ОГРАНИЧЕНИЕ ПОСТУПЛЕНИЯ РАДОНА ИЗ ГРУНТА В ЗДАНИЕ ПОСРЕДСТВОМ ТЕХНОЛОГИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 699.887

DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-62-66

И.Л. ШУБИН1, член-корр. РААСН, д-р техн. наук, директор (niisf@niisf.ru);

Н.В. БАКАЕВА2, д-р техн. наук (natbak@mail.ru); А.В. КАЛАЙДО1, канд. техн. наук,

А.В. СКРИННИКОВА2, магистр

1 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный пр., 21)

2 Юго-Западный государственный университет (305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94)

Ограничение поступления радона из грунта в здание

посредством технологий строительства

Радон и дочерние продукты его распада формируют большую часть годовой индивидуальной дозы облучения населения в странах с умеренным климатом, при этом практически весь радон поступает в здание из грунта в его основании. Современные технологии строительства позволяют обеспечивать радоновую безопасность жилых и общественных зданий на грунтах с различным содержанием радия. Однако на данный момент не до конца исследованы закономерности переноса радона в грунте и в материалах конструкций, а потому отсутствуют надежные методы проектного расчета радонозащитной способности подземных ограждающих конструкций. Следствием этого становится введение в эксплуатацию зданий с избыточными или недостаточными радонозащитными характеристиками, что приводит к неоправданным расходам на строительство или реконструкцию. В статье предложен подход к обеспечению приемлемых уровней радона в помещениях, основанный на определении требуемого сопротивления радонопроницанию горизонтальных подземных ограждающих конструкций по физико-механическим характеристикам грунта на участке планируемого строительства.

Ключевые слова: радон, грунт, здание, помещение, почвенный воздух, сопротивление радонопроницанию, дочерние продукты распада, ограждающая конструкция.

Для цитирования: Шубин И.Л., Бакаева Н.В., Калайдо А.В., Скринникова А.В. Ограничение поступления радона из грунта в здание посредством технологий строительства // Строительные материалы. 2019. № 6. С. 62-66. 00!: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-62-66

I.L. SHUBIN1, Corresponding Member of RAACS, Doctor of Sciences (Engineering), Director(shuig@mail.ru);

N.V. BAKAEVA2, Doctor of Sciences (Engineering) (natbak@mail.ru); A.V. KALAYDO1, Candidate of Sciences (Engineering), A.V. SKRYNNIKOVA2, Master

1 Research Institute of Building Physics of RAACS (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation)

2 Southwest State University (94, 50-let Oktyabrya Street, Kursk, 305040, Russian Federation)

Limitation of Radon Inflow from the Soil into the Building due to Construction Technologies

Radon and its progenies form a large part of the annual individual radiation dose of the population in countries with a temperate climate, at this practically almost all radon enters the building from the soil at its base. Modern construction technologies make it possible to ensure the radon safety of residential and public buildings according to the soils with different radium contents. However, the laws of radon transfer in the soil and construction materials are not fully understood now. Therefore there are no reliable methods for the design calculation of radon-protective ability of the underground enclosing structures. As a result, the buildings with excessive or insufficient radon-protection characteristics take into exploitation, which leads to an unjustified increase in costs for construction and reconstruction. The paper proposes an approach to ensuring acceptable radon levels in rooms based on determining the required resistance of horizontal underground enclosing structures to radon penetration according to the physical and mechanical characteristics of the soil on the planned construction site.

Keywords: radon, soil, building, room, soil air, resistance to radon penetration, progeny, enclosing structure.

For citation: Shubin I.L., Bakaeva N.V., Kalaydo A.V., Skrynnikova A.V. Limitation of radon inflow from the soil into the building due to construction technologies. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2019. No. 6, pp. 62-66. (In Russian). DOI: https://doi.org/10.31659/0585-430X-2019-771-6-62-66

Обеспечение радоновой безопасности жилых и общественных зданий представляет достаточно новое, а потому не до конца разработанное направление строительной физики. Старт исследованиям в данной области положен обнаружением в начале 1970-х гг. высоких концентраций радона в домах штата Флорида, США [1], построенных на богатых радием фосфатных грунтах и на участках, загрязненных отходами переработки урана. Практически в то же время были установлены ураганные концентрации радона (до миллиона Бк/м3) в помещениях сразу трех Скандинавских стран — Норвегии, Швеции и

Финляндии. Причиной столь аномальных уровней радона был признан выход на поверхность богатых ураном гранитов и высокопроницаемых мореновых и озолитовых рыхлых отложений [2].

В результате исследования этих аномалий сформировалась первая парадигма обеспечения радоновой безопасности зданий: повышенное облучение радоном в зданиях возможно на ограниченных территориях, образованных ураноносными грунтами, которые легко обнаруживаются посредством у-мониторинга. При этом сам радон не является проблемой государственного масштаба ввиду незначи-

62

июнь 2019

тельного процента населения, проживающего в таких условиях. Эффективность реконструкции грунтового основания и применения барьеров на радоноопасных территориях утвердили диффузионную модель переноса радона из грунта в воздух помещений нижнего этажа. А поскольку источники диффузии радона имеют практически постоянную мощность, то было принято, что среднегодовая концентрация в зданиях может быть оценена по результатам одного краткосрочного измерения.

Ситуация изменилась коренным образом в конце 1970-х гг., когда в ряде канадских городов были выявлены дома с концентрацией радона 750 Бк/м3 в отсутствие близко расположенных источников радия высокой мощности [1]. Фактическая скорость поступления радона в эти дома в десятки раз превышала предсказываемую диффузионной моделью и испытывала значительные временные вариации. Это привело к разработке конвективной модели, согласно которой главную роль в формировании радоновой ситуации в здании играет не мощность источника, а объем грунта, из которого радон способен поступать в помещения. Движущей силой переноса радона в таких условиях является разность давлений внутри/ снаружи помещения, вызванная изменением атмосферных параметров.

Изменение парадигмы имело сразу два важных последствия для строительной отрасли. Во-первых, даже почвы с невысоким содержанием радия (до 40 Бк/кг) способны обеспечивать высокие уровни радона в помещениях нижнего этажа, а гамма-спектрометрический анализ уже не выявляет потенциально радоноопасные участки. Во-вторых, поступление радона в здания управляется параметрами, находящимися в постоянном изменении, а потому имеет переменный характер и требует долгосрочных измерений для оценки среднегодового (сезонного) значения.

Новая парадигма дала импульс радоновым исследованиям во всех развитых странах, поскольку теперь радоноопасные здания могли присутствовать на любых территориях. Тот факт, что такие здания не были обнаружены повсюду, не только поставил под сомнение универсальность конвективной модели поступления радона в здания, но и указал на необходимость определенных условий для формирования высоких уровней радона в воздухе помещений. Стало очевидно, что определение таких условий позволит идентифицировать радоноопасные районы еще до начала строительства по результатам исследования характеристик грунта.

Поиск сочетания параметров грунта, обеспечивающих поступление больших объемов радона в здания, ознаменовал собой заключительную фазу исследования радоновой проблемы — картирование территорий. В той или иной степени исследования потенциальной радоноопасности территорий проведены во всех странах Европы. Однако отсутствие установившейся точки зрения на механизм переноса

радона в пористых средах не позволяет на данный момент сформировать единый подход к оценке потенциальной радоноопасности.

В Чехии и Германии построение карт радоно-опасности производится исключительно на основе геологической информации. На основании анализа геологических карт определяются границы исследуемых участков, а показатель их радоноопасности определяется по результатам измерения объемной активности радона в почвенном воздухе, удельной активности радия в грунте и воздухопроницаемости самого грунта. Недостатком такого подхода можно считать исключение из рассмотрения всех факторов негеологической природы, также существенно влияющих на процесс накопления радона в помещениях.

Подавляющее большинство европейских стран производит оценку радоноопасности территории по результатам измерения концентрации радона в существующих зданиях, а разбиение территории на участки осуществляется по административному принципу. Хотя активность радона в помещении является единственным критерием радоноопасности данного здания, разнообразие конструкций пола и непостоянство геофизических характеристик грунта не гарантируют подобной радоновой обстановки для других зданий. Многократно отмечены случаи, когда в соседних зданиях уровни радона отличались в десять и более раз.

Ряд стран наряду с измерением активности радона в помещениях использует дополнительные признаки радоноопасности. Так, в Греции при картировании территорий учитываются результаты измерений объемной активности радона в почвенном воздухе и содержание радия в грунте. В Финляндии прогноз радоноопасности строится на основе классификации оснований зданий, уровней радона в них, а определение границ участков выполняется при помощи геологических карт. В Испании также используются геологические карты, с которыми соотносится карта естественного радиационного фона, а в Швеции на карты мощности гамма-излучения накладываются результаты измерения уровня радона в грунте [3].

В Российской Федерации установлен собственный критерий радоноопасности территории планируемого строительства — плотность потока радона (ППР) с поверхности грунта [4]. Считалось, что при значениях ППР менее 80 мБк/(м2с) в помещениях нижнего этажа гарантированно будет соблюден национальный контрольный уровень по радону — 100 Бк/м3. Однако длительные исследования закономерностей формирования величины ППР, ее пространственных и временных вариаций показали нецелесообразность и неэффективность использования ППР в качестве критерия потенциальной радоноопасности участка планируемого строительства. Таким образом, в РФ на данный момент законодательно закреплен неработающий критерий

j'^J ®

июнь 2019

63

оценки радоноопасности территории, наличие которого только сдерживает развитие методов прогнозирования радоновой ситуации в строящихся зданиях. Необходимость отказа от использования ППР при оценке территорий очевидна и аргументированно обоснована в работах Л.А. Гулабянца, П.С. Микляева и ряда других отечественных ученых [5-9].

Обоснование стратегии обеспечения радоновой безопасности зданий на стадии их проектирования должно строиться на понимании того факта, что, используя исключительно геофизические характеристики грунта или особенности конструкции здания, невозможно корректно прогнозировать будущие уровни радона. Процесс переноса и накопления радона происходит в системе сред «грунт-здание», не допускающей исключения из рассмотрения ни одной из подсистем. Накопленный же к настоящему времени обширный экспериментальный материал позволяет принять за основу следующие положения:

- грунт в основании здания является основным источником радона в воздухе помещений нижнего этажа [10-11];

— интенсивность поступления радона в здание зависит от целого ряда факторов различной природы, но главным из них является геометрия основания [12].

Из сказанного выше следует, что геофизические характеристики грунта могут выступать исходными параметрами при проектировании основания здания. Это должны быть маловариабельные величины, измерение которых не представляет сложности в лабораторных условиях. По мнению авторов, нагрузка на подземные ограждающие конструкции может быть принята равной радоновому потенциалу грунта, определяемому по формуле:

Рцп ~ ^ЯаРк

(1)

где Сйа — удельная активность радия в грунте, Бк/кг; р — плотность грунта, кг/м3; кэм — коэффициент эма-нирования радона.

Удельная активность радия и коэффициент эма-нирования радона грунтом могут быть определены гамма-спектрометрическим методом, отбор проб для исследования целесообразно производить на глубине заложения подошвы фундамента после отрывки котлована.

Выражение (1) справедливо в предположении диффузионного характера переноса радона к подземным ограждающим конструкциям. Считается, что при проницаемости почвы выше 10-12 м2 конвективный перенос начинает играть существенную роль, однако данное предположение требует экспериментальной проверки.

Зная радоновую нагрузку, следует установить эквивалентную равновесную объемную активность (ЭРОА) радона в помещении после введения здания в эксплуатацию. Существующий гигиенический

норматив в 100 Бк/м3 не устанавливает безопасной дозы облучения, а лишь указывает на недопустимость его превышения. К тому же в процессе эксплуатации здания он может быть ужесточен по мере совершенствования радонозащитных технологий. Поэтому, на наш взгляд, при проектировании здания целесообразно задавать величину ЭРОА в 40 Бк/м3 для лечебных учреждений и учреждений дошкольного и начального образования и 60 Бк/м3 — для остальных зданий с длительным пребыванием людей.

Требуемая величина ЭРОА в здании после его возведения и нагрузка на подземные ограждающие конструкции однозначно определяют предельную допустимую плотность потока радона из грунта через граничащую с ним конструкцию пола:

Чп

--ЭРОА

У-Х Sn■F,

(2)

где Бп — площадь граничащей с грунтом конструкции пола, м2; X = 2,110-6 с-1 — постоянная распада радона; ¥ — коэффициент сдвига радиоактивного равновесия; V — объем помещения, м3.

Наибольшие уровни радона имеют место в плохо проветриваемых помещениях нижнего этажа здания, поэтому в (2) сознательно опущен член, описывающий воздухообмен в рассматриваемом помещении.

Считая отношение V/S »3 м и полагая для значений ЭРОА в диапазоне 40—60 к/м3 получаем величину плотности потока радона через граничащую с грунтом горизонтальную ограждающую конструкцию в интервале 0,25—0,40 мБк/(м2с).

При известных <?„ и Р^ может быть найдено требуемое сопротивление радонопроницанию конструкции пола Л:

Я =

_ гЯп

Чп

(3)

Радоновый потенциал грунта представляет собой максимально возможную концентрацию радона в почвенном воздухе, которая устанавливается на глубине от 3 до 10 м. Обычно его величина лежит в пределах от 10 до 50 кБк/м3 (диапазон средних значений), но нередки и значения объемной активности в 1—2 МБк/м3 [9]. Поэтому требуемое сопротивление радонопроницанию подземных ограждающих конструкций находится в пределах от 4106 до 8-109 с/м.

Обеспечение изменения сопротивления радоно-проницанию в три порядка одной конструкцией фундамента проблематично и нецелесообразно. Поэтому в зависимости от величины радоновой нагрузки на подземную оболочку здания возможны несколько схем реализации конструкции пола. Простейшей из них является железобетонная плита в основании здания, сопротивление радонопроница-нию которой определяется формулой:

Я-

1

научно-технический и производственный журнал ~64 июнь 2019

Н, м

б

Н, м

0,75 0,5 0,25 0

1,8 1,6 1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0

1 2 3 4

Сопротивление радонопроницанию, R■ 107 с/м

20 40 60 80

Радоновый потенциал грунта PRn, 10 кБк/м3

Рис. 1. Зависимость толщины плиты фундамента Н от требуемого сопротивления радонопроницанию Я (а) и радонового потенциала грунта (б): 1 - О, = 0,510-7 м2/с; 2 - D2 = 1-Ю-7 м2/с; 3 - D3 = 2-Ю-7 м2/с

Н, мм

H = ЩЛ^О + JR2XD +1).

(5)

Из рис. 1 видно, что обеспечение значений сопротивления радонопроницанию конструкции пола при R >107 с/м требует значительной толщины плиты основания. При проектировании здания эта толщина определяется из соображений несущей способности и ее увеличение с целью повышения радонозащит-ных характеристик здания неоправданно. Для сни-

жения материалоемкости строительства при высоких значениях радонового потенциала грунта следует использовать в конструкции пола два слоя с высоким сопротивлением радонопроницанию — железобетонную плиту основания и слой гидрогазоизоляции [13]. Суммарное сопротивление радонопроницанию двуслойной конструкции с достаточной точностью описывается соотношением:

R=

+

■sh\hVAif\ch(h2-J^-

л/Щ

(6)

2 4 6 8 10

Сопротивление радонопроницанию, Я. 107 с/м

Рис. 2. Зависимость толщины слоя гидрогазоизоляционного материала Н от требуемого сопротивления радонопроницанию Я

где Н — толщина фундаментной плиты, м; D — коэффициент диффузии радона в материале плиты, м2/с.

На рис. 1 показана зависимость толщины плиты Н от требуемого сопротивления радонопроница-нию R и радонового потенциала грунта при трех значениях коэффициента диффузии радона в бетоне.

При построении приведенных выше зависимостей величина Н была получена из выражения (4) в виде:

где h1 и h2 — толщины слоев бетона и гидрогазоизоляции, м; D1 и D2 — коэффициенты диффузии радона в материалах слоев, м2/с.

На рис. 2 показана зависимость сопротивления радонопроницанию газоизоляционного битумно-полимерного слоя от его толщины (коэффициент диффузии радона D = 910-11 м2/с).

Из рис. 2 видно, что битумно-полимерный ги-дро-газоизоляционный слой обеспечивает сопротивление радонопроницанию R вплоть до 108 с/м при в диапазоне технологически реализуемых толщин. При необходимости получения большего значения величины R толщина фундаментной плиты должна определяться из уравнения (6) при максимально возможной толщине гидрогазоизоляцион-ного слоя.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод, что эффективное ограничение уровней радона в помещениях возможно только посредством строительных технологий. При этом радонобезопасность здания может быть обеспечена практически на любой территории при условии рационального проектирования подземных ограждающих конструкций и использования при их производстве материалов с высоким сопротивлением радоно-проницанию.

а

(J научно-технический и производственный журнал

ÙJ ® июнь 2019 65

Список литературы

1. Scott A.G. Modeling radon sources and ingress. The 1993 International Radon Conference. 1993. Vol. IV, pp. 66-74.

2. Sundal A.V., Jensen C.L., Anestad K., Strand T. Anomalously high radon concentrations in dwellings located on permeable glacial sediments // Radiol Prot. 2007. No. 27, pp. 1-12.

3. Synnott H., Fenton D. An Evaluation of Radon Mapping. Techniques in Europe.Radiological Protection Institute of Ireland. 2005. 27 p.

4. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99): Гигиенические нормативы СП 2.6.1.758-99. М.: Центр санитарно-эпидемиологического нормирования гигиенической сертификации и экспертизы Минздрава России, 1999. 116 с.

5. Гулабянц Л.А. Казусы нормативно-методического обеспечения радиационной безопасности зданий // Жилищное строительство. 2010. № 5. С. 63.

6. Гулабянц Л.А. Принцип построения новых норм проектирования противорадоновой защиты зданий // Academia. Архитектура и строительство. 2009. № 5. С. 461-467.

7. Микляев П.С., Петрова Т.Б., Дорожко А.Л., Макеев В.М. Принципы оценки потенциальной радоноопасности территорий на предпроектных этапах строительства. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. 2012. С. 350-355.

8. Микляев П.С., Петрова Т.Б. Проблемы оценки и картирования геогенного радонового потенциала. Материалы X Международной научно-практической конференции по проблемам снижения природных опасностей и рисков. 2018. С. 87-92.

9. Микляев П.С. «ЧТО ДЕЛАТЬ?» или «радоновый кризис» в радиационных изысканиях // АНРИ: Аппаратура и новости радиационных измерений. 2005. № 3 (42). С. 60-64.

10. Jelle B.P. Development of model for radon concentration in indoor air // Science of the Total Environment. 2012. № 416, pp. 343-350.

11. Ярмошенко И.В. Радон как фактор облучения населения России // Биосферная совместимость: человек, регион, технологии. 2017. № 2 (18). С. 108-116.

12. Wang F., Ward I.C. The development of a radon entry model for a house with a cellar // Building and Environment. 2000. № 35, рр. 615-631.

13. Гулабянц Л.А. Пособие по проектированию про-тиворадоновой защиты жилых и общественных зданий. М.: ФЭН-НАУКА, 2013. 52 с.

References

1. Scott A.G. Modeling radon sources and ingress. The 1993 International Radon Conference. 1993. Vol. IV, pp. 66-74.

2. Sundal A.V., Jensen C.L., Ânestad K., Strand T. Anomalously high radon concentrations in dwellings located on permeable glacial sediments. Radiol Prot. 2007. No. 27, pp. 1-12.

3. Synnott H., Fenton D. An Evaluation of Radon Mapping. Techniques in Europe. Radiological Protection Institute of Ireland. 2005. 27 p.

4. Radiation Safety Standards (NRB-99): Hygienic standards SP 2.6.1.758-99. Moscow: Center for sanitary and epidemiological regulation of hygienic certification and expertise of the Ministry of Health of Russia. 1999. 116 p.

5. Gulabiants L.A. Incidents of regulatory and methodological support of radiation safety of buildings. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2010. No. 5, pp. 63. (In Russian).

6. Gulabiants L.A. The principle of the new design standards development for buildings anti-radon protection. Academia. Arkhitektura istroitel'stvo. 2009. No. 5, pp. 461-467. (In Russian).

7. Miklyaev P.S., Petrova T.B., Dorozhko A.L., Makeev V.M. Principles for assessing the potential radon danger of territories at the pre-design construction stages. Materials of the annual session of the RAS Scientific Council on the problems of geo-ecology, engineering geology and hydrogeology. 2012, pp. 350-355.

8. Miklyaev P.S., Petrova T.B. Problems of assessment and mapping of geogenic radon potential. Materials of the X International Scientific and Practical Conference on the reduction of natural hazards and risks. 2018, pp. 87-92.

9. Miklyaev P.S. "WHAT TO DO?" Or "radon crisis" in radiation surveys. ANRI: Instruments and Radiation Measurement News. 2005. No. 3(42), pp. 60-64. (In Russian).

10. Jelle B.P. Development of model for radon concentration in indoor air. Science of the Total Environment. 2012. No. 416, pp. 343-350.

11. Yarmoshenko I.V. Radon as a factor of irradiation of the Russia population. Biosfernaya sovmestimost': chelovek, region, tekhnologii. 2017. No. 2(18), pp. 108-116. (In Russian).

12. Wang F., Ward I.C. The development of a radon entry model for a house with a cellar. Building and Environment. 2000. No. 35, pp. 615-631.

13. Gulabiants L.A. Posobie po proektirovaniyu protivo-radonovoi zashchity zhilykh i obshchestvennykh zda-nii [Manual on the design of antiradon protection of residential and public buildings]. Moscow: FAN-NAUKA, 2013. 52 p.

66

июнь 2019