CC BY
13Научно-технический и производственный журнал
Экологическое строительство
УДК 621.45.038.77
Л.А. ГУЛАБЯНЦ, д-р техн. наук, Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН(НИИСФ РААСН) (Москва)
Противорадоновая защита жилых и общественных зданий
(Пособие по проектированию, проект)
Часть II [1]
Показаны основные механизмы и закономерности переноса радона в грунтовом основании и ограждающих конструкциях здания. Приведены формулы для определения радонового потенциала грунта, поступлений радона от внутренних поверхностей ограждающих конструкций в здание и активности радона в воздухе внутри помещений. Даны принципы осуществления противорадоновой защиты.
Ключевые слова: перенос радона, диффузия, конвекция, радоновый потенциал грунта, признаки радоно-опасности, данные для расчета, противорадоновая защита.
Механизмы и закономерности переноса радона
Образующийся в земной коре радон под действием различных сил перемещается в чистом виде или в составе смеси грунтовых газов. Перемещение происходит при наличии градиента концентрации радона в грунтовом газе и (или) градиента его давления (напора). В первом случае развивается процесс диффузионного переноса, во втором - конвективного (перенос газа в газе) или фильтрационного (перенос газа в пористой среде). Диффузия подразумевает перенос атомов или молекул вещества, обусловленный их внутренней энергией, конвекция (фильтрация) - перенос макромассы вещества, обусловленный внешними силами. Действие первого механизма подчиняется закону Фика, второго - закону Дарси. Употребляемые в литературе термины «эффузия» (медленное истечение газа через малые отверстия), «адвекция» (перенос в горизонтальном направлении) и т. п. соответствуют частным случаям действия этих механизмов.
На наиболее заселенных, равнинных территориях России составляющие основания зданий грунты, как правило, представлены самоуплотнившимися, дисперсными глинисто-песчаными осадочными породами. В них крупные воздушные полости и значимые перепады давления, необходимые для развития конвективно-фильтрационных процессов, отсутствуют. При таких условиях доминирующим, постоянно действующим механизмом переноса радона является молекулярная диффузия.
Конвективно-фильтрационный перенос смеси содержащих радон почвенных газов может превалировать над диффузионным в случаях:
- выхода близко к основанию здания трещиноватых горных пород, обладающих коллекторными свойствами;
- расположения участка застройки в зоне активной текущей микрогеодинамики и, как следствие, изменения во времени поля давления в массиве грунтов, залегающих в основании здания.
Процесс переноса радона в грунтах в значительной мере определяется их влажностным состоянием. Водона-
сыщенные пласты грунта для радона практически непроницаемы. Радонопроницаемость при изменении влажностно-го состояния грунта от сухого до водонасыщенного уменьшается на несколько порядков.
В граничащих с грунтом ограждающих конструкциях здания при отсутствии в них сквозных трещин и швов, а также элементов с крупными воздушными полостями доминирует диффузионный перенос радона.
Диффузионная радонопроницаемость материала конструкции (или грунта) характеризуется величиной объемного коэффициента диффузии (Р, м2/с). Эта величина представляет собой объемную активность радона, проникающего в секунду через слой материала площадью 1 м2 и толщиной 1 м при разности объемных активностей радона на границах слоя в 1 Бк/м3. В пористых материалах диффузионный перенос происходит в основном через поровое пространство. Его проницаемость характеризуется величиной эффективного коэффициента диффузии (Ре, м2/с). Значения объемного и эффективного коэффициентов диффузии связаны соотношением Р=рРе, где р - пористость материала. В случае осложнения молекулярной диффузии воздействием неоднородного поля температуры или давления (термодиффузия, бародиффузия) для оценки радоно-проницаемости материала используют понятие эквивалентного коэффициента диффузии.
Грунтовое основание здания и опирающуюся на него ограждающую конструкцию схематично можно представить как среду, состоящую из произвольного числа слоев разнородных материалов. Стационарный процесс диффузионного переноса радона в такой среде описывается системой из п дифференциальных уравнений вида:
О,-^Аь-ХА1(х)+СЯа1р1кшАХ=0, /=1, 2, 3.....п, (1)
где АI - объемная активность радона в /-м слое в плоскости с данным значением х; X - постоянная распада радона; О; - коэффициент диффузии радона в /-м слое, м2/с; СЯа/ -удельная активность радия-226 в /-м слое, Бк/кг; Р/ - плот-
32012
27
Экологическое строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
6 7 8 9 10 Величина отношения l=h/L
12
А(х) = 0'
ИЛ
0{х) = -0„
сЛ(/) О(0) = -О„
сЛ(/)
сЛ(т) ИГ.О
сЛ
с/7(/)
/- сЛ(/)
(2)
(3)
(4)
30000
25000
£ 20000
§ 15000
ш
® 10000
О
5000
0
\ \ 4
\ \ 3
\ 2
\ 1
1 / ' I 1 1 1
1
Рис. 1. Доля потока радона Qh, проникающего через слой материала, в зависимости от величины параметра I
ность материала /-го слоя, кг/м3; - коэффициент эмани-рования радона в /-м слое.
Решение уравнений (1) для среды с произвольным числом слоев реализуется с помощью специальных компьютерных математических программ [1]. Для среды, состоящей из одного и двух слоев материалов, решения получены в явном виде [2].
Распределение объемной активности и плотности потока радона в слое однородного материала толщиной h(0<x<h) рассчитывают по формулам:
2 3 4 5
Расстояние от верхней поверхности в глубину, м
Рис. 2. Характер распределения объемной активности радона: 1 — в открытом грунте; 2, 3 — в грунте, перекрытом бетонной плитой толщиной 100и 200мм; 4—радоновый потенциал ПХп =32кБк/м3
тока Qh зависит от отношения толщины (мощности) слоя к длине диффузии и определяется по формуле:
т =
1
сЛ(/)
•100%.
(5)
где 0(х) - плотность потока радона в плоскости х, Бк/(м2с); 0Л - заданное значение плотности потока радона в плоскости хБк/(м2 с); L=^DI'k - длина диффузии радона (расстояние, на котором плотность потока радона, проходящего через материал, при отсутствии внешних сил уменьшается в 2,72 раза), м;
1=Н/Ц м=сЯа Р кэы.
Формула (4) представляет суммарную плотность потока радона Q(0) в плоскости х=0, обусловленную проникновением через слой части потока Qh (первое слагаемое в правой части) и действием источников радона внутри слоя (второе слагаемое). Входящий в слой поток Qh вследствие распада радона в процессе перемещения постепенно ослабевает. При последовательном увеличении толщины слоя значение проникающей через него части потока Qh стремится к нулю.
Минимальную толщину слоя грунта, при которой поток радона на его поверхности (х=0) обусловлен в основном действием источников радона внутри слоя, называют мощностью активного слоя. Доля проникающего через слой по-
При значениях I > 6 слой пропускает ничтожно малую часть потока Qh (рис. 1). Например, слой наиболее проницаемого грунта (0=7-10-6 м2/с) толщиной 11 м, слой рулонного гидроизоляционного материала р=1-10-12 м2/с) толщиной 4 мм или слой тяжелого бетона р=1 10-8 м2/с) толщиной 600 мм пропускают не более 0,5% входящего в них потока.
Распределение объемной активности радона по глубине массива открытого однородного грунта подчиняется экспоненциальному закону. Ее значения на поверхности массива близки к активности радона в наружном воздухе и на некоторой глубине достигают постоянного максимального значения, равного:
(6)
Здание и окружающее его воздушное и подземное пространство представляют собой единую природно-техногенную систему, элементы которой активно влияют на процесс переноса радона из грунта в здание. Опирающаяся на грунт часть здания представляет препятствие для разгрузки грунтового радона в атмосферу. Вследствие этого при достаточно малой газопроницаемости, граничащей с грунтом конструкции, объемная активность радона в основании здания устанавливается близкой к величине П„„ (рис. 2).
Величина Пи„ не зависит от газопроницаемости грунта и по своему физическому смыслу может быть интерпретирована как максимальная, возможная в данных условиях радоновая нагрузка на конструкцию, или радоновый потенциал грунта. Его величина представляет устанавливающуюся активность радона на границе между идеально радоно-непроницаемой конструкцией и грунтом. Значение величины Пд„ всегда на несколько порядков выше значения объемной активности радона в здании. Поэтому в практических расчетах значение ПЯп может быть принято как приближенное, несколько завышенное значение разности активностей между внешней границей реальной, слабопроницаемой для радона конструкции и помещением.
Условие (6) соответствует идеализированному представлению грунта как квазиоднородной среды, в которой
Пя„ = W
28
32012
Научно-технический и производственный журнал
Экологическое строительство
перенос радона происходит только вследствие диффузии. Такое представление вполне соответствует широко распространенным условиям, когда грунтовое основание на глубину свыше 10 м состоит из не обладающих коллекторными свойствами глинисто-песчаных пород. Для определения радонового потенциала грунтов на площадках, содержащих грунты-коллекторы, а также расположенных в современных активных геодинамических зонах, необходимо проводить специальные исследования.
Объемная активность радона во внутреннем воздухе
Объемная активность радона во внутреннем воздухе зависит от размеров помещения, интенсивности его вентиляции наружным воздухом, активности радона в наружном воздухе и количества радона, поступающего в помещение от внутренних поверхностей ограждающих конструкций. Выражающая эту зависимость формула следует из решения уравнения радонового баланса помещения и имеет вид: ¡=ы к=м
О(О) = с*» -р^зм Р
(8)
Лп =
/=1
к=1
Аивп
(7)
У(Х+п) Х + п где j = 1, 2, .. N - порядковые номера ограждающих конструкций помещения (пол, потолок, перегородки, капитальные стены); <7,- - плотность потока радона, поступающего в помещение от внутренней поверхности j-й ограждающей конструкции, Бк/(м2с); 5у - площадь j-й ограждающей конструкции, м2; к = 1, 2, ...М - порядковые номера иных источников поступления радона в помещение; Qk - мощности иных источников поступления радона (сжигаемое топливо, вода системы бытового водоснабжения и т. п.), Бк/с; V - объем помещения, м3; п - кратность воздухообмена, с-1; Анв - объемная активность радона в наружном воздухе, Бк/м3.
Территории с высокими концентрациями радона в наружном воздухе встречаются достаточно редко. Находятся они, как правило, в районах с ураноносными грунтами или местах выхода на поверхность насыщенных радоном подземных вод. Средние мировые (фоновые) значения объемной активности радона в наружном воздухе на высоте 1 м от поверхности земли составляют от 7 до 12 Бк/м3. Известны территории, где эта величина составляет 50-75 Бк/м3, а в экстремальных случаях достигает 400 Бк/м3.
Обычно концентрация радона в наружном воздухе не превышает 10 Бк/м3 и его поступления в помещения вместе с наружным воздухом незначительны.
Значимые выделения радона в помещениях имеют место в достаточно редких случаях подачи в дома насыщенных радоном газообразного или жидкого топлива, а также воды из артезианских скважин. В абсолютном большинстве случаев доминирующую часть суммарных поступлений радона в помещение составляют его поступления от внутренних поверхностей ограждающих конструкций. Такие поступления обусловлены выделениями радона материалами конструкций и главным образом проникновением выделяемого в грунте радона через граничащие с ним конструкции.
Удельные поступления радона от расположенных внутри здания конструкций (перекрытий, внутренних стен и перегородок), относительно невелики и обычно не превышают 5 мБк/(м2с) (таблица).
Плотность потока радона, выделяемого на поверхности однослойной конструкции, рассчитывают по формуле:
Наружные стены подвальных помещений расположены параллельно основному направлению перемещения радона в грунте и поэтому мало препятствуют его разгрузке в атмосферу. Кроме того, наружные поверхности заглубленной части таких стен практически непроницаемы для грунтового радона в случае их защиты гидроизолирующими материалами от воздействия поверхностных грунтовых вод - верховодок. Удельные поступления радона от наружных стен подвальных помещений обычно не превышают поступлений от внутренних конструкций.
Поступления радона от горизонтальной, опирающейся на грунт конструкции могут варьировать в широких пределах в зависимости от ее радонопроницаемости и радонового потенциала грунта. Такие поступления чаще всего составляют большую часть суммарных поступлений. Значительные поступления радона возможны также через неуплотненные надлежащим образом узлы прохода в здание инженерных коммуникаций, проложенных в подземных каналах.
Признаки радоноопасности и исходные данные для расчета
Признаками радоноопасности являются различного рода показатели, косвенно свидетельствующие о вероятности избыточной концентрации радона в здании с низким уровнем противорадоновой защиты. К числу предупреждающих о такой возможности показателей относят:
- повышенную объемную активность радона в помещениях ранее построенных эксплуатируемых зданий, расположенных вблизи или на площади планируемой застройки;
- высокую объемную активность радона в почвенном газе на площади застройки;
- повышенную плотность потока радона на открытой поверхности грунта на площади застройки;
- присутствие в основании проектируемого здания не-обводненных грунтов, представленных трещиноватыми горными породами - коллекторами;
- расположение площади застройки в зоне активной текущей микрогеодинамики;
- конструктивный тип заглубленной части проектируемого здания, свидетельствующий о ее высокой газопроницаемости.
Признаки радоноопасности носят условный характер, так как выражающие их показатели прямой и однозначной связи с объемной активностью радона в проектируемом
Материал Толщина, мм Плотность потока, мБк/(м2х)
Тяжелый бетон <100 <1
100-500 1-2
Легкий бетон <300 <1
300-600 1-1,5
Кладка из красного кирпича 125-250 1-2
250-380 2-3
380-510 3-3,6
Кладка из силикатного кирпича <510 <1
Гипс <400 <0,2
Экологическое строительство
ц м .1
Научно-технический и производственный журнал
а нежелательно б предпочтительно
Цокольная
Рис. 3. Узлы сопряжений горизонтальных и вертикальных конструкций
здании не имеют. Наличие признаков радоноопасности может служить основанием для принятия решения:
- о проведении детальных исследований на планируемой площади застройки (с целью установления необходимости проектирования защиты и получения требуемых для этого исходных данных);
- о превентивном применении мер противорадоновой защиты без проведения детальных исследований (целесообразно в случаях, когда стоимость исследований превышает стоимость защиты).
Наиболее предпочтительны решения, основанные на проектном расчете параметров ограждающих конструкций здания и режима его вентиляции, при которых обеспечивается заданный уровень эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) радона во внутреннем воздухе. Приближенный метод такого расчета будет показан в части IV публикации.
Основные необходимые для расчета исходные данные о физических характеристиках здания и граничащей с ним среды:
- удельная активность радия-226 и коэффициент эмани-рования радона в грунте, определяющие величину радоновой нагрузки на подземную часть здания;
- геометрические параметры ограждающих конструкций и коэффициенты диффузии радона в материалах конструкций, определяющие их радонопроницаемость;
- объемная активность радона в наружном воздухе, определяющая минимальный, принципиально достижимый
Кратность воздухообмена, 1/ч
Рис. 4. Зависимость ЭРОА радона во внутреннем воздухе от кратности воздухообмена; размер помещения 6x5x3 м, удельные поступления радона от внутренних поверхностей ограждающих конструкций 2,5мБк/(м2.с)
уровень его активности во внутреннем воздухе (в случаях ведения строительства в районах с повышенным содержанием радона в наружном воздухе).
Радиационно-экологические (радоновые) исследования, направленные на получение исходных данных для проектирования противорадоновой защиты, следует проводить в составе и совместно с инженерными геологическими изысканиями для строительства. В техническом задании устанавливают содержание и объем исследований на их проведение.
При проведении радоновых исследований:
- удельную активность радия-226 в грунтовых основаниях, представленных необводненными дисперсными осадочными породами, рекомендуется определять в каждом из элементов геологического разреза на глубину не менее 10 м, или, в случае их обводнения на этой глубине, до уровня первого постоянного водоносного горизонта, считая от отметки заложения подошвы фундамента;
- определения удельной активности радия-226 должны производиться в сухих пробах грунта для условий установившегося радиоактивного равновесия;
- в случае расположения участка застройки в зоне разрывных нарушений рекомендуется осуществлять структурное геодинамическое картирование изучаемого участка и в связи с недостаточной изученностью вопроса определять радоновый потенциал грунта по специальной исследовательской программе.
Принципы противорадоновой защиты
Уровень концентрации радона в помещении зависит от:
- величины суммарных поступлений радона в помещение от всех источников;
- интенсивности вентиляции помещений наружным воздухом.
Основными источниками поступлений радона в помещение являются:
- грунтовое основание здания (как правило, доминирующий источник);
- материалы ограждающих конструкций.
Основные механизмы переноса радона от источника в помещение:
- диффузия, обусловленная разностью концентраций радона в источнике и помещении;
- конвекция, обусловленная разностью плотностей смеси газов в источнике и помещении.
Подавление диффузионного переноса достигается путем применения в конструкции материалов с низкими значениями коэффициента диффузии радона. Подавление конвективного переноса достигается путем применения трещиностойких узлов и конструкций, уплотнения (герметизации) стыков и швов между элементами конструкций. Предпочтительны такие проектные решения, где щели в узлах сопряжения горизонтальных и вертикальных конструкций, например бетонной плиты подвального пола с цокольной стеной, совпадающие по своему направлению с направлением переноса радона из грунта в здание, вообще отсутствуют (рис. 3).
Главный принцип противорадоновой защиты заключается в предохранении здания от поступлений радона из основных источников и одновременно вентиляции помещений. Необходимая по соображениям радонобезопасно-
30
3'2012
Научно-технический и производственный журнал
Экологическое строительство
сти кратность воздухообмена зависит от величины суммарных поступлений радона в помещение от всех источников. При относительно небольших поступлениях, например только от внутренних ограждающих конструкций, и очень низкой кратности воздухообмена концентрация радона во внутреннем воздухе может намного превысить нормированный уровень (рис. 4). Поэтому во всех случаях кратность воздухообмена в защищаемом помещении должна быть не менее 0,15 ч-1.
Следует стремиться к тому, чтобы суммарные поступления радона в помещение от всех источников не превышали величины, при которой необходимая по соображениям ра-донобезопасности кратность воздухообмена не превышала требуемой санитарными нормами. Необходимость более интенсивной вентиляции с целью удаления радона из помещений свидетельствует о низком качестве противорадоно-вой защиты.
Современные здания должны удовлетворять комплексу приоритетных требований по обеспечению их устойчивости, пожарной безопасности, сейсмостойкости, долговечности и т. п. Обеспечение радонобезопасности здания не должно осуществляться в ущерб выполнению приоритетных требований. Противорадоновая защита должна осуществляться как система технических мероприятий, реализуемых в рамках принятой концепции проекта здания. В данное время методы проектирования оптимальной для тех или иных условий строительства противорадоновой защиты еще не разработаны. Их отсутствие предопределяет возможность реализации проектных решений с недостаточной или избыточной защитой. В случаях, когда эффек-
тивность проектируемых радонозащитных мероприятий не поддается однозначной оценке, рекомендуется прибегать к научно-технической поддержке компетентных организаций, ведущих исследования в рассматриваемой области.
Радонозащитная способность ограждающих конструкций в решающей степени зависит от качества строительных работ. Использование некачественных материалов и нарушения технологии их применения могут свести к нулю эффективность защиты.
Радонозащитные мероприятия, реализованные в процессе строительства здания, всегда требуют меньших затрат, чем после завершения строительства. В некоторых случаях затраты на превентивно принятые меры защиты могут быть ниже затрат на проведение изысканий и на обоснование нецелесообразности защиты.
Критические замечания просьба направлять по адресу: [email protected].
Список литературы
1. Гулабянц Л.А. Противорадоновая защита жилых и общественных зданий. Ч. 1 // Жилищное строительство. 2012. № 2. С. 28-31 .
2. Гулабянц Л.А., Лившиц М.И. Расчет концентрации радона в помещениях проектируемых зданий // АНРИ. 2007. № 4. С. 9-13.
3. Гулабянц Л.А., Заболотский Б.Ю. Плотность потока радона как критерий оценки радоноопасности // АНРИ. 2004. № 3. С. 16-20.
