P R O M I E N I O T W Ó R C Z OŚĆ NATURALNA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH

Transkrypt

1

2 P R O M I E N I O T W Ó R C Z OŚĆ NATURALNA WYBRANYCH MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH RUBIN Jan Antoni ŚLUSAREK Jan Mgr inż. Jan Antoni RUBIN Asystent w Katedrze Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej w Gliwicach. E mail: jantoni@zeus.polsl.gliwice.pl Dr inż. Jan ŚLUSAREK Adiunkt w Katedrze Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej w Gliwicach. E mail: jan_kas@hotmail.com A B S T R A C T In the paper the results of natural radioactivity tests of materials used in thermal insulation are presented. The research work comprised modern mineral products in granular and compact form. For comparison the magnitudes of radioactivity of foamed polystyren and ecofiber are shown. STRESZCZENIE W niniejszym referacie zostały zaprezentowane wyniki oznaczeń promieniotwórczości naturalnej wybranych materiałów budowlanych, a zwłaszcza materiałów stosowanych do izolacji cieplnych. Badania obejmowały nowoczesne wyroby pochodzenia mineralnego, tak w postaci sypkiej, jak i w postaci zwartej. Dla porównania przedstawiono także wielkości radioaktywności dla styropianu oraz ekofibru. 449

3 1. WPROWADZENIE Nieodłącznym atrybutem życia 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. Składowa ziemska pochodzi zasadniczo od trzech grup radionuklidów: szeregu uranowo radowego, szeregu torowego oraz izotopu potasu K 40. Radionuklidy te są emitorami trzech rodzajów promieniowania: gamma, alfa i beta. Najmniej przenikliwe jest promieniowanie alfa. Są to cząstki o dużej masie, dzięki czemu zatrzymywane są już przez kilkucentymetrową warstwę powietrza (wystarczy ok. 6 cm). Nieco bardziej przenikliwe jest promieniowanie beta elektrony o bardzo dużych energiach. Zarówno promieniowanie alfa jak i beta, występujące w przyrodzie, nie odgrywa istotnej roli w zewnętrznym oddziaływaniu na człowieka. Mają one jednak znaczący wpływ w oddziaływaniu wewnętrznym np. przy wdychaniu aerozoli zawierających produkty rozpadu promieniotwórczych gazów radonu i toronu. Produkty te, to promieniotwórczy: polon, bizmut oraz ołów. Najpoważniejsze zagrożenie dla zdrowia stanowi promieniowanie gamma ze względu na duży zasięg i przenikliwość oraz promieniowanie alfa ze względu na dużą energię. Promieniowanie może wywoływać skutki genetyczne ( uszkodzenia DNA), a także somatyczne wczesne (np. choroba popromienna) oraz późne (np. anemia, białaczka, różnego rodzaju nowotwory). Materiały budowlane pochodzenia mineralnego zawierają praktycznie rzecz biorąc te same pierwiastki promieniotwórcze, co skorupa ziemska. W wyniku różnego rodzaju procesów technologicznych, a szczególnie procesów termicznych może nastąpić kilkakrotny wzrost zawartości wspomnianych radionuklidów w wytworzonych wyrobach w stosunku do surowców wyjściowych. Można powiedzieć, że podczas tych procesów następuje swoiste wzbogacenie powstających wyrobów w radionuklidy. Szczególnie widoczne jest to w procesie spalania węgla kamiennego. Zawartość radionuklidów w przypadku żużla kotłowego jest około 2,5 razy większa, zaś w przypadku popiołów lotnych nawet 3,5 razy większa niż w spalanym surowcu [4]. W tablicy nr 1 zostały zaprezentowane współczynniki kwalifikacyjne obowiązujące w różnych państwach europejskich. Współczynniki kwalifikacyjne typu f i f 1 są miarą sumarycznego stężenia naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w badanym materiale. Wynikają one z zależności [5]: SK SRa STh (1) MK MK MK Gdzie: S K, S Ra, S Th MK i K Ra Th stężenia pierwiastków promieniotwórczych (odpowiednio: potasu K 40, radu Ra 226 i toru Th 232) w [Bq/kg]; maksymalna, dopuszczalna koncentracja w danym kraju, ( i odpowiednio: potas K 40, rad Ra 226 i tor Th 232) w [Bq/kg]. 450

4 TABELA 1.Współczynniki kwalifikacyjne obowiązujące w niektórych państwach europejskich, w tym i w Polsce. Rok K r a j Ozn. Współczynniki kwalifikacyjne: ZSRR [5] RFN [5] Norwegia [5] f 0,00022S K + 0,0027S Ra + 0,0038S Th Szwecja [5] f 0,00010S K + 0,0010S Ra + 0,0014S Th Polska [10, 11] f 1 f 2 0,00027S K + 0,0027S Ra + 0,0043S Th 1 oraz S Ra 185 [Bq/kg] 1982 Węgry [8] f 0,086S K + S Ra + 1,26S Th 370 [Bq/kg] 1986 Norwegia [3] RFN [3] f 0,00029S K + 0,0037S Ra + 0,0052S Th 1 Szwecja [3] 1987 Austria [4] f 0,00010S K + 0,0014S Ra (1+0,1η ρ o d) + 0,0019S Th Słowacja [9] f 1 f 2 0,086S K + S Ra + 1,25S Th 370 [Bq/kg] oraz S Ra 120 [Bq/kg] 1993 Finlandia [8] f 0,00033S K + 0,0033S Ra + 0,0050S Th 1 Gdzie: η współczynnik emanacji radonu, zależny od rodzaju materiału (<1); ρ o gęstość materiałów budowlanych, w [kg/m 3 ]; d grubość przegrody budowlanej, w [m]; Współczynniki typu f 2 z kolei, są równoznaczne ze stężeniem radu Ra-226 w badanym materiale; ograniczenie to jest podyktowane chęcią minimalizacji ekshalacji radonu z przegród budowlanych. 2. CEL I ZAKRES OPRACOWANIA Celem niniejszej pracy jest określenie stężeń naturalnych radionuklidów (pierwiastków promieniotwórczych) występujących w wybranych materiałach budowlanych pochodzenia mineralnego, ze szczególnym uwzględnieniem materiałów stosowanych do wykonywania izolacji cieplnych. Podjęta tematyka wynika z ciągłych obaw, rejestrowanych w społeczeństwie, dotyczących potencjalnych zagrożeń radiacyjnych ze strony tych materiałów, które zwłaszcza ostatnio są dość powszechnie stosowane. W referacie podjęto próbę analizy rzeczywistych zagrożeń radiacyjnych ze strony materiałów budowlanych, a zwłaszcza materiałów izolacyjnych. Badaniom poddano materiały izolacyjne, które w procesie produkcji podlegają obróbce wysokotemperaturowej oraz niskotemperaturowej. Przyjęto, że jeśli proces produkcji materiału przebiega w temperaturze niższej od 300 C to jest on traktowany jako niskotemperaturowy. Zaś powyżej tej granicy proces traktowany jest jako wysokotemperaturowy. 451

5 3. WYNIKI BADAŃ Pomiary promieniotwórczości naturalnej prowadzono zgodnie z Instrukcją ITB [10], a ich wyniki przedstawiono w tabeli 2. Dla porównania w ostatnich wierszach tabeli 2 podano wartości maksymalnych, dopuszczalnych koncentracji radionuklidów naturalnych w Polsce oraz wartości średnich stężeń radionuklidów w skorupie ziemskiej czyli w tzw. materiale klarkowym ( klark ). TABELA 2. Wartości maksymalnych stężeń naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w analizowanych materiałach budowlanych oraz ich gęstości objętościowe. RODZAJ MATERIAŁU ρ o MAX STĘŻENIA [Bq/kg]: [kg/m 3 ] S K S Ra S Th MATERIAŁY WYSOKOTEMPERATUROWE 1. WEŁNA MINERALNA ,28 18,37 11,13 2. WEŁNA MINERALNA ,10 34,47 31,48 GRANULOWANA 3. WEŁNA SZKLANA ,32 39,09 9,08 4. SZKŁO PIANKOWE CZARNE 170 7,00 2,53 3,66 5. SZKŁO PIANKOWE BIAŁE ,99 7,68 3,90 6. KERAMZYT ,0 67,00 53,00 7. GRALIT ,37 68,32 74,44 8. POLLYTAG ,35 54,54 13,81 9. MIKROSFERY ,00 44,86 41, CERAMIKA *) ,00 67,00 59,00 MATERIAŁY NISKOTEMPERATUROWE 1. STYROPIAN 25 1,80 1,74 0,00 2. EKOFIBER 60 1,60 0,20 3,89 3. BETON KOMÓRKOWY ,60 18,87 9,98 4. BETON *) ,00 11,00 15,00 5. SILIKAT *) ,00 11,00 7,00 6. WYRÓB Z GIPSU ,00 20,00 9,00 NATURALNEGO 7. PIASKOWIEC ,20 7,50 9,60 M K i w P O L S C E 3.704,00 370,00 233,00 K L A R K 370,00 26,00 26,00 *) zaczerpnięto z [1] 452

6 4. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ Wyniki badań przedstawione w tabeli 2 wykorzystano do określenia wartości współczynników kwalifikacyjnych f 1 i f 2 [10] dla analizowanych materiałów. Współczynniki f 1 i f 2 obowiązujące w naszym kraju zdefiniowano w tabeli 1. Określono również wartości ekshalacji radonu z analizowanych materiałów, wykorzystując zależność: e Rn = S Ra η ρ o λ Rn ½d (2) Gdzie: S Ra jak we wzorze (1), wartość określona na podstawie badań tabela 2; λ Rn stała rozpadu radonu Rn-222 = 7, , w [h -1 ]; d grubość przegrody budowlanej przyjęto równą 10 cm. TABELA 3.Wartości współczynników kwalifikacyjnych oraz współczynniki emisji radonu. RODZAJ MATERIAŁU f 1 [ ] % NDW f 2 [Bq/kg] % NDW e R n [Bq/m 2 h] MATERIAŁY WYSOKOTEMPERATUROWE 1. WEŁNA MINERALNA 0,128 12,8 18,37 9,9 0, WEŁNA MINERALNA GRAN. 0,301 30,1 34,47 18,6 0, WEŁNA SZKLANA 0,204 20,4 39,09 21,2 0, SZKŁO PIANKOWE CZARNE 0,025 2,5 2,53 1,3 0, SZKŁO PIANKOWE BIAŁE 0,067 6,7 7,68 4,1 0, KERAMZYT 0,697 69,7 67,00 36,3 0, GRALIT 0,736 73,6 68,32 36,9 0, POLLYTAG 0,219 21,9 54,54 29,5 0, MIKROSFERY 0,458 45,8 44,86 24,2 0, CERAMIKA 0,615 61,5 67,00 36,2 0,200 MATERIAŁY NISKOTEMPERATUROWE 1. STYROPIAN 0,005 0,5 1,74 1,0 0, EKOFIBER 0,017 1,7 0,20 0,1 0, BETON KOMÓRKOWY 0,148 14,8 18,87 10,2 0, BETON 0,206 20,6 11,00 5,9 0, SILIKAT 0,163 16,3 11,00 5,9 0, WYRÓB Z GIPSU NATURAL. 0,112 11,2 20,00 10,8 0, PIASKOWIEC 0,102 10,2 7,50 4,05 0,765 M K i w P O L S C E K L A R K 0,282 28,2 26,00 14,1 Gdzie: NDW największa dopuszczalna wartość współczynników kwalifikacyjnych (f 1 = 1 i f 2 = 185 Bq/kg). 453

7 Poddano analizie metodą regresji liniowej zależność wartości ekshalacji radonu od gęstości pozornej badanych materiałów według zależności: e R n = ρ o (3) Wyniki analizy przedstawiono w sposób graficzny na rys.1 (W.Temp. materiały wysokotemperaturowe, N.Temp. materiały niskotemperaturowe ). W obydwóch grupach materiałów stwierdzono wysoką korelację liniową gęstości pozornej i wartości ekshalacji radonu. Materiały wysokotemperaturowe i niskotemperaturowe znacząco różnią się między sobą. W materiałach niskotemperaturowych stwierdzono silniejszą zależność współczynnika e R n od gęstości pozornej materiału ρ o (współczynnik = 0,0003), w porównaniu z materiałami wysokotemperaturowymi gdzie zależność ta jest znacznie słabsza (współczynnik = 0,0001). 0,9 0,8 0,7 ern [Bq/m2h] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 W.Temp. N.Temp. funkcja liniowa Rys.1. Graficzna prezentacja zależności wartości ekshalacji radonu od gęstości pozornej. 5. PODSUMOWANIE ρ o [kg/m3] Jakość mikroklimatu pomieszczeń użytkowych, a zwłaszcza przeznaczonych na stały pobyt ludzi zależy w głównej mierze od materiałów, z których wykonano przegrody budowlane. Materiały te w istotny sposób mogą wpływać również na zagrożenia radiacyjne w pomieszczeniach użytkowych. Toteż bardzo ważnym czynnikiem jest spełnienie przez zastosowane materiały odpowiednich wymagań jeśli chodzi o bezpieczeństwo radiacyjne. Przeprowadzone badania wykazały, iż wszystkie przeanalizowane materiały spełniają odpowiednie wymogi normatywne [10, 11] obowiązujące w Polsce. 454

8 Z analizy otrzymanych wartości współczynników kwalifikacyjnych f 1 i f 2 dla przebadanych materiałów wynika, iż są to materiały nie stanowiące zagrożeń radiacyjnych. W większości można je zakwalifikować do grupy materiałów niskoaktywnych (0 30 % NDW), w pięciu przypadkach do grupy średnioaktywnych (30 60 % NDW), zaś w trzech przypadkach do grupy o podwyższonej aktywności ( % NDW). Analiza wartości ekshalacji radonu z przebadanych materiałów wykazała liniową zależność współczynnika e R n od gęstości pozornej ρ o. Współczynniki korelacji liniowej dla materiałów wysokotemperaturowych i niskotemperaturowych wynoszą odpowiednio 0,9740 i 0,9964. W materiałach niskotemperaturowych stwierdzono silniejszą zależność współczynnika e R n od gęstości pozornej, w porównaniu z materiałami wysokotemperaturowymi gdzie zależność ta jest znacznie słabsza. Można przypuszczać, że istnieje silny związek ekshalacji radonu z porowatą strukturą materiału oraz z zawartością odpowiedniej ilości i określonym wymiarze porów efektywnych, odpowiedzialnych za transport radonu. Zagadnienia te jednak są przedmiotem aktualnie prowadzonych przez autorów badań. 6. LITERATURA: [1] Cordes R.: Kalksandstein; Düsseldorf, Beton Verlag, [2] Krawczyk M.: Promieniotwórczość naturalna materiałów budowlanych wymagania i badania kontrolne; Materiały budowlane Biuletyn Informacyjny, 8 9 / 1992 cz. I, 10 /1992 cz. II. [3] Łaś M., Zapotoczna Sytek G.: Ocena właściwości promieniotwórczych betonów komórkowych; Cebet, Warszawa, 1986r. [4] Maciejończyk R., Rubin J.A.: Promieniotwórczość naturalna popiołów elektrownianych w świetle krajowych i międzynarodowych norm i przepisów budowlanych; Maszynopis, KPB Politechnika Śląska, Gliwice, 1996r. [5] Mamont Cieśla K.: Radon w mieszkaniach; Przegląd Budowlany 7/1993. [6] Neroth G.: Radon in Innenräumen; Bauphysik 15, Heft 5, Berlin, [7] Rowiński L., Lasek-Rubin J., Rubin J.A.: Promieniotwórczość naturalna w mikrośrodowisku mieszkalnym człowieka w świetle przepisów prawnych; Przegląd Budowlany 1/1997r. [8] Somlai J., Kanyár B., Németh Cs., Lendvai Z.: Dose contribution from coal-slags in buildings; International Conference, Technologically enhanced natural radiation caused by non-uranium mining, Szczyrk, [9] Terpákowá E.: Prirodzená rádioaktivita ako prirodzená vlastnost stavebných materiálov; VIII Ogólnopolska Konferencja Naukowo Techniczna, Ekologia a budownictwo, Bielsko Biała, 1996r. [10] Wytyczne badania promieniotwórczości naturalnej surowców i materiałów budowlanych; Instrukcja ITB nr 234/95, Warszawa, 1995r. [11] Zarządzenie Ministra Zdrowia i Opieki Społecznej z dn r. w sprawie dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia, wydzielanych przez materiały budowlane i elementy wyposażenia w pomieszczeniach przeznaczonych na pobyt ludzi (MP, nr 19/1996, poz. 231). 455