WIELKOŚCI EKSHALACJI RADONU Z MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH *) 1. Wprowadzenie

Transkrypt

1 mgr inż. Jan Antoni RUBIN Politechnika Śląska, Gliwice WIELKOŚCI EKSHALACJI RADONU Z MATERIAŁÓW BUDOWLANYCH *) 1. Wprowadzenie W Polsce warunek uwzględniający wydzielanie radonu z materiałów budowlanych ma postać (wg Instrukcji ITB nr 234/95): f 2 = S Ra 185 Bq/kg (1) co wynika z zależności: gdzie: S Ra η ρ f 2 = S Ra η ρ 22, Bq/m 3 (2) - stężenie radu Ra 226 wyrażone w Bq/kg; - współczynnik emanacji radonu, zależny od rodzaju materiału budowlanego, (w omawianej Instrukcji przyjęto wartość 5%); - gęstość materiału budowlanego w kg/m 3, (w Instrukcji j.w. przyjęto wartość 2,4 kg/dm 3 ). Poza tym założono typowe wymiary pomieszczenia (powierzchnię, kubaturę, grubość ścian) oraz najbardziej niekorzystny przypadek, gdy cały radon, wyemanowany przez rad do wewnętrznych porów materiału, przedyfuduje do pomieszczenia mieszkalnego; założono również jednokrotną w ciągu godziny wymianę powietrza w pomieszczeniu. Wartość 22, Bq/m 3 przyjęto wg danych zawartych w Zarządzeniu Ministra Zdrowia i Opieki Społecznej oraz Pełnomocnika Rządu do Spraw Wykorzystania Energii Jądrowej (M.P. 1/70). Jak wynika z dotychczasowych badań i obserwacji podstawowym źródłem radonu występującego w budynkach mieszkalnych są skały i grunty tworzące podłoże (70 75 % radonu w budynku). Istotnym czynnikiem ułatwiającym migrację radonu jest stopień zwietrzenia skał; im więcej występuje szczelin i spękań, tym wędrówka radonu jest łatwiejsza. Ulatniając się ze skał, gleby oraz wody radon przedostaje się do atmosfery, wnikając także do budynków. Powodem wysokich stężeń radonu w budynkach bywają również betony, uważane powszechnie za jeden z bezpieczniejszych materiałów pod tym względem. Stosowanie w budownictwie przeznaczonym na stały pobyt ludzi betonów wytwarzanych przy użyciu kruszyw odpadowych lub odpadów przemysłowych szczególnie na terenach silnie uprzemysłowionych, takich jak np. Górny Śląsk - jest faktem już od wielu lat. Betony te mogą nieść ze sobą zagrożenia promieniotwórcze, które można podzielić na zagrożenia dwojakiego rodzaju: promieniowaniem gamma; co wynika z sumarycznych stężeń pierwiastków promieniotwórczych rodzin uranowej i torowej oraz potasu K 40; promieniowaniem alfa; co wiąże się z wydzielaniem z gęstych ośrodków, gazowych produktów rozpadu, jakimi są wspomniany już radon oraz toron. *) Radon exhalation from buildings material 206

2 Tablica 1 zawiera warunki na ograniczenie stężeń radu (S Ra ), toru (S Th ) oraz potasu (S K ) w materiałach i surowcach budowlanych stosowanych w budownictwie przeznaczonym na stały pobyt ludzi i zwierząt inwentarskich, proponowane w różnych krajach. Tablica 1. Rok K r a j Ozn ZSRR f 1974 RFN f 1976 Norwegia f Warunek na ograniczenie stężeń radionuklidów naturalnych w [Bq/kg]: 0,00022S K + 0,0027S Ra + 0,0038S Th 1 0,00022S K + 0,0027S Ra + 0,0038S Th 1 0,00022S K + 0,0027S Ra + 0,0038S Th Szwecja f 0,00010S K + 0,0010S Ra + 0,0014S Th Polska f 1 f 2 0,00027S K + 0,0027S Ra + 0,0043S Th 1 oraz S Ra 185 [Bq/kg] 1982 Węgry f 0,086S K + S Ra + 1,26S Th 370 [Bq/kg] 1986 Norwegia RFN f 0,00029S K + 0,0037S Ra + 0,0052S Th 1 Szwecja 1987 Austria f 0,00010S K + 0,0014S Ra (1+0,1η ρ d) + 0,0019S Th Słowacja f 1 f 2 0,086S K + S Ra + 1,25S Th 370 [Bq/kg] oraz S Ra 120 [Bq/kg] 1993 Finlandia f 0,00033S K + 0,0033S Ra + 0,0050S Th 1 gdzie: S K, S Ra, S Th stężenie potasu, radu i toru w badanych surowcach oraz materiałach budowlanych, w [Bq/kg]; η emanacja radonu z materiałów budowlanych, (< 1); wartości tabelaryczne (tab.3); ρ gęstość materiałów budowlanych, (kg/m 3 ); d grubość przegrody budowlanej, (m). 2. Radon w budynkach mieszkalnych W wielu krajach istnieją przepisy, zgodnie z którymi stężenie radonu w budynkach mieszkalnych nie może przekraczać określonych wartości. Wg norm większości krajów europejskich zalecane największe stężenie dla budynków nowo wznoszonych wynosi 200 Bq/m 3, a dla już istniejących od Bq/m

3 Dopuszczalne stężenia radonu w budynkach mieszkalnych w różnych krajach zestawiono w tablicy 2. Tablica 2. K r a j Dopuszczalne stężenia w [Bq/m 3 ] budynki istniejące budynki wznoszone Szwecja Finlandia Norwegia Kanada USA Wielka Brytania Niemcy Irlandia Czechy Polska W Polsce aktualnie stężenia radonu w pomieszczeniach przeznaczonych na stały pobyt ludzi i zwierząt gospodarskich normuje zarządzenie Prezesa PAA z 1995r., z którego wynika jednocześnie, iż od 1 stycznia 1998r. pomiary i ocena stężeń ma być obligatoryjna (odpowiednia Instrukcja ITB w przygotowaniu). Pomiary stężeń radonu i pochodnych wykonuje się zazwyczaj w celu: identyfikacji miejsc podwyższonego ryzyka; sprawdzenia skuteczności zastosowanych metod redukcji; zaspokojenia zainteresowania mieszkańców. Stare, promieniujące budynki powinny być poddawane modernizacjom m.in. przez zastosowanie uszczelnień i nowych systemów wentylacji. Nowe budynki powinny być z kolei budowane z materiałów o jak najmniejszej koncentracji pierwiastków promieniotwórczych oraz w taki sposób, aby osłabić wpływ emanacji radonu z podłoża. 3. Badania własne wraz z analizą Celem podjętych badań betonów lekkich była próba odpowiedzi na pytanie w jakim stopniu radon uwalniający się z tego rodzaju materiałów zwiększa zagrożenie dla ludzi przebywających w budynkach wzniesionych przy ich zastosowaniu. Wiadomo bowiem, że większość ludzi przebywa wewnątrz budynków około 80% czasu w ciągu doby, a tutaj stężenie radonu jest większe niż na wolnym powietrzu. Przystępując do badań po uprzednio dokonanej analizie różnego rodzaju zaleceń oraz wyników badań własnych uwzględniono oczywiście spełnienie przez wszystkie betony warunku na sumaryczne stężenie pierwiastków promieniotwórczych f 1 1, oraz stężenie radu f Bq/kg, zgodnie z Instrukcją ITB nr 234/95. Ograniczenia te dotyczą również innych, przedstawionych tutaj materiałów budowlanych. 208

4 Przebadano 52 składy betonów lekkich na bazie kruszyw sztucznych takich jak: agloporyt (produkcji czeskiej), elporyt (Elektrownia Rybnik), keramzyt (Wytwórnia Gniew), karboporyt (K.W.K. Murcki), łupki hałdowe samoczynnie przepalone (K.W.K. Jowisz i Rydułtowy); przy wykorzystaniu jako spoiwa cementu portlandzkiego (bez dodatków) marki 35. Zestawiono je w 10-ciu grupach w zależności od użytego rodzaju składników, określając średnie gęstości objętościowe betonów oraz średnie stężenia radu Ra 226 w tych betonach. Na podstawie analizy danych literaturowych wprowadzono do obliczeń współczynnik emanacji η = 5%, powszechnie uwzględniany dla betonów lekkich komórkowych. Uznano, że przyjęcie takiej samej wartości η dla danych betonów lekkich - kruszywowych będzie właściwe ze względu na zbliżoną strukturę. Potwierdziły to także częściowo własne pomiary porównawcze, wykonane aparaturą pomiarową skonstruowaną według własnego projektu na bazie analizatora promieniowania jądrowego NC 482/B (produkcji węgierskiej), wyposażonego w sondę scyntylacyjną ND 484/B (scyntylator α, pow. 20 cm 2 ) oraz metalową komorę pomiarową o objętości 25 dm 3. Aparatura ta jest sterowana komputerem PC 386/40 poprzez interfejs pomiarowy. Do obliczeń wielkości ekshalacji radonu z materiałów budowlanych wykorzystano zależność: e Rn-222 = S Ra η ρ λ Rn-222 d/2 (3) gdzie: e Rn ekshalacja radonu w Bq/(m 2 h); S Ra - stężenie radu w przedmiotowym betonie w Bq/kg; η - współczynnik emanacji radonu, zależny od rodzaju materiału budowlanego; ρ - gęstość objętościowa materiału budowlanego w kg/m 3 ; λ Rn stała rozpadu radonu 222 = 7, h -1 ; d - grubość przegrody budowlanej (-ściany, stropu) w m; do obliczeń przyjęto d = 0,25 m. Wartości współczynników emanacji radonu dla różnych materiałów i surowców budowlanych zestawiono w tablicy 3. Nazwa surowca lub wyrobu budowlanego: Wartość współczynnika η w [%]: 1 2 Piaskowiec naturalny 10,0 Porfir, granit 8,3 Cegła sylikatowa 9,0 Cegła ceramiczna, klinkier 0,4 Pumeks naturalny 2,5 Pumeks hutniczy 1,0 Tablica

5 1 2 Żużel hutniczy 0,8 Beton 2,2 Beton komórkowy 5,0 Gips naturalny 4,0 Gips syntetyczny: apatytowy fosforytowy 2,0 9,3 Wyniki obliczeń dla omawianych betonów lekkich zestawiono w tablicy 4, dla porównania zamieszczono również wartości ekshalacji e Rn-222 dla tradycyjnych materiałów budowlanych. Tablica 4. Ozn. ρ o [kg/dm 3 ] f 2 = S Ra [Bq/kg] η [%] e Rn [Bq/m 2 h] Ap 1, ,90 5,0 11,85 Kp 1,300 86,86 5,0 5,34 Kr 1, ,03 5,0 7,98 I/R 1, ,40 5,0 7,04 II/R 1, ,56 5,0 8,32 III/R 1, ,32 5,0 9,53 IV/R 1, ,55 5,0 10,30 A/J 1, ,90 5,0 8,85 B/J 1, ,77 5,0 12,27 C/J 1, ,16 5,0 12,15 Piaskowiec naturalny 2,600 52,00 10,0 12,78 Granit 2, ,00 8,3 39,18 Cegła sylikatowa 1,900 18,00 9,0 2,91 Cegła ceramiczna 1, ,00 0,4 0,95 Beton 2,400 32,00 2,2 1,60 Beton komórkowy: piaskowy z popiołów lotnych 1,300 1,050 36,00 158,00 5,0 5,0 2,21 7,84 Wełna mineralna (płyta) 0,180 15,74-0,161 Wełna szklana (płyta) 0,015 35,45-0,030 Wełna mineralna (granulowana) 0,200 34,31-0,389 Szkło piankowe czarne (płyta) 0,150 1,33-0,011 gdzie: Ap - beton agloporytowo elporytowy; Kp - beton karboporytowo elporytowy; Kr - beton keramzytowo elporytowy; 210

6 I IV/R A C/J - betony łupkowo elporytowe o różnym procentowym udziale łupka hałdowego, samoczynnie przepalonego z K.W.K. Rydułtowy; - betony łupkowo elporytowe o różnym procentowym udziale łupka hałdowego, samoczynnie przepalonego z K.W.K. Jowisz. Z analizy otrzymanych wartości ekshalacji wynika, iż stosowanie betonów lekkich kruszywowych, kształtowanych na bazie surowców odpadowych, nie stanowi znaczącego zagrożenia radonowego (przy założeniu, iż są spełnione warunki f 1 i f 2 ). Uzyskane wartości ekshalacji dla przebadanych betonów są porównywalne i często bliskie wartościom e Rn-222 dla tradycyjnych materiałów budowlanych. Ekshalacja radonu nie zależy bowiem wprost od wartości stężenia radu w omawianym materiale, ale także w sposób istotny od gęstości objętościowej tegoż materiału oraz współczynnika emanacji właściwego dla danego rodzaju materiału. Dla przykładu: wartość ekshalacji dla betonu łupkowo elporytowego (B/J) wynosi 12,27 Bq/m 2 h, zaś dla piaskowca naturalnego 12,78 Bq/m 2 h są prawie jednakowe chociaż stężenie radu w tymże betonie jest 3-krotnie większe (153,77 Bq/kg) niż w piaskowcu (52,00 Bq/kg). I odwrotnie, przy podobnych stężeniach radu np. w wyrobie ceramicznym typu cegła (139,00 Bq/kg) i betonie keramzytowo elporytowym (125,03 Bq/kg), ekshalacja radonu różni się ośmiokrotnie a mianowicie dla cegły wynosi 0,95 Bq/m 2 h, a dla betonu keramzytowo elporytowego odpowiednio 7,98 Bq/m 2 h. 4. Podsumowanie Występowanie radonu jest nieodłącznym zjawiskiem fizycznym towarzyszącym człowiekowi w jego środowisku mieszkalnym. Na wielkość ekshalacji radonu z materiałów budowlanych ma wpływ gęstość tych materiałów oraz współczynnik emanacji zależny od ich struktury wewnętrznej. Stężenie pierwiastka promieniotwórczego radu-226, z którego w wyniku rozpadu powstaje radon 222, nie jest najistotniejszym czynnikiem wpływającym na wielkość ekshalacji gazowego radonu. Przeprowadzone badania miały obalić panujące przekonanie, że materiały budowlane kształtowane na bazie odpadów przemysłowych są głównym źródłem zagrożeń radiacyjnych w tym i od radonu w budynkach mieszkalnych. Dotyczy to również innych mineralnych materiałów budowlanych, takich jak np. materiały do izolacji cieplnych. 211

7 Literatura 1. G.Neroth: Radon in Innenräumen. Ergebnisse einer Untersuchungsreihe im ichtelgebirge. Bauphysik 15 (1993), Heft M.Krawczyk: Promieniotwórczość naturalna materiałów budowlanych wymagania i badania kontrolne. Biuletyn informacyjny Materiały budowlane 8 9/92 cz. I oraz 10/92 cz. II. 3. M.Wysocka: Radon w domach na terenie Górnośląskiego Okręgu Węglowego. Konferencja Naukowo Szkoleniowa na temat: Naturalna promieniotwórczość w środowisku. GIG. Katowice, luty 1996r. 4. R.Maciejończyk, J.A.Rubin: Promieniotwórczość naturalna popiołów elektrownianych w świetle krajowych i międzynarodowych norm i przepisów budowlanych. Maszynopis. Katedra Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej. Gliwice, marzec 1996r. 5. J.A.Rubin: Wyznaczanie wielkości ekshalacji radonu z betonów lekkich kruszywowych. BW 528/RB 4/96. Katedra Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej. Gliwice 1996r. 6. L.Rowiński, J.Lasek Rubin, J.A.Rubin: Promieniotwórczość naturalna w mikrośrodowisku mieszkalnym człowieka w świetle przepisów prawnych. Przegląd Budowlany 1/1997r. 7. J.A.Rubin: Badania emisji promieniowania radioaktywnego wybranych materiałów budowlanych. U 731/RB 4/97. Katedra Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej. Gliwice, marzec maj 1997r. 212