К вопросу обеспечения радиационной безопасности жилищного строительства Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 699.887.3

К ВОПРОСУ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЖИЛИЩНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

А. С. Беликов, д. т. н., проф., О. С. Гупало, инж., Г. Г. Капленко, к. т. н., доц.,

Климова О. М., ст. преп.

Актуальность. С учетом инновационных направлений в строительной индустрии в значительной мере произошли изменения в решении вопросов жилого строительства. Возможность использования новых технологий позволяют повышать комфортность жилья, улучшать дизайн, а главное, понижать теплопотери. Повышение теплотехнических требований к ограждающим конструкциям возводимых и реконструируемых зданий базируется на использовании строительных материалов, одним из основных требований к которым является повышение радиационной безопасности жилья. Актуальным на сегодняшний день есть совершенствование системы управления радиационным качеством жилых зданий на стадии проектирования, строительства и реконструкции.

Изложение основного материала. Естественные радионуклиды горных пород являются ионизирующим источником строительного производства. Формирование этого антропогенного ионизирующего источника происходит на всех этапах строительного производства и заканчивается возведением здания.

Значимость вклада ионизирующих источников строительного производства в величину суммарной эффективной дозы облучения (>70 %) обусловлена, в первую очередь, характером ионизирующих излучений при распаде естественных радионуклидов, содержащихся в них (рис. 1).

Источники ионизирующих излучений строительного производства

Рис. 1. Ионизирующие излучения источников строительного производства

Для защиты от каждого вида ионизирующих излучений радионуклидов необходимо учитывать величины их проникающей и ионизирующей способности, оцениваемые:

- длиной свободного пробега

^ прии, см (м) = f E а(Р), Рсреды) (1)

- коэффициентом ионизации

^ ионпар.ионов = f (Е а(Р)). (2)

Для корпускулярных а- и Р-ионизирующих видов излучений значения параметров составляют I » 11 см (56 мкм - в биотане), I » 1,9 см (7,8 мм) и К иона,пар.ионов = 410-5, К

=51 о-3

ион^пар.ионов ^ .

Гамма-излучение возникает в результате а- и Р-излучений при распаде радионуклидов в процессе перехода их атомов из возбужденного состояния в основное устойчивое. Это электромагнитное излучение близко к рентгеновскому, но с меньшей длиной волны, параметры которого составляют:

I впрт » 100 м и К иону,пар.ионов = 6102

Анализ параметров ионизирующих излучений радионуклидов строительных материалов ограждающих конструкций помещений здания показывает, что они несут, в основном, угрозу внешнего облучения за счет воздействия у-излучений.

Изотопы радона (222Лп, 220Лп) являются продуктами распада изотопов радия (22бЛ, 224Яа), которые содержатся в строительных материалах ограждающих конструкций и подстилающем грунте под зданием. Распад изотопов радона - радиоактивных газов - сопровождается 100% а-излучением. Дочерние продукты распада (ДПР) радона предоставляют твердые вещества, находящиеся в воздухе помещений здания в аэрозольном состоянии, их распад сопровождается а-, Р-, у-излучениями.

Изотопы радона и их ДПР поступают в воздух помещений здания, по средствам органов дыхания в организм человека и несут угрозу внутреннего облучения организма человека.

Радонопоступление из строительных материалов ограждающих конструкций и подстилающего грунта в воздух помещений оценивается по величине скорости эксхаляции (поступления) радона из них дэксхяп, Бк/м2 • с:

^зксх.Яп (AудRn.гр(ок), п Р гр^к^ ^оИп ^диф.гр(ок)) (3)

Непосредственно воздействовать на величины параметров, определяющие дэксх.кп гр(ок) из источников, человек не может, ослабить воздействие радонопоступления из источников в воздух помещений зданий можно только с помощью защитных мероприятий.

Знание характеристик ионизирующих излучений радионуклидов и их различий воздействия на организм человека показывает сложность задач, которые должны быть решены комплексом защитных мероприятий для обеспечения уровня радиационного качества жилья, отвечающего требованиям НРБУ-97.

Строительное производство представляет сложную многоэтапную систему. Механизм управления радиационными свойствами этой системы состоит как в уменьшении параметров ионизирующих источников, так и создаваемого ими радиационного фона в помещениях здания, охватывая все этапы производства.

С учетом назначения строительного производства и сложившейся организационно-технологической структуры ее функционирования, оценка радиационных параметров радионуклидов ионизирующих источников и создаваемого ими радиационного фона в помещениях возводимого здания носит непрогнозируемый и неконтролируемый характер. Снизить степень неопределенности создаваемой радиационной обстановки можно только с помощью защитных мероприятий по уменьшению параметров ионизирующих источников на каждом этапе строительного производства.

Применительно к строительному производству рекомендуемый НРБУ-97 комплекс защитных мероприятий включает нормативно-правовую, технологическую, архитектурно-конструктивную, техническую и организационную группы.

Уровень радиационного качества здания зависит и закладывается в продукцию на каждом этапе производства. С учетом возможности регулирования радиационных параметров строительного производства контролем необходимо охватить все ионизирующие источники производства, определяющие величины внешней и внутренней составляющих эффективной дозы облучения в помещениях здания.

Проведем анализ возможностей применения основных групп комплекса защитных мероприятий по управляемости радиационным качеством на отдельных этапах строительного производства.

Нормативно-правовая группа защитных мероприятий базируется на результатах анализа основных этапов строительного производства и установления взаимных связей регламентируемых радиационных параметров источников ионизирующих излучений производства (Аэф.сс(си), Бк/кг; дэксх.кп гр.(си), Бк/м2,с) и создаваемых ими радиационно-гигиенических параметров в помещениях здания(МПДпом, мкГр/ч, и ЭРОАКппом, Бк/м3).

Для каждого регламентируемого радиационного параметра производства установлен допустимый уровень, величина которого исключает возникновение детерминированных пороговых эффектов, а вероятность беспороговых стохастических эффектов и облучения не должна превышать допустимой величины риска (510-5 - для населения). Контрольные уровни параметра устанавливаются с учетом возможностей защитных мероприятий в отдельных регионах страны.

Установление контрольных уровней регламентируемых радиационных параметров производить возможно только на основе данных систематических радиационных обследований

(СРО), которые позволят реализовать принцип оптимизации НРБУ-97 по обеспечению радиационного качества жилья на базе реализации возможностей региональных защитных мероприятий.

Технологическая группа защитных мероприятий реализуется на этапе изготовления строительных материалов (изделий) и направлена на регулирование их радиационных параметров путем изменения массы применяемых видов строительного сырья (тяжелые, легкие и ячеистые бетоны); влияния температуры в процессе технологического изготовления строительных материалов (изделий) на радоновый параметр - коэффициент эманирования радона пО^С) и др.

Бетон широко используется во всех видах строительства. Это определило правомерное исследование технологического управления радиационными параметрами изготавливаемых бетонных изделий с целью снижения содержания естественных радионуклидов в выпускаемой продукции (Аэф.см.(си), Бк/кг) на основе перевода свойств эквивалентных составов по прочности и удобоукладываемости в трехкритериальную модель с учетом Аэф.бет. Это позволяет на 15-25 % уменьшить Аэф.бет изготавливаемых изделий.

Эманирование радона в материале ионизирующего источника характеризует коэффициент эманирования п, величина которого для первичных материалов составляет от 0,02 до 0,46. Более высокие значения п характерны для вторичных минералов, возникших в горных породах вследствие изменения их физико-химических условий, и могут достигать до 0,9.

Экспериментально определена зависимость коэффициента эманирования от температуры технологического процесса для основных групп строительных материалов (бетонов, керамических изделий) п^гД^С). Наиболее низкие значения п выявлены у материалов, подвергшихся высокотемпературной обработке в процессе технологического производства (табл. 1).

Таблица 1

Величина коэффициента эманирования радона п для сырья и материала, изготавливаемого путем обжига ц=/@°е)

Вид материала п Вид материала 1°с п=^°с )

Глина 0,17 Керамическая плитка для стен 106 0,05

Глина 0,17 Керамическая плитка для пола 1100 0,01

Глина (огнеупорная) 0,13 Кирпич керамический 1250 0,003

Кирпич (сырец) 0,12 Кирпич огнеупорный 1500 0,0027

Установлено, что процесс изменения п в процессе тепловой обработки является необратимым и происходит из-за удаления физически и химически связанной воды и в результате приводит к образованию нового химического минерала.

Возможности технологической группы защитных мероприятий отражают современные виды изготавливаемых строительных изделий (газобетонные блоки и панели из автоклавного ячеистого бетона, пенобетонные блоки, комплексные плиты покрытия, пустотелый силикатный и керамический кирпич и др.), в которых достигнуто уменьшение содержания радионуклидов и радонопоступление из них в воздух помещений зданий.

Архитектурно-конструктивная группа защитных мероприятий включает архитектурно-планировочные и инженерно-конструктивные защитные мероприятия по обеспечению радиационной безопасности зданий, выполняемых на стадии проектирования. Требования заказчика к конструкции здания и нормативной базы по обеспечению радиационной безопасности положены в основу выполнения для проектируемых зданий обязательного раздела «Меры по снижению уровня ионизирующих излучений естественных радионуклидов строительного производства».

От принимаемых конкретных решений по использованию архитектурно-планировочных и инженерно-конструктивных защитных мероприятий, во многом, зависит уровень радиационной безопасности проектируемых зданий.

Величина радонопоступления из подстилающего грунта под зданием в воздух помещений зависит от структуры горных пород на отведенном под строительство земельном участке. Даже

при одинаковых геологических условиях на участках строительства уровень объемной активности радона в воздухе помещений зданий может значительно отличаться, что объясняется отличием принятых архитектурно-планировочных и инженерно-конструктивных решений по обеспечению их радиационной безопасности зданий.

Источниками радонопоступления в воздух помещений зданий являются подстилающий грунт, строительные материалы ограждающих конструкций, коммунальные сети, атмосферный воздух. Именно они определяют основные направления исследований архитектурно-планировочных и инженерно-конструктивных защитных мероприятий.

Разработка архитектурно-планировочных групп защитных мероприятий направлена на:

- установление на пути поступления радона из источников промежуточной среды (вентилируемых цокольных и технических этажей в месте подвалов) и использованием помещений первого этажа для размещения сфер обслуживания с ограниченным временем пребывания людей в них;

- максимальное удаление помещений, рассчитанных на длительное пребывание людей, от мест радоно накопления;

- уменьшение радонопоступления из грунта, несущих и ограждающих конструкций, перекрытий здания в воздух помещений на основе инженерно-конструктивных решений.

Результаты проведенных исследований уровня радоносодержания в воздухе помещений любой квартиры показали, что они могут значительно отличаться по величине. При этом наибольший уровень АуКппом, Бк/м3, характерен для ванной при использовании ее по назначению, а также кухни. Целесообразно при планировке квартиры помещения, рассчитанные на длительное пребывание людей, пространственно удалять от ванной, кухни и лестничных клеток.

При проектировании индивидуальных жилых домов целесообразно использовать помещения цокольного этажа под котельную, мастерскую; первого этажа - как кухню, ванную, туалет и др. Ослабление поступления радона из грунта также достигается уменьшением площади основания здания.

Лестничная клетка здания, не имеющая связи с подвалом и размещенная снаружи внешней стены здания в виде пристройки с вентиляционными проемами, обеспечивает наименьшее радонопоступление из грунта в воздух помещений здания за счет использования пространственной изоляции.

Инженерно-конструктивные защитные мероприятия направлены на уменьшение радонопоступления из грунта; радоновую защиту фундамента здания; радоновую защиту ограждающих конструкций; уменьшение радонопоступления из подвала и др.

Уменьшение радонопоступления из грунта обеспечивается инженерной защитой участка для строительства и укреплением геологической структуры его горных пород путем трамбовки верхних слоев грунта, при необходимости цементацией или силикатизацией основания, запретом на выполнение работ, связанных с нарушением структуры грунтов на участке и др.

Также уменьшение радонопоступления из грунта в воздух помещений здания достигается созданием газового дренажа в его основании, покрытием газонепроницаемым слоем фундамента снизу, экранированием стен подвала, перекрытия и др.

Радоновая защита оснований и фундаментов зданий обеспечивается дренажом радона из грунта путем вывода его в наружный воздух, установлением полиэтиленовой пленки в качестве противорадоного экрана на пути его поступления из грунта, применением битумной обмазки строительных конструкций и др.

Выполнение защитной архитектурно-конструктивной группы мероприятий основано на знании конструктивных данных здания и радиационных параметров ионизирующих источников (Аэф.см, дэксх.ок(гр)), что позволяет определить радиационные параметры в помещениях зданиях (ЭРОАпом, МПДпом) и выбрать необходимые защитные мероприятия по уменьшению их уровня.

Техническая группа защитных мероприятий направлена на уменьшение поступления радона из источников в воздух помещений здания путем установки защитных экранов.

Процесс диффузии радона из грунта и строительных материалов ограждающих конструкций в воздух помещений здания, вызванный различием концентраций радона в них УЛуКп и при условии наличия в данной системе градиента давления ВР, характеризуется плотностью диффузионного потока радона, переносимого в единицу времени через единицу поверхности, ], Бк/м2,с, который определяется по закону Фика:

] = Ьдиф хпа х(УЛУе„ + XVР), (4)

гР (ак) Р

где па - число молекул в 1 см3;

Ьдиф - коэффициент диффузии при наличии только VАуКшр (УР = 0) ,м2/с;

Р - давление воздуха в грунте, Па; КР - бародиффузное отношение; V Р - разность давления воздуха в грунте и в помещении, Па.

Следовательно, скорость эксхаляции радона из ионизирующего источника на пути движения в другую среду - в воздух помещений зданий зависит от параметров Ьдиф, УАуКпгр(ок), УР, на величину которых человек может воздействовать с помощью защитных мероприятий.

Практически радонопоступление из ионизирующих источников (подстилающего грунта под зданием и строительных материалов ограждающих конструкций) в воздух помещений зданий зависит от параметров дЖсх.гр(ок)=/(вдиф, V АуКп V Ргр.-пом). Уменьшить скорость эксхаляции радона из подстилающего грунта (ограждающих конструкций) можно снижением каждого из указанных параметров проведением ряда

технических защитных мероприятий:

- установкой на пути движения радона из источника защитного экрана, коэффициент диффузии материала которого ве>иф.экр должен быть меньше коэффициента диффузии источника

(вдиф.экр < вдиф.гр(ок));

- установкой на пути движения радона из источника промежуточной среды - подпольного пространства с системой вентиляции, что обеспечит (V АуКпподп< V АуКпгр);

- созданием подпора воздуха в помещениях здания по отношению к подстилающему грунту, что позволяет уменьшить V Ргр.пом и величину бародиффузионной составляющей скорости эксхаляции радона из грунта и др.

Поступление радона-222 из источника в воздух помещения здания может быть уменьшено установкой на пути его движения противорадонового защитного экрана (ПЗЭ).

Определение объемной активности радона в воздухе помещения здания Ау^Рп, создаваемое

ионизирующим источником - подстилающим грунтом (Ау^п > АуПоМ ), описывается дифференциальным уравнениям:

¿ауГ = АуГ + (Аугр - Ау"к°;), (5)

^ Т1/2 Кп Тзад

где Т1/2Кп - период полураспада радона-222, равный 3,8 сут=3,3105 с; Тзад - время задержки радона при прохождении через экран, с.

Время задержки прохождения радона через экран Тзад зависит от следующих величин:

dкрр XV,

зад

в х 8

диф.экр экр

где ¿Жр, 8пом - толщина и площадь экрана соответственно, м, м2;

_ экр пом ,

Тзад =-^ , (6)

ипом - объем помещения здания, м ;

вдиф экр - коэффициент диффузии радона в экране, м /с.

С учетом параметра экрана Тзад и постоянной времени данной системы Тс

Тзад Х Т1/2Кп

Т + Т

зад 1/ 2 Кп

решение уравнение (5) позволяет определить объемную активность радона в воздухе

помещения здания АуТ" , Бк/м3:

АУгр ХТ 1

Ауком = х [1 - ехр( —)], (7)

Тзад Т

г

Величина объемной активности радона в воздухе помещения зависит от соотношения -.

г зад

При увеличении времени задержки прохождения радона через экран Тзад от одного Т1/2Кп до

пяти Т1/2Кп объемная активность его в воздухе помещения от поступления из данного ионизирующего источника уменьшится с 0,5 до 0,1 от максимального значения (концентрации его в ионизирующем источнике).

Время задержки прохождения радона через противорадоновый защитный экран (ПЗЭ) практически зависит от величины двух его параметров (форм. б): толщины dэкр и коэффициента диффузии материала экрана вдиф экр .

Материал для изготовления противорадонового защитного экрана должен:

- сохранять свои защитные свойства на весь эксплуатационный срок здания;

- быть по возможности не дорогостоящим;

- технологическая необходимость закладки ПЗЭ в основание здания предъявляет повышенные требования к прочности используемого материала.

Для изготовления ПЗЭ могут применяться строительные материалы с малым коэффициентом диффузии вдиф., м2/с. При этом, чем меньше коэффициент диффузии радона в материале, тем меньше требуемая толщина ПЗЭ.

Величина коэффициента диффузии зависит от величин вдиф = /(Т,Р,Ммол) и изменяется:

г-рЗ/2

- увеличивается с ростом температуры Т ;

- обратно пропорционально давлению Р-1;

- с увеличением молекулярной массы диффузионной среды уменьшается.

Диапазон измерения коэффициента диффузии радона-222 составляет от 110-10 м2/с для полимерных материалах до 1,310-5 м2/с в воздухе.

Противорадоновый защитный экран изготавливают также из строительных материалов с малой пористостью.

В наибольшей мере для изготовления ПЗЭ подходит бетон с гравием. Однако при этом требуется значительная толщина dэкр бетонной продукции (около 1 м), чтобы обеспечить выполнение условия по уменьшению радонопоступления из подстилающего грунта. Для уменьшения необходимой толщины бетонной подушки, выступающей в качестве первичной противорадоновой защиты, используется покрытие ее внутренней поверхности материалами, образующими газонепроницаемые пленки.

К недостаткам ПЗЭ, изготавливаемых на основе строительных материалов, следует отнести большие затраты материалов, высокую стоимость работ, недостаточную надежность сохранения защитных противорадоновых свойств на весь срок эксплуатации здания. В ряде случаев (сейсмоопасные территории) технологически требуется закладка в основание здания бетонной подушки, которая одновременно должна выполнять роль ПЗЭ по уменьшению радонопоступления из подстилающего грунта в воздух помещений здания.

Более целесообразно для изготовления ПЗЭ использовать полимерные материалы, которые имеют высокую молекулярную массу от сотен единиц, что определяет малую величину их коэффициента диффузии (вдиф <110-10 м2/с).

В наибольшей мере требованиям, предъявляемым к ПЗЭ, которые закладывают в основание здания, удовлетворяет полиэтилен. Коэффициент диффузии полимерных материалов, применяемых для изготовления ПЗЭ, не превышает вдиф. £ 110-10 м2/с.

Организационная группа защитных мероприятий обеспечивает решение задачи управления уровнем радиационной безопасности зданий на стадии проектирования и возведения ведомственных лабораторий радиационного контроля строительного производства 1-го ранга при региональных центрах радиационных измерений и мониторинга (РЦРИМ).

Лаборатория должна постоянно выполнять большой объем подготовительных работ, которые обеспечивают получение необходимой информации о радиационных параметрах ионизирующих источников; используемых видах строительного сырья и материалов; изготавливаемых строительных изделиях (конструкциях); земляных участков, выделенных под строительство.

Вывод. Анализ полученных данных о радиационных параметрах производства в ходе выполнения систематических радиационных обследований, при контроле экспериментальных исследований, показал место и возможности каждой группы комплекса защитных мероприятий

по снижению уровня неконтролируемости и непрогнозируемости информации для решения задачи обеспечения радиационного качества на стадии проектирования и возведения здания (табл. 2).

Таблица 2

Оценка возможностей управления каждой группой защитных мероприятий обеспечения радиационного качества зданий при проектировании

Методы Снижение неконтролируемости по

Группы комплекса получения обеспечению радиационного качества

защитных мероприятий необходимых здания данной группой защитных

данных мероприятий, %

Нормативно-правовая СРО, ЭИ до 10-15

Технологическая ЭИ, РЭМ до 20

Архитектурно -конструктивная РЭМ, ЭИ, СРО до 30

Техническая ЭИ, СРО до 50

Организационная СРО, ЭИ до 40

Примечание. Вид контроля: - систематические радиационные обследования (СРО);

- экспериментальные исследования (ЭИ); -расчетно-экспериментальный метод (РЭМ)

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Нормы радиационной безопасности Украины / НРБУ-97.- Киев: МОЗ. - 1997. - 121 с.

2. Система норм и правил снижения уровня ионизирующих излучений естественных радионуклидов в строительстве. Радиационный контроль строительных материалов и объектов строительства / Пособие к ДБН В.1.4-(0,01-2,01)-97. - Киев: Госкомградстроительства. - 1997. - 100 с.

3. Соколов И. А., Запрудин В. Ф., Беликов В. С., Савицкий Н. В., Пилипенко А. В./ Радиационное качество жилых зданий и пути его обеспечения. Учебник для студентов высших учебных заведений образования Украины/Под ред. Д.т.н. Соколова И.А. -Днепропетровск, 2007. - 279с.

4. Гупало О. С. Оценка радиоактивности строительного материала - газобетона / О.С.Гупало, В.А. Мартиненко, В.Ф.Запрудин //Строительство, материаловедение, машиностроение. -Дн-ск, 2008. - Вып.. 47. - С. 66-73

УДК 699.887.3

К вопросу обеспечения радиационной безопасности жилищного строительства /А. С. Беликов, О. С. Гупало, Г. Г. Капленко, О. М. Климова //Вкник ПридншровськоТ державноТ академн будiвництва та арх^ектури. - Дншропетровськ: ПДАБА, 2009. - № 1. -С. 39 - 45. - рис. 1. - табл. 2. - Бiблiогр.: (4 назв.).

Совершенствование системы управления радиационным качеством жилых зданий на стадии проектирования, строительства и реконструкции позволяет значительно снизить уровень неконтролируемости радиационной обстановки, создаваемой ионизирующими источниками (от 50 до 10 %).