Введение к работе
Актуальность. Актуальность темы обусловлена тем, что научную проработку вопроса об основах и методах получения строительных материалов с заданными радиационно-экологическими свойствами нельзя считать завершенной. Эта тема особенно актуальна для местностей с повышенной естественной радиоактивностью минерального сырья.
По результатам зарубежных исследований от 60 до 90 % времени человек проводит внутри помещений. Отсюда становится очевидной главенствующая роль строительной отрасли в ограничении облучения населения природными источниками ионизирующего излучения.
К нормированию природных радионуклидов применяется принцип снижения доз облучения до разумного низкого уровня с учётом экономических и социальных факторов, разработанный МКРЗ.
В помещениях (при отсутствии искусственных источников) человек подвергается воздействию технологически изменённого естественного радиационного фона, обусловленного природными источниками ионизирующего излучения: космическим излучением и естественными (земного происхождения) радионуклидами, содержащимися в грунте, на котором возведено знание, в строительных материалах, из которых изготовлены ограждающие конструкции, а также поступающими в помещения вместе с воздухом, водой и в результате сгорания топлива. Проведёнными исследованиями установлена высокая вариабельность уровня облучения населения от природных источников ионизирующего излучения. Во многих развитых странах мира обнаружены высокие уровни облучения населения в дозах, значительно превышающих допустимые для профессионального облучения вследствие использования строительных материалов с повышенным содержанием (естественных радионуклидов) ЕРН и дочерних продуктов распада радона (ДПР), накапливающихся в воздухе помещений.
Естественные радионуклиды в результате производственной деятельности человека вместе с разнообразными видами минерального сырья извлекаются из недр и поступают в биосферу. Таким образом, формируется техногенно изменённый, обычно усиленный радиационный фон, являющийся дополнительным источником облучения населения. В этой связи особая роль в ограничении облучения населения природными источниками ионизирующего излучения принадлежит промышленности строительных материалов. Прежде всего, это объясняется крупными масштабами строительного производства, связанного с добычей и вовлечением в сферу жизнедеятельности человека естественных сырьевых материалов и отходов промышленных предприятий.
Таким образом, становится очевидным, что уровень облучения населения ЕРН будет зависеть от радиоактивности строительных материалов, изготавливаемых, как правило, из местного минерального сырья, сложившейся практики строительства в стране и климатических особенностей конкретного региона.
Последнее обстоятельство особенно актуально для суровых климатических условий Сибири.
Правильная оценка нагрузок от естественных радионуклидов (ЕРН) позволяет провести сопоставление уровней от естественных и искусственных источников излучения, определить объёмы, направленность и даже целесообразность проведения реабилитационных мероприятий. Кроме того, снижение общей текущей дозовой нагрузки, а следовательно, и вредных последствий облучения может быть более эффективным при реализации мероприятий по снижению облучения природными источниками.
Положительный опыт реализации мероприятий, направленных на снижение облучения населения, убедительно опровергает утверждение о невозможности влияния на уровень облучения, обусловленного природными источниками. Однако в уже законченных строительством зданиях и сооружениях эти мероприятия, как правило, экономически не целесообразны.
В настоящей работе особое внимание уделено установлению и прогнозированию научно-обоснованных радиационно-гигиенических показателей промышленной и строительной продукции.
Работа выполнялась в соответствии с H'1'll «Архитектура и строительство» по теме «Изучение радиационного качества минерального сырья и строительных материалов» в 1995 г., а также по заданию Министерства образования РФ по теме «Исследование и разработка методов прогнозирования радиационных параметров материалов и строительной продукции» в 2002 и 2003 гг., финансирование которых осуществлялось из средств федерального бюджета.
Цель работы. Развитие научных основ и методов получения строительных материалов с заданными радиационно-экологическими свойствами при использовании различных видов минерального сырья.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Произвести радиационно-экологическую оценку минерально-сырьевой базы строительной индустрии Красноярского региона. Изучить распределение содержания естественных радионуклидов и научно обосновать норматив концентрации ЕРН в строительных материалах и конструкциях с учётом конструктивных особенностей строительной продукции для условий Сибири.
-
Выявить основные закономерности распределения мощности дозы гамма-излучения и концентрации радона в зданиях, принятых к строительству в Восточно-Сибирском регионе, и оценить вклад в формирование радиационного фона в помещениях естественной радиоактивности основных видов строительных материалов.
-
Исследовать влияние составов и технологии изготовления строительных материалов на формирование удельной эффективной активности ЕРН, эмани-рующую способность, концентрацию радона и мощность дозы в помещениях.
-
Разработать методологию количественной оценки содержания естественных радионуклидов и эманирующей способности на стадии проектирования строительных смесей.
-
Исследовать влияние состава цементных бетонов и растворов на коэффициент диффузии радона.
-
Выявить особенности кинетики эксхаляции (выхода) радона при твердении цемента и изучить влияние добавок на этот процесс.
-
Исследовать влияние некоторых видов минеральных добавок на эмани-рующую способность цементного камня, бетонов и строительных растворов.
Научная новизна.
1. Проведена радиационно-экологическая оценка минерально-сырьевой
базы строительной индустрии в Красноярском крае и золошлаковых отходов от
сжигания канско-ачинских бурых углей. Установлены особенности радионук-
лидного состава золошлаковых отходов от сжигания бурых углей Канско-
Ачинского бассейна, заключающиеся в пониженном (в 2...4 раза) содержании
40К и преобладании 2 6Ra в формировании удельной эффективной активности.
2. Установлено, что с повышением этажа мощность дозы имеет тенденцию
к увеличению. Это связано, прежде всего, с излучением плит перекрытий, изго
товленных из плотного тяжёлого бетона. Порядка 40 % мощности дозы форми
руется у-излучением, проникающим из соседних помещений через ограждаю
щие конструкции, оконные и дверные проёмы, а основной вклад в мощность
дозы в центре помещения вносят железобетонные плиты перекрытия.
-
Впервые экспериментально установлено, что процесс эманирования, обусловленный радиоактивной отдачей и диффузией атомов радона при гидратации цемента без добавок и с добавкой хлорида кальция, носит экстремальный характер. Максимальное значение этого показателя достигается через 1,3 сут гидратации и почти в 30 раз больше, чем негидратированного цемента. Добавка сахарозы существенно снижает эманирование цементного камня.
-
Установлено, что эманирование цементного, зольного и цементно-зольного камня, несмотря на различие в химико-минералогическом составе, увеличивается в 8... 10 раз. Это обстоятельство обусловлено увеличением длины пробега атомов отдачи радона в гидратированных минералах и изменением положения атомов радия в структуре материалов.
-
Впервые выявлен эффект снижения эманирования цементных композиций. Установлено, что скорость снижения эманирования цементного и зольного камней практически одинакова и отличается от скорости этого процесса, наблюдаемого у бетонов, которая зависит от общего количества вяжущего. Установлено также, что снижение эманирования имеет место в течение трёхлетнего периода наблюдений, а уменьшению эманирования способствует кольматация пор и капилляров продуктами гидратации и карбонизация образцов.
-
Установлена устойчивая корреляционная связь между скоростью изменения концентрации ионов Са2* и SO*' в жидкой фазе цементного теста и скоростью эксхаляции радона. Процесс выделения радона носит неравномерный характер, а изменение эманирования в процессе гидратации цемента без добавок и с различными добавками является характеристикой проницаемости оболочек вокруг цементных зёрен. Эти оболочки не являются абсолютно непроницаемыми для радона и воды, но практически изменяется степень их проницае-
мости. Установлена принципиальная возможность снижения эманирующей способности цементных бетонов и растворов путём ввода золы, сахарозы и микрокремнезёма.
7. Установлено, что выход радона из твердеющих цементных композиций обусловлен кинетикой связывания воды в новообразования. Оба процесса тесно связаны между собой и описываются одним и тем же уравнением с практически одинаковыми кинетическими константами. Таким образом, все ранее установленные закономерности «количество связанной воды (степень гидратации) - свойства вяжущего» могут быть интерпретированы в рамках кинетической модели эксхаляции радона.
Достоверность результатов работы обеспечивалась применением аттестованного и поверенного оборудования, строгим соблюдением стандартов и технических условий на методы испытаний. Доказательность ряда научных положений подтверждена независимыми результатами исследований, сходимостью теоретических и модельных экспериментальных результатов, длительными сроками исследований и испытаний. Основные численные результаты и количественные закономерности получили вероятностную оценку на основании статистической обработки.
Практическое значение. В соответствии с обзорной картой месторождений строительных материалов проведена радиационно-экологическая оценка минерально-сырьевой базы строительной индустрии в Красноярском крае, а также золошлаковых отходов от сжигания канско-ачинских бурых углей. Обоснованы границы доверительных интервалов удельной эффективной активности строительных материалов, а также мощности дозы и концентрации радона в воздухе помещений зданий, законченных строительством в Красноярском крае.
Предложены расчётные формулы, позволяющие осуществлять прогнозирование нормируемых показателей радиоактивности строительных материалов и строительной продукции на стадии проектирования, а также корректно учитывать мощность источников излучения и поступление радона при обследовании зданий и сооружений.
Установлено, что лакокрасочные покрытия при рекомендуемом расходе для общестроительных работ практически не являются препятствием для проникновения радона из стеновых ограждений во внутрь помещения, а основной характеристикой радонозащитных свойств покрытий является способность создавать в сухом состоянии на поверхности бетона слой определённой толщины. Предложена формула для оценки радонозащитных свойств лакокрасочных покрытий. Установлено, что для исследованных видов покрытий толщина слоя, обеспечивающая практически полную задержку радона, составляет 5 пробегов атомов отдачи радона в воздухе или приблизительно 4,4x1 (Им.
Определены реальные значения эманирующей способности различного сырья и строительных материалов, используемых в строительстве в Восточно-Сибирском регионе.
Показана возможность использования эманационного метода для исследования кинетики гидратации портландцемента.
Предложена классификация минерального сырья и строительных материалов по содержанию естественных радионуклидов и удельной эффективной активности.
Разработаны и согласованы с ведущими проектными организациями края «Рекомендации по проектированию систем противорадоновой защиты зданий и сооружений на территории Красноярского края».
Разработан и находится в стадии утверждения и согласования проект ТСН «Радиоэкологическое сопровождение инженерных изысканий для строительства и проектирования жилых общественных и производственных зданий».
Реализация результатов работы.
Результаты работы использованы проектной частью ОАО «Научно-технический прогресс» (г. Красноярск) и «Красноярскгражданпроект» при проектировании радоновой защиты в детском дошкольном учреждении и в жилых зданиях, а также Региональным радиологическим центром при ЦГСН в Красноярском крае в практической работе при обследовании зданий и сооружений. Опубликовано два учебных пособия для студентов строительных вузов. Основные результаты работы включены в учебные курсы «Методы исследования и контроля качества строительных материалов» и «Использование отходов промышленности в производстве строительных материалов» для специальности 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций».
Методология работы основана на фундаментальных положениях физико-химических превращений при формировании строительно-технических свойств материалов и показателей естественной радиоактивности компонентов сложных строительных смесей. Проведение исследований осуществлялось с использованием теоретических и технических разработок известных учёных в области технологии строительных материалов: Ю.М. Баженова, Ю.М. Бутта, А.В. Волженского, Ф.С. Ли, И.Н. Ахвердова, И.И. Курбатовой, М.А. Савинки-ной, В.К. Козловой и исследований естественной радиоактивности И.Е. Старика, Э.М. Крисюка, Л.А. Гулабянца, В.В. Коваленко и др.
В работе использован комплекс структурно-чувствительных методов исследования: ИК-спектроскопия, рентгенофазовый, дифференциально-термический и радиометрический методы.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на международных и региональных конференциях, в том числе: Международной научно-технической конференции «Прогрессивные материалы и технологии для строительства» (Новосибирск, 1994 г.); Международной научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии в производстве строительных материалов» (Новосибирск, 1997 г.); 6-й Международной конференции «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф» (Красноярск, 2001 г.); XYIII региональной научно-технической конференции (Красноярск, 2000 г.); XX региональной на-
учно-технической конференции (Красноярск, 2002 г.); научно-технических конференциях «Материалы, технология, организация строительства» (Новосибирск, 1995 и 1996 гг.); научно-практической конференции «Проблемы экологии и развития городов» (Красноярск, 2000 г.); а также на конференциях «Социальные проблемы инженерной экологии, природопользования и ресурсосбережения» (Красноярск, 1996,2000 и 2002 гг.).
Публикации. Опубликовано более 70 работ, включая четыре авторских свидетельства на изобретения и 13 статей в изданиях, которые входят в перечень рекомендуемых ВАК для докторских диссертаций.
Вклад автора в разработку проблемы. Автором осуществлены: научное обоснование, разработка методик, программ, анализ и обобщение результатов расчётов и экспериментальных исследований; практическая работа по снижению концентрации радона в помещениях; разработка нормативной и технической документации по нормированию естественной радиоактивности материалов и строительной продукции в Красноярском крае.
На защиту выносятся:
статистические исследования и обоснование предельных значений нормируемых радиационно-гигиенических показателей строительных материалов, сырья и строительной продукции в Восточно-Сибирском регионе;
результаты исследований и выявленные особенности содержания естественных радионуклидов в золах, шлаках и золошлаковых отходах от сжигания бурых углей Канско-Ачинского бассейна;
результаты теоретических и экспериментальных исследований по оценке мощности дозы и концентрации радона в воздухе помещений;
результаты исследований эмалирующей способности некоторых видов строительных материалов и сырья, используемых в Красноярском крае;
влияние технологических переделов при производстве строительных материалов на изменение удельной эффективной активности, удельных активностей естественных радионуклидов и эманирующей способности;
составы цементных бетонов и растворов с пониженной эманируюшей способностью;
расчётные формулы и зависимости по прогнозированию радиационных параметров строительных материалов и строительной продукции;
применение эманационного метода при исследовании кинетики гидратации цементных составов и полученные этим методом результаты;
экспериментальные результаты оценки радонозащитных свойств лакокрасочных покрытий;
результаты кластерного анализа и классификация строительных материалов и сырья по средним величинам удельных активностей естественных радионуклидов и удельной эффективной активности;
результаты практической работы по снижению концентрации радона в помещениях, нормативная и техническая документация по нормированию естественной радиоактивности материалов и строительной продукции в Красноярском крае.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 500 страницах машинописного текста, включающего 73 таблицы, 95 рисунков, списка литературы из 264 нименований и четыре приложения на 71 страницах.
