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.
- Радиоактивность и радононепроницаемость бетона
- Что такое радиоактивность бетона
- В чем измеряется радиоактивность бетона
- От чего зависит радиоактивность бетона
- Как снизить радиоактивность бетона
- Что такое радононепроницаемость бетона
- От чего зависит радононепроницаемость бетона
- Состав и толщина бетона
- Влажность бетона
- Трещиноватость бетона
- Как можно улучшить радононепроницаемость бетона
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.
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:
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 эффективная 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:
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.
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.
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:
- Вяжущее вещество (цемент, гипс, известь и другие)
- Крупный заполнитель (щебень, гравий, керамзит и прочие)
- Мелкий заполнитель (песок, отсев и так далее)
- Вода
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.
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.
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:
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).
Но все перечисленное выше – пока лишь теоретические изыскания, не получившие масштабного применения.
А мы переходим к описанию такого свойства бетона как радононепроницаемость.
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.
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:
- Сначала радон проникает в поры строительной конструкции из материалов, из которых конструкция построена
- 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.
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:
- Цементно-песчаный, толщиной 35 мм
- Цементно-песчаный, толщиной 58 мм
- 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:
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:
- Портландцемент М400
- Гранитный щебень фракций 5-20 мм
Пробы для этого эксперимента брали небольшие, в них практически отсутствовали усадочные трещины.
Результаты отражены вот на таком графике:
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:
- Увеличить толщину железобетонного изделия
- Заполнить трещины гипсовым тестом, штукатуркой или песчано-цементной смесью
- Искусственно заполнить поры и трещины материала продуктами гидратации цемента (это так называемый эффект кольматации)
- Добавлять в материал крупнозернистый кварцевый песок
- Вводить в бетонную смесь баритосодержащие добавки
- Использовать горнблендитовый щебень в роли заполнителя для тяжелых бетонов, а также сидерит и мрамор
- Использовать тонкомолотый доломит в роли минеральной добавки
- Добавлять в бетонную смесь пластифицирующие добавки ЛСТ (лигносульфанат) и суперпластификатор С-3
По некоторым данным, радононепроницаемость бетона, замешанного по этим рекомендациям, способна увеличиться в два раза и более.
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.