*)

148

dr inż. Jan Antoni Rubin *) Katedra Procesów Budowlanych Wydział Budownictwa Politechnika Śląska w Gliwicach mgr inż. Przemysław Smalec Zabrzańskie Centrum Kształcenia Ogólnego i Zawodowego Promieniotwórczość naturalna odpadów hutniczych jako kryterium możliwości stosowania ich w budownictwie Streszczenie: W referacie przedstawiono główne kierunki badań nad utylizacją odpadów przemysłowych. Prace badawcze dotyczyły odpadów z przemysłu hutniczego oraz możliwości ich wykorzystania w budownictwie. Summary: This paper presends main directions of researches of utilization of industrial wastes. Research works referred waste material from the metallurgic industry and possibility of their application in the building. 1. WPROWADZENIE 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. Ze względu na zastosowanie, można wyszczególnić pięć podstawowych grup odpadów przemysłowych jako surowców do wytwarzania: betonów komórkowych; ceramiki budowlanej; kruszyw budowlanych; materiałów termoizolacyjnych; spoiw mineralnych. W Katedrze Procesów Budowlanych Politechniki Śląskiej od wielu lat prowadzi się systematyczne badania nad utylizacją odpadów przemysłowych. Prowadzono także wiele prac badawczych nad wykorzystaniem w budownictwie odpadów hutniczych. M.in. prowadzono badania [5]: utylizacji żużli z produkcji żelazostopów (BPPH BIPROHUT ); przydatności poprodukcyjnych mas formierskich (Huta Zygmunt w Bytomiu); wykorzystanie żużli martenowskich (Huta 1 Maja w Gliwicach); *) e-mail: jantoni@polsl.gliwice.pl 149

oceny przydatności żużla z pieca szybowego (Huta Cynku Miasteczko Śląskie w Tarnowskich Górach); możliwości wykorzystania osadów z osadników deszczowo przemysłowych (Huta Katowice w Dąbrowie Górniczej); wytwarzanie betonów lekkich o podwyższonej wytrzymałości z zastosowaniem pyłów krzemionkowych z Huty Łaziska (prace własne); możliwość wykorzystania zgorzeliny z Huty Baildon do kształtowania ceramiki i betonów ciężkich (prace własne); możliwość wykorzystania żużla kawałkowego w budownictwie drogowym (Huta Łabędy). Kroki postępowania przy ocenie możliwości zastosowania w/w odpadów w budownictwie, to: określenie poziomu stężeń naturalnych pierwiastków promieniotwórczych; określenie zawartości metali ciężkich oraz związków szkodliwych; określenie pozostałych istotnych cech technicznych. Nagromadzone na składowiskach odpady z hutnictwa metali żelaznych i nieżelaznych 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 ich składu chemicznego i granulometrycznego oraz stężenia naturalnych radionuklidów. 2. PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA Spośród naturalnych pierwiastków promieniotwórczych występujących w przyrodzie, istotne znaczenie ze względu na poziom tła naturalnego w środowisku mieszkalnym mają: potas K 40, uran U 238 wraz z izotopami promieniotwórczymi szeregu uranowego (np. Ra-226), tor Th 232 wraz z izotopami promieniotwórczymi szeregu torowego. Ponadto wybuchy jądrowe, a także awarie energetyki jądrowej wprowadzają do środowiska cez Cs 134 i Cs 137 (okres półrozpadu około 33 lat). Rozpad promieniotwórczy tych izotopów jest źródłem cząstek alfa i beta oraz promieniowania gamma. Od stężenia radionuklidów w zewnętrznej warstwie skorupy ziemskiej i w materiałach budowlanych zależy moc dawki naturalnego promieniowania γ zarówno na otwartym terenie jak i wewnątrz budynku. W pewnych sytuacjach także stężenie cezu Cs 137 w zastosowanych materiałach budowlanym może stanowić istotny składnik zanieczyszczenia promieniotwórczego mikrośrodowiska mieszkalnego człowieka. W tabeli 1 zaprezentowano przykładowe zakresy stężeń naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w różnych materiałach stosowanych w Polsce (wg ITB). 150

Tabela 1. Zakresy stężeń naturalnych radionuklidów w przykładowych materiałach. Materiały i surowce Stężenie w [Bq/kg]: budowlane: K 40 Ra 226 Th 232 Beton zwykły 115 1099 111 177 7 133 Cegła ceramiczna 629 1243 41 82 37 96 Cegła silikatowa 181,3 37 1,1 Cement hutniczy 666 104 37 Cement portlandzki 92 542 26 70 11 37 Drewno znikome znikome znikome Gips naturalny 89 148 18 22 7 18 Granit 1036 1480 89 111 85 166 Piasek naturalny 262 333 22 82 18 104 Popiół lotny 385 1732 70 610 52 311 Wełna szklana znikome znikome znikome Żużel paleniskowy 226 2221 18 481 22 429 MATERIAŁ KLARKOWY **) 370 26 26 3. WSKAŹNIKI AKTYWNOŚCI Określenie zanieczyszczeń promieniotwórczych w surowcach i materiałach budowlanych polega na wyznaczeniu sumarycznej aktywności występujących w nich radionuklidów oraz pośrednio wielkości emisji gazowego radonu i porównaniu wyników z wymaganiami zawartymi w Instrukcji ITB 234/2003 [1]. Wyznaczenie stężenia naturalnych pierwiastków promieniotwórczych w badanych surowcach i materiałach pozwala na wyliczenie tzw. wskaźników aktywności. Warunkiem stwierdzenia ograniczenia aktywności sumarycznej naturalnych pierwiastków promieniotwórczych, tzn. potasu K-40, radu Ra-226 i toru Th-232 jest ustalona wielkość wskaźnika aktywności f 1, zaś ograniczenia stężenia radu co wiąże się z ekshalacją gazowego radonu wielkość wskaźnika aktywności f 2. W zharmonizowanej z przepisami UE regulacji prawnej [3], wskaźniki aktywności zdefiniowane są zależnościami: f 1 = 0,00033 S K + 0,0033 S Ra + 0,0050 S Th f 2 = S Ra gdzie: S K, S Ra, S Th stężenie potasu, radu i toru w badanych substancjach, 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 dla surowców i materiałów budowlanych stosowanych w budownictwie przeznaczonym na stały pobyt ludzi, a także inwentarza żywego; II. f 1 = 2,0 oraz f 2 = 400 Bq/kg dla odpadów przemysłowych stosowanych w naziemnych obiektach budowlanych na terenach zurbanizowanych, jak również do niwelacji takich terenów; III. f 1 = 3,5 oraz f 2 = 1000 Bq/kg dla odpadów przemysłowych stosowanych w pozostałych naziemnych obiektach budowlanych; **) dla porównania w ostatnim wierszu tabeli zamieszczono także wartości średnich stężeń radionuklidów w skorupie ziemskiej, inaczej mówiąc w materiale budynku klarkowego. 151

IV. f 1 = 7,0 oraz f 2 = 2000 Bq/kg dla odpadów przemysłowych stosowanych w budowlach podziemnych, za wyjątkiem odpadów przemysłowych wykorzystywanych do wypełniania podziemnych wyrobisk kopalnianych. Przy robotach rekultywacyjnych (pkt II i III) zaleca się położenie na górnej powierzchni terenu dodatkowej warstwy innego materiału w celu obniżenia mocy dawki promieniowania przenikliwego, emitowanego przez zastosowane odpady przemysłowe. 4. WYNIKI BADAŃ W związku z przyjmowaniem wartości stężeń pierwiastków promieniotwórczych jako jednego z istotniejszych kryteriów oceny przydatności odpadów hutniczych do stosowania w budownictwie, każdorazowo przeprowadzano badania tychże stężeń. Badania takie można prowadzić przy użyciu aparatury pomiarowej jak na fot. 1 i 2. W tabeli 2 przedstawiono maksymalne wartości w/w stężeń, a także wielkości liczbowe wskaźników aktywności f 1max i f 2max dla wybranych odpadów hutniczych przede wszystkim z terenu Górnego Śląska. Fot.1. Trójkanałowy analizator zanieczyszczeń Fot.2. Wielokanałowy, półprzewodnikowy promieniotwórczych typu AZAR (ITB Warszawa). (AGH analizator zanieczyszczeń promieniotwórczych Kraków). Tabela 2. Promieniotwórczość naturalna wybranych odpadów hutniczych [4], [5], [6]. RODZAJ SUROWCA żużel wielkopiecowy Huta Koszyce [2] żużel kawałkowy Huta 1 Maja Gliwice żużel kawałkowy Huta Łabędy (produkcja) żużel kawałkowy Huta Łabędy (hałda) żużel granulowany Huta Katowice STĘŻENIE RADIONUKLIDÓW wartości max, [Bq/kg] WSKAŹNIKI AKTYWNOŚCI K-40 Ra-226 Th-228 f 1max f 2max [Bq/kg] 94,00 86,40 33,50 0,487 86,40 110,24 50,28 5,53 0,232 50,28 71,42 23,57 1,27 0,109 23,57 62,20 20,40 17,60 0,177 20,40 167,73 110,58 24,74 0,548 110,58 152

osady kolor czarny Huta Katowice osady kolor brązowy Huta Katowice żużel granulowany Huta Częstochowa pył krzemionkowy Huta Łaziska żużel granulowany z pieca szybowego Huta Cynku 143,88 33,08 16,00 0,238 33,08 143,52 26,07 17,99 0,615 26,07 185,10 143,17 29,94 0,689 143,17 287,32 24,92 4,53 0,201 24,92 225,81 147,99 27,29 0,705 147,99 5. PODSUMOWANIE Zastosowanie do celów szeroko pojętego budownictwa materiałów odpadowych występujących na terenie Górnego Śląska w znacznych ilościach, których ciągle jeszcze spore składowiska degradują powierzchnię terenu, leży w interesie tak lokalnego społeczeństwa jak i wielu gałęzi przemysłu. Dotyczy to również hutnictwa żelaza i stali, a także metali nieżelaznych. Nie należy odrzucać możliwości stosowania miejscowych surowców odpadowych, gdyż jak wynika z przedstawionych powyżej wyników badań nie stanowią one istotniejszych zagrożeń radiacyjnych. Należy jedynie każdorazowo stosować wielokryterialne analizy doboru składników. Składniki owe wymagają zastosowania w takich ilościach i przy użyciu takiej technologii, aby końcowy efekt radiacyjny nie przekroczył wartości dopuszczalnych. Mimo odchodzenia w ostatnich latach od wykorzystywania odpadów przemysłowych w budownictwie, ciągle należy pamiętać o potencjalnych możliwościach zastosowania tych surowców, czego chwalebnym przykładem jest przemysł materiałów wiążących, od lat wykorzystujący granulowany żużel wielkopiecowy oraz pył krzemionkowy z produkcji żelazostopów w procesach wytwarzania cementów powszechnego użytku. Bibliografia: 1. Brunarski L. i inni: Instrukcja ITB 234/2003 pt. Badania promieniotwórczości naturalnej surowców i materiałów budowlanych. Warszawa, 2003r. 2. Ďurica T.: Żużel wielkopiecowy z huty Koszyce jako kruszywo do betonu. Cement, Wapno, Gips 7/1991. 3. Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 3.12.2002r. w sprawie wymagań dotyczących zawartości naturalnych izotopów promieniotwórczych w surowcach i materiałach stosowanych w budynkach przeznaczonych na stały pobyt ludzi i inwentarza żywego, a także w odpadach przemysłowych stosowanych w budownictwie, oraz kontroli zawartości tych izotopów. DzU 220, poz. 1850. 4. Rubin J.A.: Technologiczne kształtowanie struktury betonów lekkich kruszywowych z warunku promieniotwórczości naturalnej. Rozprawa doktorska. Politechnika Śląska, Wydział Budownictwa. Gliwice, 2001r. 5. Rubińska-Jonczy B., Rubin J.A.: Promieniotwórczość naturalna odpadów hutniczych stosowanych w budownictwie mieszkaniowym. XII Konferencja Naukowo Techniczna Huty Katowice pt. Problemy ochrony środowiska w hutnictwie na przykładzie Huty Katowice. Rogoźnik, 1992r. 6. Rubińska-Jonczy B., Rubin J.A.: Promieniotwórczość naturalna odpadów przemysłowych stosowanych w budownictwie. Przegląd Budowlany, 2/1994. 153