2. KRUSZYWA BUDOWLANE

Transkrypt

1 dr inż. Jan Antoni RUBIN Politechnika Śląska, Gliwice Promieniotwórczość naturalna wybranych kruszyw budowlanych kształtowanych na bazie odpadów przemysłowych. Streszczenie: W referacie zaprezentowano wyniki oznaczeń promieniotwórczości naturalnej wykonane w trakcie badań prowadzonych w Katedrze Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej w Gliwicach m.in. przez Autora niniejszego referatu nad możliwością wykorzystania w szeroko pojętym budownictwie kruszyw odpadowych oraz kruszyw kształtowanych na bazie odpadów przemysłowych. Summary: This paper presents results of tests of the natural radioactivity executed under of research driven in the Department of Building Processes the Silesian University of Technology in Gliwice among other things by the Author of the present report over the possibility of using in widely comprehended building of waste- aggregates and aggregates shaped on the basis of industrial waste material. 1. WPROWADZENIE W Katedrze Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej od wielu lat prowadzone są badania nad możliwością wykorzystania odpadów przemysłowych w szeroko pojętym budownictwie. Wspomniane prace badawcze dotyczą przede wszystkim odpadów z przemysłu energetycznego, hutniczego, a także wydobywczego. Nagromadzone na składowiskach odpady z w/w przemysłów stanowią spore obciążenie dla środowiska naturalnego człowieka. Skala, a także zasięg tego zjawiska zależy od bardzo wielu czynników, w tym przede wszystkim od ilości i rodzaju omawianych odpadów, jak również od składu chemicznego i granulometrycznego oraz stężenia pierwiastków naturalnie promieniotwórczych w nich występujących. 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 tutaj także aspekt ekonomiczny związany ze składowaniem tychże odpadów i wynikające z tego faktu wysokie opłaty. 2. KRUSZYWA BUDOWLANE Kruszywa budowlane stanowią bardzo zróżnicowaną grupę materiałów, przede wszystkim ze względu na pochodzenie, techniczne własności, oraz kształt i wymiary ziaren. 49

2 Ze względu na gęstość nasypową, kruszywa budowlane dzieli się na: kruszywa lekkie o gęstości poniżej 2,00 kg/dm³; kruszywa zwykłe o gęstości zawartej pomiędzy 2,00 3,00 kg/dm³; kruszywa ciężkie o gęstości powyżej 3,00 kg/dm³. Inny podział kruszyw mineralnych, to podział ze względu na ich pochodzenie: kruszywa naturalne otoczakowe (np. piaski i żwiry kopane) oraz łamane (grysy bazaltowe, granitowe, marmurowe, wapienne, itp.); kruszywa sztuczne uzyskiwane z surowców mineralnych poddanych np. procesowi spiekania lub obróbce termicznej; kruszywa odpadowe pochodzące z odpadów przemysłowych, poddanych jedynie obróbce mechanicznej; kruszywa z recyklingu pozyskiwane w wyniku odpowiedniej przeróbki materiałów rozbiórkowych (np. żelbetu, betonu, ceramiki budowlanej, itp.). Od wielu już lat, dynamiczny rozwój technologii betonów kruszywowych jest ściśle związany z rozwojem produkcji oprócz kruszyw naturalnych także kruszyw sztucznych. Na świecie zastosowanie kruszyw sztucznych do betonów z roku na rok wzrasta; związane jest to głównie z nowo rozwijanymi technologiami produkcji tychże kruszyw. Charakteryzują się one szerokim spektrum parametrów materiałowych, takich jak: gęstość pozorna, wytrzymałość, izolacyjność, jak również szeroko pojęta trwałość. Kruszywa te, stanowiące bazę do wytwarzania betonów lekkich, zwykłych i ciężkich, w bardzo istotnym stopniu wyznaczają właściwości tychże betonów. W betonach lekkich stosowanych we współczesnym budownictwie dominują kruszywa lekkie wytwarzane przemysłowo. Wyróżnia się tutaj trzy główne typy takich kruszyw: ekspandowane termicznie gliny lub łupki; spiekane, granulowane popioły lotne; spieniane poprzez gwałtowne schłodzenie żużle. W tabeli 1 zaprezentowano przykłady kruszyw lekkich stosowanych w budownictwie. Tabela 1. Podział kruszyw sztucznych lekkich, w zależności od rodzaju surowca użytego do ich produkcji oraz metody otrzymywania. Symbol Grupa Asortyment A. Kruszywa z surowców mineralnych poddawanych obróbce termicznej. B. Kruszywa z odpadów przemysłowych poddawanych obróbce termicznej. C. Kruszywa z odpadów przemysłowych nie poddawane dodatkowej obróbce termicznej. Keramzyt, glinoporyt, wermikulit, perlitoporyt, inne. Gralit, łupkoporyt, popiołoporyt, pumeks hutniczy, żużel granulowany, inne. Elporyt, łupkoporyt ze zwałów, mikrosfery, popiół lotny, pył krzemionkowy, inne. D. Kruszywa organiczne. Granulki styropianowe, mineralizowane wióry drzewne, inne. 50

3 Na jakość kruszywa lekkiego mają zasadniczo wpływ dwa czynniki: materiał z jakiego zostało wyprodukowane kruszywo (np. gliny pęczniejące i niepęczniejące, żużle paleniskowe i wielkopiecowe, popioły i pyły lotne, łupki przywęglowe, a także lekkie skały naturalne); technologia wytwarzania tychże kruszyw (granulowanie, spiekanie, utwardzanie, spienianie, itp.). Oba zaprezentowane powyżej czynniki determinują w sposób zasadniczy późniejsze właściwości kruszyw lekkich, a zatem i właściwości techniczne betonów wykonywanych na bazie omawianych kruszyw. Z kolei w technologii betonów ciężkich zaczyna utrwalać się równowaga pomiędzy wykorzystywanymi kruszywami pochodzenia naturalnego, a odpadami przemysłowymi pełniącymi rolę tychże kruszyw. W tabeli 2 zaprezentowano przykłady kruszyw stosowanych we wspomnianych betonach ciężkich specjalnych. Tabela 2. Podział kruszyw ciężkich, w zależności od rodzaju surowca użytego do ich produkcji. Symbol Grupa Asortyment I. Kruszywa z surowców naturalnych. Kruszywo: limonitowe, serpentynitowe, barytowe, bazaltowe, magnetytowe, hematytowe. II. Kruszywa z odpadów przemysłowych. - Żużle: wielkopiecowy, miedziowy, niklowy, ołowiowy. - Złom stalowy i żeliwny. - Zgorzelina (zendra czarna). Osobną grupę stanowią kruszywa (- odpady przemysłowe) wykorzystywane w budownictwie komunikacyjnym (np. jako podbudowy drogowe) oraz do rekultywacji terenów poprzemysłowych. 3. PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA 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. 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 = 1599 lat); tor Th-232 (okres półrozpadu T ½ = 1, lat) wraz z izotopami promieniotwórczymi szeregu torowego. Rozpad promieniotwórczy wspomnianych wyżej izotopów jest źródłem cząstek alfa i beta oraz promieniowania gamma. Od stężenia naturalnych radionuklidów w zewnętrznej warstwie skorupy ziemskiej i w materiałach budowlanych zależy moc dawki naturalnego promieniowania gamma zarówno na otwartym terenie jak i wewnątrz budynku. 51

4 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 [1]. Szczególnie widoczne jest to w procesie spalania paliw organicznych: węgla kamiennego i brunatnego, torfu, ropy naftowej i gazu ziemnego. 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 wyjściowym. W tabeli 3 zaprezentowano typowe wartości stężeń najważniejszych radionuklidów występujących w pyłach lotnych powstających podczas spalania węgla kamiennego. Tabela 3. Średnie stężenia radionuklidów naturalnych występujących w pyłach emitowanych podczas spalania węgla kamiennego [4]. Radionuklid: K- 40 U- 238 Ra- 226 Stężenie w [Bq/kg]: Pb- 210 Po- 210 Th- 232 Th- 228 Ra WSKAŹNIKI AKTYWNOŚCI Zgodnie z normami przedmiotowymi we wszystkich kruszywach stosowanych w budownictwie do betonów oraz robót ziemnych, stężenie pierwiastków promieniotwórczych powinno odpowiadać wymaganiom zawartym w Instrukcji ITB 234 [5]. Zawartość naturalnych izotopów promieniotwórczych potasu K-40, radu Ra-226 i toru Th-228 w surowcach i materiałach stosowanych w budynkach przeznaczonych na pobyt ludzi lub inwentarza żywego, a także w odpadach przemysłowych stosowanych w budownictwie ustala się za pomocą: a) wskaźnika aktywności f 1, który określa zawartość naturalnych izotopów promieniotwórczych, oraz b) wskaźnika aktywności f 2, który określa zawartość radu Ra-226. W zharmonizowanych z przepisami Unii Europejskiej [3] polskich unormowaniach prawnych (Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia r. [6]), wskaźniki aktywności zdefiniowane są dwiema zależnościami: f 1 = 3000 S K [ 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 stężenie potasu K-40, radu Ra-226 i toru Th-228, w [Bq/kg]. Wartości wskaźników aktywności f 1 i f 2 nie mogą przekraczać o więcej niż 20% wartości jak niżej: I. f 1 = 1,0 oraz f 2 = 200 Bq/kg w odniesieniu do surowców i materiałów budowlanych stosowanych w budynkach przeznaczonym na pobyt ludzi lub inwentarza żywego; 52

5 II. f 1 = 2,0 oraz f 2 = 400 Bq/kg w odniesieniu do odpadów przemysłowych stosowanych w obiektach budowlanych naziemnych wznoszonych na terenach zabudowanych lub przeznaczonych do zabudowy w miejscowym planie zagospodarowania przestrzennego oraz do niwelacji takich terenów; III. f 1 = 3,5 oraz f 2 = 1000 Bq/kg w odniesieniu do odpadów przemysłowych stosowanych w częściach naziemnych obiektów budowlanych niewymienionych w pkt 2 oraz do niwelacji terenów niewymienionych w pkt 2; IV. f 1 = 7,0 oraz f 2 = 2000 Bq/kg w odniesieniu do odpadów przemysłowych stosowanych w częściach podziemnych obiektów budowlanych, o których mowa w pkt 3, oraz w budowlach podziemnych, w tym w tunelach kolejowych i drogowych, z wyłączeniem odpadów przemysłowych wykorzystywanych w podziemnych wyrobiskach górniczych. Przy stosowaniu odpadów przemysłowych do niwelacji terenów, o których mowa w pkt 2 i 3, oraz do budowy dróg, obiektów sportowych i rekreacyjnych zapewnia się, przy zachowaniu wymaganych wartości wskaźników f 1 i f 2, obniżenie mocy dawki pochłoniętej na wysokości 1,00 m nad powierzchnią terenu, drogi lub obiektu do wartości nieprzekraczającej 0,3 mikrogreja na godzinę (µgy/h), w szczególności przez położenie dodatkowej warstwy innego materiału. 5. WYNIKI BADAŃ W tabeli 4 przedstawiono maksymalne wartości stężeń pierwiastków naturalnie promieniotwórczych, a także wielkości liczbowe wskaźników aktywności f 1max i f 2max wartość zasadnicza powiększona in plus o wartość błędu pomiarowego dla wybranych łupkoporytów ze zwałów z terenu Górnego Śląska. Badania wykonano zgodnie z zaleceniami przedmiotowej Instrukcji ITB. W tabeli 5 zaprezentowano wartości w/w stężeń dla wybranych odpadów hutniczych, zaś w tabeli 6 dla odpadów energetycznych oraz kruszyw spiekanych z nich wytwarzanych. Tabela 4. Promieniotwórczość naturalna wybranych łupkoporytów ze zwałów. ŁUPKOPORYT Max stężenia radionuklidów [Bq/kg]: Wskaźniki aktywności: ZE ZWAŁÓW K-40 Ra-226 Th-232 f 1max [ ] f 2max [Bq/kg] KWK Anna 838,04 145,93 71,84 1, ,93 KWK Borynia 723,79 57,70 62,74 0,747 57,70 KWK Centrum 378,00 112,03 4,56 0, ,03 KWK Halemba 739,65 81,13 53,97 0,787 81,13 KWK Jowisz 823,17 103,80 69,48 0, ,80 Stara hałda, Knurów 500,73 213,38 74,56 1, ,38 KWK Knurów 822,03 136,91 78,71 1, ,91 KWK 1 Maja 281,54 148,46 41,30 0, ,46 KWK Marcel 315,84 302,72 64,37 1, ,72 KWK Moszczenica 832,03 53,86 64,48 0,779 53,86 KWK Murcki 730,46 87,20 60,59 0,837 87,20 Stara hałda, Rybnik 903,51 370,86 95,36 2, ,86 KWK Rydułtowy 907,21 125,40 73,36 1, ,40 KWK Rymer 323,22 167,67 54,40 0, ,67 KWK Zabrze 814,54 121,88 107,39 1, ,88 53

6 Tabela 5. Promieniotwórczość naturalna wybranych odpadów hutniczych. ODPADY Max stężenia radionuklidów [Bq/kg]: Wskaźniki aktywności: HUTNICZE K-40 Ra-226 Th-232 f 1max [ ] f 2max [Bq/kg] żużel wielkopiecowy Huta Koszyce [2] żużel kawałkowy Huta 1 Maja żużel kawałkowy Huta Łabędy żużel granulowany Huta Katowice żużel granulowany Huta Częstochowa pył krzemionkowy Huta Łaziska Górne granulat żużla ISP Huta Cynku Miasteczko Śląskie piasek chromitowy odpady formierskie 94,00 86,40 33,50 0,487 86,40 110,24 50,28 5,53 0,232 50,28 62,20 20,40 17,60 0,177 20,40 217,71 118,82 31,82 0, ,82 185,10 143,17 29,94 0, ,17 287,32 24,92 4,53 0,201 24,92 225,81 147,99 27,29 0, ,99 232,59 19,39 12,41 0,204 19,39 Tabela 6. Promieniotwórczość naturalna wybranych odpadów energetycznych. ODPADY Max stężenia radionuklidów [Bq/kg]: Wskaźniki aktywności: ENERGETYCZNE K-40 Ra-226 Th-232 f 1max [ ] f 2max [Bq/kg] Żużel El. Zabrze 995,25 118,73 104,85 1, ,73 Żużel El. Rybnik 819,92 147,17 100,09 1, ,17 Mikrosfery El. Halemba 586,00 44,86 41,48 0,550 44,86 Popiół lotny El. Łagisza 766,48 161,20 100,36 1, ,20 Popiół lotny El. Łaziska 917,65 151,84 119,83 1, ,84 Popiół lotny El. Rybnik 934,01 159,07 103,79 1, ,07 Kr. AGLOPORYT 1092,88 174,36 104,65 1, ,36 Kr. GRALIT 858,37 68,32 74,44 0,890 68,32 Kr. POLLYTAG 44,35 54,54 13,81 0,270 54,54 Kr. POPIOŁOPORYT 780,53 101,00 75,92 0, ,00 54

7 6. PODSUMOWANIE Dla przebadanych 33-ch kruszyw i mikrokruszyw mineralnych, stwierdzono co następuje: 20 kruszyw kwalifikuje się do I grupy, czyli surowców i materiałów budowlanych stosowanych w budownictwie przeznaczonym na stały pobyt ludzi, a także inwentarza żywego; 12 kruszyw kwalifikuje się do II grupy, czyli odpadów przemysłowych stosowanych w naziemnych obiektach budowlanych na terenach zurbanizowanych, jak również do niwelacji takich terenów; 1 kruszywo kwalifikuje się do III grupy, czyli odpadów przemysłowych stosowanych w pozostałych naziemnych obiektach budowlanych. Dla kruszyw jak wyżej, wartości liczbowe wskaźnika aktywności f 1max zawierają się w przedziale od 0,201 do 2,014 [ ], zaś dla wskaźnika aktywności f 2max w przedziale od 19,39 do 370,86 [Bq/kg]. Zaprezentowane powyżej wyniki badań wskazują na istnienie możliwości wykorzystywania w/w kruszyw w szeroko pojętym budownictwie. Umożliwia to ograniczenie wydobycia kruszyw naturalnych oraz oszczędność terenów przeznaczonych tradycyjnie pod składowiska tychże odpadów. Bibliografia: 1. Bonka H., Horn H.-G.: Anwendung der Berechnungsgrundlagen auf die Emission radioaktiver Stoffe aus Kohlekraftwerken. Erich Schmidt Verlag Radioökologie und Strahlenschutz. Berlin, Ďurica T.: Żużel wielkopiecowy z huty Koszyce jako kruszywo do betonu. Cement, Wapno, Gips 7/ European Commission; Radiation protection 112: Radiological Protection Principles concerning the Natural Radioactivity of Building Materials. Directorate General; Environment, Nuclear Safety and Civil Protection; Hrynkiewicz A.Z. i inni: Człowiek i promieniowanie jonizujące. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa, 2001r. 5. Instrukcja 234/2003 pt. Badania promieniotwórczości naturalnej surowców i materiałów budowlanych. ITB. Warszawa, 2003r. 6. 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 żywego, a także w odpadach przemysłowych stosowanych w budownictwie, oraz kontroli zawartości tych izotopów. Dz. U. 4, poz