. śuŝel elektrowniany 794,90 ± 5,83 2. Łupkoporyt ze zwałów 795,00 ± 51,00 3. Kruszywo ŜuŜlowo łupkowe 683,00 ± 55,00 4. Cement CEM I 32,5R 216,71 ± 4,15 5. Cement CEM II/B-S 32,5R 194,69 ± 4,76 6. Glina mielona 644,14 ± 4,76 7. Pył krzemionkowy 279,67 ± 2,07 8. Piasek mielony 148,91 ± 1,27 S K S Ra S Th f 1 f 2 119,52 82,76 1,08 ± 0,60 ± 0,58 139,00 ± 7,00 327,00 ± 16,00 32,53 ± 1,41 61,10 ± 1,86 34,96 ± 1,20 24,02 ± 0,82 7,39 ± 0,14 81,00 ± 4,00 105,00 ± 5,00 9,13 ± 0,47 22,61 ± 0,66 40,03 ± 0,57 3,98 ± 0,06 9,51 ± 0,09 1,13 ± 0,06 1,84 ± 0,10 0,23 0,38 0,53 0,19 0,12 119,52 ± 0,60 139,00 ± 7,00 327,00 ± 16,00 32,53 ± 1,41 61,10 ± 1,86 34,96 ± 1,20 24,02 ± 0,82 7,39 ± 0,14 5. ANALIZA WYNIKÓW Spośród parametrów charakteryzujących porowatość zaprezentowanych w mniejszej pracy kompozytów ŜuŜlowych, wartość liczbowa stosunku powierzchni właściwej porów (F wp ) do objętości całkowitej porów (V cp ) wykazuje największą korelację z wielkością ekshalacji radonu (E Rn ). Relację między tymi wielkościami zilustrowano na rys. 1. Dla zaprezentowanych na wykresie zaleŝności otrzymanych metodą regresji liniowej, wartości korelacji są bardzo wysokie. 106

7 1 0,8 2005r. 1999r. Liniowy (1999r.) Liniowy (2005r.) E Rn, [Bq/m 2 h] 0,6 0,4 E (sym.) = 0,0218(F/V) - 0,0039 k = 0,98 0, (F wp /V cp ), [1/pm] E (pom.) = 0,0209(F/V) - 0,0047 k = 0,91 Rys.1. ZaleŜność pomiędzy porowatością betonów, a wielkością ekshalacji radonu. 6. PODSUMOWANIE Analizując uzyskane wyniki, moŝna dostrzec istotny wpływ wielomiesięcznego okresu dojrzewania omawianych kompozytów ŜuŜlowych, na ich wytrzymałość na ściskanie (f c ), jak równieŝ na ich strukturę wewnętrzną np. w kontekście wydzielania się z nich radonu (E Rn ). W tym ostatnim przypadku wynika to z porowatej struktury omawianych kompozytów ŜuŜlowych oraz z zawartej w nich odpowiedniej ilości i o określonym wymiarze porów efektywnych, odpowiedzialnych za transport radonu; co w funkcji czasu wiąŝe się takŝe ze stałą rozpadu tego promieniotwórczego gazu. Uzyskane w trakcie badań wyniki wskazują, Ŝe gdy ilość spoiwa jest stała przy stałej ilości dodatku mineralnego aplikowanego jako zamiennik cementu portlandzkiego wielkość ekshalacji radonu zaleŝy od rodzaju tegoŝ dodatku. Wynika to z faktu, iŝ zmiana składu fazowego zastosowanego w betonach zaczynu osiągnięta poprzez wprowadzenie do składu cementu np. granulowanego ŜuŜla wielkopiecowego lub pyłu krzemionkowego prowadzi do zmiany jego porowatości (przy stałym wskaźniku wodnocementowym). Maleje bowiem w tym przypadku ilość składników krystalicznych, rośnie zaś Ŝelowych. Efektem tego procesu jest zarastanie duŝych porów kapilarnych, przy równoczesnym wzroście udziału porów Ŝelowych. Wielkości ekshalacji radonowych (- ze wspomnianych struktur krystalicznych i Ŝelowych) wiąŝą się z długością drogi, jaką jest w stanie przebyć w tychŝe strukturach nowopowstały atom radonu zanim wydostanie się poza obszar ciała stałego (- kompozytu ŜuŜlowego). Wartości wskaźników aktywności wyznaczone dla omawianych kompozytów ŜuŜlowych, pozwalają zakwalifikować je do materiałów budowlanych dopuszczonych do stosowania w budynkach przeznaczonych na stały pobyt ludzi lub inwentarza Ŝywego, mimo iŝ jeden ze składników (kruszywo ŜuŜlowo łupkowe) wyraźnie przekracza wartości dopuszczalne dla wskaźników aktywności [2]. 107

8 Badania pierwszego etapu wykonano w ramach projektu badawczego 7 T07E finansowanego przez Komitet Badań Naukowych w latach Z kolei badania drugiego etapu wykonano w ramach tzw. badań własnych symbol pracy BW-490/RB-4/05. BIBLIOGRAFIA 1. European Commission; Radiation protection 112: Radiological Protection Principles concerning the Natural Radioactivity of Building Materials. Directorate General; Environment, Nuclear Safety and Civil Protection; Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia r. w sprawie wymagań dotyczących zawartości naturalnych izotopów promieniotwórczych potasu K-40, radu Ra-226 i toru Th- 228 w surowcach i materiałach stosowanych w budynkach przeznaczonych na pobyt ludzi i inwentarza Ŝywego, a takŝe w odpadach przemysłowych stosowanych w budownictwie, oraz kontroli zawartości tych izotopów. Dz. U. 4, poz Instrukcja 234/2003 pt. Badania promieniotwórczości naturalnej surowców i materiałów budowlanych. ITB. Warszawa, 2003r. 108