Задать вопрос
+7-932-129-43-76
+7-932-129-48-92
Задать вопрос
Быстро и надежно

Радиоактивность и радононепроницаемость бетона

У всех объектов на земле – в том числе и у бетона – есть свой естественный радиационный фон. Он создается двумя излучениями: космическим и природных радионуклидов, которые естественно распределены в земле, воде, воздухе, других элементах биосферы, пищевых продуктах и организме человека. Другое дело, что не всякая радиация действительно представляет опасность для людей – все зависит от ее концентрации.

В этой статье мы подробно поговорим о таких показателях бетона как радиоактивность и радононепроницаемость.

Мы ответим на следующие вопросы:

  • Что такое радиоактивность
  • В чем измеряется этот показатель
  • От чего он зависит
  • Как можно понизить радиоактивность бетона
  • Что такое радононепроницаемость
  • От чего зависит это свойство
  • Как можно улучшить радононепроницаемость бетона

Дальше мы подробно остановимся на каждом пункте.

Также обратите внимание, что в рамках этой статьи мы будем рассматривать не только понятие «радиоактивности», но и «радононепроницаемости» бетона. Несмотря на похожие названия, эти термины обозначают разные характеристики.

Радиоактивность
Прибор для измерения радиоактивности материалов
Прибор для измерения радиоактивности материалов
Атомная электростанция (АЭС)

Что такое радиоактивность бетона

Прежде чем говорить о радиоактивности бетона, давайте разберемся, а что это в принципе за показатель.

Итак, радиоактивность – это способность материалов излучать радиацию. Параметр является одним из основных, отвечающих за безопасность. Он показывает, какое количество удельной эффективной активности естественных радионуклидов содержится в материале. Обозначается характеристика «Аэфф» и измеряется в Бк/кг (Беккерель на килограмм).

Под естественными радионуклидами понимают основные радиоактивные нуклиды (атомные ядра с заданным числом протонов и нейтронов) природного происхождения. К ним относятся радий (Ra), торий (Th), калий (K). Удельная эффективная активность же обозначает суммарную удельную активность естественных радионуклидов в материале, которая определяется с учетом их биологического воздействия на организм человека.

Вычисляется показатель по формуле:

Формула для вычисления удельной эффективной активности естественных радионуклидов

Эта характеристика была открыта французским физиком Антуаном Анри Беккерелем в 1896 году. Поэтому в честь этого ученого и названа единица измерения активности радиоактивного источника в Международной системе единиц (СИ) — Беккерель.

Требования к радиоактивности всех стройматериалов прописаны в ГОСТ 30108-94. Он был принят аж в 1994 году и введен в действие на следующий год. С тех пор требования к радиоактивности не менялись. Этот документ распространяется как на неорганические сыпучие строительные материалы отдельно, так и на изделия из них. К первой группе относятся щебень, гравий, песок, песчано-гравийная и песчано-щебеночная смеси, керамзит, цемент, гипс и другие. Во вторую группу попадают облицовочные плиты, кирпич, стеновые камни и, конечно, бетон.

В государственном стандарте 30108-94 закреплены пределы удельной эффективной активности радия, тория, калия. От их количества зависит возможность применения материалов в той или иной сфере.

Вычисляют характеристику в лаборатории, а также в полевых условиях при помощи специальных приборов – дозиметров, радиометров, спектрометров ионизирующего излучения и других. В результате материалам присваиваются классы. По ГОСТ 30108-94, их четыре. Данные о них вы найдете в таблице.

Класс материалов по радиоактивности Допустимая удельная эффективность активность радионуклидов (Аэфф), Бк/кг Разрешенная область применения
I Менее 370 Все виды строительных, дорожных, ремонтных, декоративных работ (в том числе строительство детских садов, школ, больниц и других муниципальных учреждений, жилых домов, ремонт квартир, производство мебели и так далее)
II 370-740 Дорожное строительство в населенных пунктах и зонах перспективной застройки, строительство производственных зданий и сооружений, заводов и фабрик, возведение инженерных конструкций и так далее
III 740-1500 Только строительство дорог вне населенных пунктов
IV 1500-4000 Материал разрешено применять только по согласованию с Госкомсанэпиднадзором

Для вашего удобства ниже мы разместили эту же таблицу в виде картинки:

Таблица безопасности материалов в зависимости от показателя их радиоактивности

Материалы с Аэфф более 4 000 Бк/кг категорически запрещено использовать в любых работах.

А теперь давайте посмотрим, какие еще документы регулируют требования по радиоактивности бетона, а также изделий и конструкций из этого материала.

Если мы откроем государственные стандарты на бетон (например, ГОСТ 26633-2015 «Бетоны тяжелые и мелкозернистые» и ГОСТ 25820-2021 «Бетоны легкие»), мы прочитаем там, что радиоактивность материалов, которые применяют для приготовления бетонных смесей, не должна превышать предельных значений, установленных ГОСТ 30108 (они даны в таблице выше). Кроме того, Санитарные правила и нормативы СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009» также устанавливают основные пределы доз, допустимые уровни воздействия ионизирующего излучения по ограничению облучения населения в соответствии с Федеральным законом от 9 января 1996 года N 3-ФЗ «О радиационной безопасности населения». Эти документы регулируют требования к радиоактивности строительных материалов (в том числе бетона), которые используются в строящихся и реконструируемых жилых и общественных зданиях. Все материалы, которые добываются на месторождениях, являются побочным продуктом или отходами промышленного производства, а также являются готовой продукцией, должны иметь Аэфф не более 370 Бк/кг.

Радиоактивность обязательно заносится в сопроводительную документацию (сертификат качества) на каждую новую партию бетона.

Отметим еще раз, что показатель в первую очередь влияет на сферы применения бетона, бетонных изделий и конструкций. Чем меньше в материале активных естественных радионуклидов, тем он безопаснее.

Помещение, построенное из бетона
Кашпо из бетона

Дальше мы поговорим о том, в каких еще единицах, помимо Бк, измеряется радиоактивность.

В чем измеряется радиоактивность бетона

Как мы уже отметили выше, показатель радиоактивности принято давать в Беккерелях. Именно это обозначение вы найдете в сертификатах качества и протоколах испытаний на бетон. Эта единица измерения показывает количество распадов за секунду на каждый кг материала. То есть 1 Бк соответствует распаду одного атома за секунду.

Тем не менее, существуют и другие единицы измерения этой характеристики. Так, например, различные радиометры и бытовые дозиметры показывают радиоактивность в МкЗв/час (микрозиверт в час). Поэтому, чтобы не путаться в терминологии, предлагаем коротко разобраться в деталях.

На практике встречаются следующие единицы измерения радиоактивного излучения:

  • Ки (Кюри)
    Она считается внесистемным аналогом Беккереля и определяет активность радионуклидов. Названа единица в честь французских ученых Пьера и Марии Кюри, открывших радий. Активность вещества равна 1 Ки, если в нем каждую секунду происходит 3,7*10¹⁰ радиоактивных распадов. Таким образом, 1 Ки = 3,7*10¹⁰ Бк.
  • Зв (Зиверт)
    Единица получила свое название в честь шведского радиофизика Рольфа Зиверта. Она отражает воздействие излучения на организм. То есть 1 Зв показывает количество энергии, поглощенное 1 кг биологической ткани.
    Внесистемным аналогом Зв является Бэр, который в настоящее время не используется.
  • Гр (Грей)
    Это единица измерения поглощенной дозы – количества энергии, которое было получено при воздействии излучения. Она была названа в честь британского физика Льюиса Грэя – одного из родоначальников радиобиологии. 1 Гр рентгеновского или гамма-излучения, поглощенный 1 кг образца, соответствует эквивалентной дозе в 1 Зв.
    Внесистемным аналогом Гр считается устаревшая единица измерения Рад.
  • Р (Рентген)
    Эта единица получила свое название в честь первооткрывателя рентгеновских лучей – Вильгельма Рентгена. Она показывает дозу облучения рентгеновским или гамма-излучением, которая определяется по их ионизирующему действию на сухой атмосферный воздух. Ведь поскольку энергия, переданная излучением веществу, расходуется на ионизацию, чтобы ее измерить, можно подсчитать число пар ионов, образующихся при облучении.
  • Рд (Резерфорд)
    Это обозначение ранее используемой внесистемной единицы измерения активности радиоактивного источника. Она получила свое название в честь Эрнеста Резерфорда – британского ученого, «отца» ядерной физики. Сейчас эта единица не употребляется.
Дозиметрические приборы, которые выпускаются в настоящее время, позволяют измерять дозу и мощность эквивалентной дозы (в Зв)

Теперь вы знаете, в чем может измеряться радиоактивность. А вот о том, что влияет на этот показатель, мы расскажем в следующем разделе.

От чего зависит радиоактивность бетона

На это свойство бетонной смеси влияет, прежде всего, радиоактивность всех его составляющих. Их показатель, в свою очередь, зависит от места расположения горных пород и глубины залежи.

Основными компонентами бетонной смеси являются:

За радиоактивность партии бетона берется самое высокое значение, замеренное в компонентах смеси. Что это значит? Давайте рассмотрим конкретный пример.

Допустим, мы хотим узнать, какая радиоактивность будет у бетона, который мы замешиваем самостоятельно. Мы заказали все необходимые компоненты в нужном количестве у надежных поставщиков, которые смогли подтвердить качество своей продукции соответствующими сертификатами.

Цифры по радиоактивности в них оказались следующими:

  • У цемента – 88 Бк/кг
  • У гранитного щебня – 233 Бк/кг
  • У песка – 44 Бк/кг

Таким образом, если мы смешаем все эти компоненты вместе, мы получим бетон с радиоактивностью 233 Бк/кг. Он будет относиться к первой, самой безопасной группе материалов.

Справедливости ради отметим, что даже 233 Бк/кг – это достаточно высокий показатель. В реальности цифры по радиоактивности бывают ниже нормы (370 Бк/кг) в 2-10 раз. В нашем же примере большая цифра связана в первую очередь с гранитным щебнем – радиоактивность этого материала часто бывает повышенной. Поэтому, кстати, бетон всегда будет безопаснее, чем, например, плиты из чистого гранита, которые часто используются для облицовки клумб, фонтанов, лестниц и тротуаров в городах.

Кроме того, повышенный показатель радиоактивности наблюдается у пемзы, туфа, графита, шлаков и других материалов. Частично такая ситуация обусловлена вулканическим происхождением некоторых пород. Также загрязнены радиацией бывают глины и мергели. Но справедливости ради отметим, что в среднем осадочные породы менее радиоактивны, чем кислые магматические.

Образец гранитной породы
Образец пемзы
Образец графита

Кроме того, иногда материалы могут быть загрязнены радиацией по вине человека. В первую очередь речь идет о радиационных авариях на химкомбинате «Маяк» в городе Озерск Челябинской области (1957 год) и Чернобыльской атомной электростанции (1986 год). В последнем случае, например, после аварии техногенными радиоактивными элементами были загрязнены огромные площади черноземных почв на территории Украины, а также часть торфяников на юге Беларуси, юго-западе России и в украинском Полесье. Повышенное содержание радиоактивных элементов наблюдалось даже в торфе на территориях Финляндии и Швеции.

Озерский и Кыштымский районы, где 29 сентября 1957 года на производственном объединении «Маяк» взорвалась одна из емкостей с радиоактивными отходами, также до сих пор считаются экологически неблагоприятными.

Предупреждение об ограничении водопользования, которые установили на реке Теча в пределах Челябинской области
ЧАЭС на старых фотографиях

Дальше мы разберем, какими способами можно понизить радиоактивность бетона – и можно ли.

Как снизить радиоактивность бетона

Концентрация естественных радионуклидов при производстве бетона может оставаться неизменной, возрастать или снижаться – все зависит от состава сырья и особенностей технологических процессов. Без использования дополнительных методов снижения содержания естественных радионуклидов их концентрация в составе материала, в основном, не снижается.

Некоторые ученые предпринимают попытки классифицировать методы снижения радиоактивных составляющих в компонентах бетона. Данные об этом мы представили в следующей схеме:

Схема методов снижения радиоактивных составляющих в компонентах бетона

Кроме того, помимо соляной кислоты, в качестве способа снижения радиоактивности предлагается использовать обработку поверхности бетона раствором карбоната натрия, или кальцинированной содой. Ее молярная концентрация должна быть 0,2-0,5 моль/л. Такой раствор – наиболее эффективный дезактивирующий реагент, который обеспечивает извлечение из твердой фазы бетона до 95% содержащегося в нем урана. Хотя стоит отметить, что этот способ, конечно, больше подходит именно для дезактивации, то есть удаления радиоактивных веществ с бетонных поверхностей, которые поверглись сильному радиоактивному загрязнению (например, во время аварии на атомной электростанции).

Другие ученые выделяют иные приемы регулирования активности естественных радионуклидов в минеральном сырье для бетона.

Они называют следующие методы:

  • Декантация кварцевого песка
  • Физико-химические превращения в минеральных фазах при нагревании
  • Распределение радионуклидов при помощи измельчения и фракционирования минерального сырья

Также существуют исследования, которые подтверждают возможность снижения уровня радиоактивности бетонов благодаря добавлению в его состав отсева из карбонатных пород (известняка, кальцита, доломита).

Образец известнякового отсева на белом фоне

Но все перечисленное выше – пока лишь теоретические изыскания, не получившие масштабного применения.

А мы переходим к описанию такого свойства бетона как радононепроницаемость.

Собственное производство бетона и своя лаборатория, а также большой парк техники гарантируют высокое качество продукции и точные сроки поставки
Бетон — производство и доставка
Автобетононасосы — аренда
7 904 179–31–56
Валентин Юрьевич Швец
Директор «БетонСтрой»

Что такое радононепроницаемость бетона

В отличие от радиоактивности, которая показывает, насколько опасен материал с точки зрения радиации, которую он сам излучает, радононепроницаемость – это способность бетона задерживать и не пропускать через себя радиацию, а именно – радиоактивный неметаллический газообразный химический элемент радон (Rn).

Также можно встретить следующие названия этого свойства:

  • Радонопроницаемость
  • Радиопроницаемость
  • Радионепроницаемость
  • Радиационная проницаемость
  • Радиационная непроницаемость

Радон – это тяжелый радиоактивный газ без цвета и запаха, который выделяется при распаде нуклидов. Он тяжелее воздуха в 7,5 раз. А еще он радиотоксичен и канцерогенен.

Химический элемент радон

Радон образуется в процессе природного радиоактивного распада урана, который, в свою очередь, присутствует во всех горных породах и почвах. Поэтому этот газ есть везде.

В квартиры и другие помещения он поступает в два этапа:

  1. Сначала радон проникает в поры строительной конструкции из материалов, из которых конструкция построена
  2. Затем он начинает распространяться через трещины и щели

При этом часть радона распадается и попадает в воздух помещения. Больше всего газа скапливается на первых этажах зданий и в подвальных помещениях. Кроме того, радон способен распространяться на большие расстояния, растворяться в воде, проникать в грунт, различные материалы и конструкции.

Проникновение радона внутрь зданий и жилых помещений

Тем не менее, пугаться этого газа не стоит. Его концентрация в воздухе обычно мала. А регулярное сквозное проветривание помещения и хорошая вентиляция в доме и подвале избавят вас и от крошечных толик страшного газа.

Требования по снижению доз радиоактивного облучения радоном в зданиях закреплены в Федеральном законе от 09.01.1996 N 3-ФЗ (ред. от 11.06.2021) «О радиационной безопасности населения», Нормах радиационной безопасности НРБ-99/2009 (он же СанПиН 2.6.1.2523-09) и Техническом регламенте о безопасности зданий и сооружений. Хотя некоторые ученые сходятся во мнении, что для обеспечения радоновой безопасности необходимо разработать более уточненные методы расчета радиоактивности воздушной среды. Они в свою очередь могут быть созданы на основе физико-математических моделей процессов выделения радона и его поступления в помещение.

Тем не менее, какие-то нормированные методы проектного расчета радонозащитной способности ограждающих конструкций и критерии оценки этого свойства отсутствуют.

От чего зависит радононепроницаемость бетона

В настоящее время не существует четких требований к радононепроницаемости бетона. Ученые до сих пор изучают этот газ и думают, как ограничить его поступление в помещения и что для этого нужно сделать. Поэтому все данные о зависимости радононепроницаемости бетона от других его характеристик, которые мы приведем ниже, носят лишь теоретический характер. Они не закреплены в нормативных документах, не применяются на практике, а существуют лишь в виде отдельных научных исследований и экспериментов. Давайте рассмотрим некоторые из них.

Так, самыми интересными и многообещающими нам показались исследования, утверждающие, что радононепроницаемость бетона зависит от:

  • Его состава и толщины
  • Влажности
  • Трещиноватости

Далее мы коротко скажем о каждом.

Состав и толщина бетона

Одно из утверждений, которое выдвигают ученые, звучит так: «время прохождения радона сквозь образец зависит от его толщины и состава исследуемого материала». Был проведен эксперимент, чтобы подтвердить это положение.

Для анализа были взяты три бетонных образца:

  1. Цементно-песчаный, толщиной 35 мм
  2. Цементно-песчаный, толщиной 58 мм
  3. Классический тяжелый, толщиной 98 мм

В результате эксперимента было выявлено, что через первый образец радон начинает проникать уже через 3,5 часа, во втором случае время прохождения газа возрастает до 8 часов, а в третьем – около 10 часов.

Эти данные наглядно отражены в следующем графике нарастания концентрации радона во времени в приемной камере при прохождении сквозь образцы 1, 2 и 3:

График нарастания концентрации радона во времени в приемной камере при прохождении сквозь образцы

Обратите внимание, что для проведения такого эксперимента необходимо знать не только состав и толщину бетонного образца, но и скорость прохождения радона в каждом конкретном случае. Для этого также проводятся анализы.

Влажность бетона

В этом исследовании был использован материал класса B30 с маркой по водонепроницаемости W4. Его плотность в сухом состоянии – 2255 кг/м3.

Компоненты, использованные для его приготовления:

Пробы для этого эксперимента брали небольшие, в них практически отсутствовали усадочные трещины.

Результаты отражены вот на таком графике:

Зависимость прохождения радона в монолитных пробах бетона от его влажности

На графике видно, как линия, показывающая коэффициент диффузии радона, снижается в зависимости от увеличения влажности бетонных образцов. При этом влажность испытанной пробы определялась как среднее арифметическое значение влажности в начале и конце каждого цикла измерений. Максимальное уменьшение влагосодержания пробы в течение одного измерительного цикла не превышало 2%.

Логически объяснить такое поведение радона просто – и без того немногочисленные поры и трещины в водонасыщенном бетоне заполнены влагой, и поэтому газу просто негде пройти.

Трещиноватость бетона

Об этом параметре также было сказано в предыдущем исследовании.

При изготовлении монолитных бетонных конструкций значительных размеров невозможно избежать образования на их поверхности усадочных трещин. Они появляются из-за быстрого высыхания внешней поверхности свежеуложенного бетона. Разломы могут образовываться и в результате гидратационного нагрева твердеющей смеси. Возникающая при этом температурная деформация материала также может привести к образованию трещин, так как бетон в первые часы после схватывания обладает небольшой прочностью.

Трещины различного характера по-разному влияют на радононепроницаемость конструкции. И чем больше изломов, тем лучше радон проникает внутрь материала, а затем и сквозь него.

Как можно улучшить радононепроницаемость бетона

Все предложения, выдвигаемые учеными, инженерами и строителями, по поводу улучшения радононепроницаемости бетона тоже носят, в основном, теоретический характер. Зачастую они лишь публикуются в различных научных журналах, статьях и диссертациях. Хотя некоторые способы в последнее время начали успешно применяться на практике, доказывая свою эффективность.

Итак, чтобы повысить радононепроницаемость бетона (или понизить его радонопроницаемость), теоретиками предлагается:

По некоторым данным, радононепроницаемость бетона, замешанного по этим рекомендациям, способна увеличиться в два раза и более.

Образец горнблендита с примесями магнетита
Образец кварца

Подведем итог.

Радиоактивность и радононепроницаемость – это две важные характеристики бетона, которые отвечают за его безопасность. При этом под радиоактивностью материала понимается его способность самостоятельно излучать радиацию, тогда как радононепроницаемость – это его умение задерживать и не пропускать через себя опасный газ радон.

Радиоактивность бетона в первую очередь зависит от содержания удельной эффективной активности естественных радионуклидов в его компонентах. На радононепроницаемость материала активнее всего влияют состав бетонной смеси, толщина бетонной конструкции, а также трещины и поры на ее поверхности. Обе характеристики в настоящее время активно изучаются учеными.