Методика геоэкологической оценки радиационной опасности применения горных пород при производстве строительных материалов

В введении диссертационной работы обоснована актуальность темы исследования.
Описаны объект и предмет исследования. Сформулирована основная цель и задачи работы,
научная новизна, а также практическая значимость, изложены основные положения,
выносимые на защиту.
В главе 1 рассмотрены проблемы влияния антропогенных факторов на экологию
среды обитания человека. Установлено, что одним из основных факторов, имеющих
соматические и генетические последствия, является радиационный, обусловленный
естественным фоном, техногенным радиационным фоном от естественных радионуклидов и
искусственным фоном. Проведенытеоретические исследования по выявлению
закономерностей содержания ЕРН в горных породах. Проведен обзор научно-технической и
нормативной литературы по теме исследования.
Для строительных материалов в качестве сырья используются различные горные
породы. Радиоактивность горных пород обусловлена присутствием в них долгоживущих
радионуклидов, принадлежащих семействам урана-238 (238U), и тория-232 (232Th) с
дочерними продуктами распада и калия-40 (40K). Непосредственно радиационную
опасность для человека в указанных цепочках представляет излучение именно продуктов
распада: радионуклиды радий -226 (226Ra), радон-222 (222Rn) и радон (торон)-220 (220Rn).
Поэтому с точки зрения науки и практики большое значение имеют данные о
содержании ЕРН в природе, т.е. данные по распространенности элементов, изотопы
которых определяют естественную радиоактивность горных пород, и как следствие,
содержание ЕРН в строительных материалах и сырье. Наиболее подробно эти данные
рассмотрены Войткевичем Г.А., Мирошниковым А.Е., Поваренных А.С., Прохоровым В.Г.
Существует значительный на 2, 3, 4 порядка разброс в весовом содержании радиоактивных
элементов для различных видов, классов и происхождения горных пород.
Причем наиболее значимыми являются: по содержанию K –изверженные (сиениты);
по содержанию Th – изверженные (гранитоиды бедные Ca и сиениты) и осадочные (глины);
по содержанию U – осадочные (песчаники, глины). Минимальное содержание ЕРН среди
изверженных наблюдается у ультраосновных пород, а среди глубоководных осадков – у
известковых. Эти факты с одной стороны объясняют различие содержания ЕРН в
строительных материалах и с другой стороны позволяют установить зависимость между
происхождением сырья и удельной активностью ЕРН в строительных материалах, что в
свою очередь позволяет целенаправленно создавать «радиационно-чистые» строительные
материалы.
Для производства таких материалов, как бетон, кирпич, отделочные материалы,
являющиеся основой каждого здания, используют осадочные породы. Исходя из данных,
приведенных выше, можно также предположить, что минимальным содержанием ЕРН
будут обладать поделочные материалы на основе ультраосновных пород, а с более высоким
содержанием ЕРН будут облицовочные материалы: глиняный кирпич, керамическая
плитка.
В главе 2 приводится обоснование и цель разработанной методики.
Основная цель методики состоит в получении полной и научно обоснованной
информации о радиационных факторах влияния на человека и среду обитания при добыче
сырья, изготовлении и использовании материалов на основе горных пород. Методика
рассматривает не только процесс обоснования и выбора радиационно-чистых материалов с
использованием нового извлечения природных ресурсов, но и использование ранее
вторичных ресурсов.
Концепция разработанной методики состоит в обосновании влияния естественных
радионуклидов на окружающую среду и человека на всех стадиях жизненного цикла
строительных материалов и изделий из них. При этом жизненный цикл включает извлечения
горных пород, их переработку, подготовку, использование в качестве основной компоненты
строительных материалов, использование в строительной индустрии и конечную утилизацию, в
том числе с возможным включением в рецикл.
Объектом исследования являются изначальные горные породы различных классов и
видов непосредственно или в модифицированном виде используемые для производства
строительных материалов и вторичные фракции горных пород в виде промышленных отходов,
в том числе отходов строительной индустрии.
Определяемыми и контролируемыми параметрами являются содержание
естественных радионуклидов в земной коре, удельная активность ЕРН, эффективная удельная
активность ЕРН, мощность эквивалентной дозы гамма-излучения, плотность потока радона
ППР, годовая доза облучения человека, т.е. в основном радиационные характеристики
строительных материалов и сырья для их изготовления.
Методика геоэкологической оценки радиационной опасности применения
горных пород при производстве строительных материалов состоит из следующих этапов
основной линии – новые строительные материалы и изделия из них (РЕСУРСЫ) и побочной –
повторное использование отходов промышленности (ОТХОДЫ). Последовательность и
содержание этапов показана на Рис. 1.

Рис. 1. Блок – схема методики. Последовательность и содержание этапов.
Методика состоит из следующих этапов:
1-ый этап
РЕСУРСЫ: Извлечение новых ресурсов из природной среды. Предварительный выбор и
оценка компонентов сырья на основе теоретических.
ОТХОДЫ: Использование отходов промышленности, пустой породы при добыче
ископаемых, повторное использование материалов строительной индустрии.
2-ой этап – Потенциальная опасность (безопасность)
РЕСУРСЫ: Расчетные оценки потенциальной опасности с учетом радиационных
факторов для различных областей применения.
ОТХОДЫ: Анализ возможного применения вторичных ресурсов.
3-ий этап – Области применения
РЕСУРСЫ: Классификация областей применения с учетом потенциальной опасности.
Первоначальная отбраковка сырья и компонентов материалов. Определяются классы и виды
сырья, которые можно использовать без изучения радиационных факторов (ДА) либо
необходимы дальнейшие исследования (НЕТ).
ОТХОДЫ: Отбраковка вторичных ресурсов и сырья для строительных материалов,
например, ториевых песков, пустой породы от добычи урановых руд, строительных
конструкций при демонтаже объектов использования атомной энергии и др.
4-ый этап – Радиационный контроль
РЕСУРСЫ: Обоснования необходимости и объема экспериментального контроля ЕРН и
ТРН. Выбор необходимого и достаточного количества контролируемых радиационных
параметров.
ОТХОДЫ: Обязательный и полный контроль всех радиационных параметров: удельная и
эффективная активность ЕРН, удельная активность ТРН, МЭД, ППР.
5-ый этап – Производство
РЕСУРСЫ: Управление радиационными характеристиками при производстве
материалов для строительной продукции, рекомендации.
ОТХОДЫ: Управление радиационными характеристиками при производстве материалов
с обоснованием возможности метода разбавления (использование в качестве сырья части
компонента с повышенным содержанием ЕРН), рекомендации.
6-ой этап – Сертификация
РЕСУРСЫ: Определение класса материалов. Паспорта радиационного качества
материалов. Необходимость контроля мощности эквивалентной дозы и объемной активности
радона в жилых и производственных зданиях. Обоснование возможности только расчетных
исследований.
ОТХОДЫ: Определение класса материалов. Паспорта радиационного качества
материалов. Обязательный контроль всех радиационных параметров.
7-ой этап – ИСЕТР
РЕСУРСЫ: Наполнение информационной системы по естественной и техногенной
радиоактивности (ИСЕТР) для пользователей при проектировании и выбора областей
использованиястроительныхматериалов.Обеспечениевозможности исключения
промежуточных этапов 2-6 для Пользователя в цепочке – Производитель, Проектировщик,
Строитель, Потребитель.
ОТХОДЫ. Наполнение информационной системы по естественной и техногенной
радиоактивности (ИСЕТР) для пользователей при проектировании и выбора областей
использования строительных материалов. Ограничения областей применения строительных
материалов на основе вторичных ресурсов.
8-ой этап – Здания и сооружения
РЕСУРСЫ: Использование упрощенного радиационного контроля МЭД в новых
строительных объектах.
ОТХОДЫ: Радиационный контроль в полном объеме.
9-ый этап – Рекомендации
РЕСУРСЫ: Использование информации для научно-технического обоснования
корректировки нормативно-технической документации.
ОТХОДЫ: Использование информации для научно-технического обоснования
ограничения применения определенных видов вторичного сырья в строительной индустрии.
Контролируемыми радиационными параметрами являются естественная и техногенная
радиоактивность строительных материалов, мощности эквивалентной дозы и плотности потока
радона. При проведении экспериментальных исследований использовались сертифицированные
методики измерений, поверенные приборы и установки. Измерение естественной
радиоактивности строительных материалов проводилось согласно ГОСТ 30108-94 на гамма-
бетта-спектрометре МКС-АТ1315.
Были исследованы такие материалы как кирпич, бетон, которые составляют основу
каждого здания, отделочные материалы, которые используются для внутренней отделки
помещений, а также основные сырьевые материалы, то есть, материалы, непосредственно
влияющие на экологическую и радиационную составляющую жилища. Среди отделочных
материалов были рассмотрены плитки, сухие смеси, шпаклевки и различные клеи. Всего для
проведения исследований были подготовлены более сотни проб строительных материалов.
На Рис. 2 представлены максимальные значения удельной и эффективной активности
ЕРН.

Рис. 2. Максимальные значения удельной и эффективной активности ЕРН,
полученные автором
Анализ полученных результатов показал, что представленные материалы не
превышают допустимого значения удельной эффективной активности, т.е. могут быть
использованы без ограничений. В керамических материалах, кирпиче и золе наблюдается
наибольшее содержание ЕРН, что соответствует полученным результатам теоретических
исследований, проведенных в главе I. Кроме того для всех рассмотренных материалов и сырья
не обнаружено превышение допустимого значения удельной активности техногенного
радионуклида 137Cs.
Для выявления связи между происхождением, распространенностью и содержанием
ЕРН, теоретические и экспериментальные данные были сгруппированы и представлены в
таблице 1.
Таблица 1. Связь с происхождением, породообразующим компонентом и
содержанием естественных радионуклидов
СодержаниеСодержание ЕРН,
ГорнаяАэфф,
МатериалКлассэлементовБк/кг
порода226Бк/кг
UThKRa 232Th 40
K
ПесокОсадочныеОбломочные4,5.11,7.1,0714-44 3-64307-40-171
породы0-410-4456
КирпичОсадочныеГлинистые3,7.11,2.2,6620-23-360-90-640
глиняныйпороды0-410-32002002000
ГипсОсадочныеГалоидные2,2.11,7.2,7.4-701-100 8-20010-218
породы0-410-410-1
КерамическаОсадочныеГлинистые3,7.11,2.2,6620-7417-291-80-377
я плиткапороды0-410-3195989
ЗолаОсадочныеКарбонатные2,2.11,7.2,7.62-234-427-187-
породы0-410-410-1314594018503310
БелыйОсадочныеКарбонатные
2,2.11,7.2,7.10-3-
силикатныйпороды9-14422-467
0-410-410-11781184
кирпич
Натуральны
МагматическиКислые1,7.22-22-65-
й камень –3.10-44,281-399
е(граниты)10-3103119472
гранит
Приведенные данные в большинстве своем обнаруживают взаимосвязь с данными
по распространенности U-226Ra и K-40K. Для Th-232Th однозначной связи нет. Это
указывает на необходимость проведения, в таких случаях, экспериментальных
исследований сырьевых материалов и анализа технологии изготовления керамических
материалов и золы, при которых происходит обжиг сырья, а, значит, увеличивается
концентрация радиоактивных элементов. Теоретические исследования позволили определить
пути поступления и ранжирование горных пород по потенциальной опасности с точки зрения
ЕРН.
Так в порядке возрастания потенциальной опасности классы горных пород могут быть
представлены следующим образом: галоидные, карбонатные, глинистые, обломочные, кислые
(граниты).
Для определения зависимостей между содержанием ЕРН, мощностью эквивалентной
дозы и плотностью потока радона использовалась радиометрическая и спектрометрическая
аппаратура, сертифицированная и поверенная в установленном порядке. Мощность
эквивалентной дозы (МЭД) измерялась с помощью дозиметра-радиометра ДКС-96. Измерение
плотности потока радона (ППР) с поверхности строительных материалов выполнялось методом
пассивной сорбции, с помощью многофункционального измерительного комплекса
мониторинга радона «Камера». В таблице 2 приведены усредненные результаты измерений
всех радиационных параметров (Aэфф, МЭД и ППР), проведенных автором.
Таблица 2. Усредненные значения удельной и эффективной активности ЕРН, МЭД и
ППР
Наименование22623240Aэфф,МЭД,ППР,
RaThK
строительного материалаБк/кгмкЗв/ч мБк/(кв.м*с)
Кирпич силикатный923013,80,1611
Кирпич красный272336789,90,2313
Кирпич Шамотный5367307167,80,2112
Бетон111032052,80,205
Ячеистый бетон – пеноблок20156245,40,1821
Блок силикатный
1024315,80,1611
пазогребневый
GS-полистиролбетон12816137,20,1716
Сухая смесь универсальная4093854,60,2014
Клей плиточный1272122,20,178
Плитка фасадная768922,80,266
Плитка тротуарная13612732,50,178
Зола6288367210,10,2323
Из представленных данных видно, что существует зависимость между содержанием
естественных радионуклидов и мощностью эквивалентной дозы: чем выше значение удельной
эффективной активности, тем больше мощность дозы. Наибольшие значения, как удельной
эффективной активности, так и мощности эквивалентной дозы наблюдаются у керамической
плитки и золы. Отметим, что зола является отходом производства, технология производства
керамики подразумевает использование высокотемпературного обжига. Между критерием
естественной радиоактивности и плотностью потока радона зависимость наблюдается в
основном у сыпучих материалов и при высоком содержании 226Ra, поскольку инертный
радиоактивный газ – радон-222 (222Rn) является дочерним продуктом 226Ra.
В главе 3 рассмотрены критерии оценки радиационной опасности от применения
строительных материалов в России и Европе. Проведен сравнительный анализ соответствия
расчетных и экспериментальных результатов с использованием российских и европейских
критериев безопасности.
Российские критерии оценки
В соответствии с действующим законодательством в РФ контролируемыми величинами
являются эффективная активность естественных радионуклидов и мощность эквивалентной
дозы. По критерию естественной радиоактивности выделяются классы строительных
материалов, основанные на значении эффективной удельной активности (Аэфф). При
строительстве жилых зданий разрешено применять материалы, относящихся к первому классу
с Аэфф ≤ 370 Бк/кг – без ограничений. Контролируемой величиной в помещении является
мощности эквивалентной дозы, она не должна быть выше мощности дозы на открытом
пространстве больше, чем на 0,2 мкЗв/ч.
Таким образом, российский подход к обеспечению радиационной безопасности
населения в среде его обитания сводится к ограничению содержания ЕРН в строительных
материалах и МЭД внешнего гамма-излучения в жилых и производственных зданиях. Не
превышение установленных пределов в принципе должно гарантировать не превышение
допустимой годовой дозы в 1 мЗв.
Европейские критерии оценки
В странах ЕС, разработаны принципы радиационной защищенности населения,
основанные на критерии дозы, который установлен с учетом национальных условий. При этом
для различных материалов и областей их применения используются два критерия дозы: 0.3
мЗв/год и 1 мЗв/год. Применение того или иного материала определяется индексом
концентрации активности I. Для двух рассмотренных критериев дозы индекс I ≤ 0,5 и I ≤ 1,
соответственно. Индекс I для базовых конструкционных и отделочных материалов должен
находиться в диапазоне от 0,5 до 1. Таким образом, европейский подход предполагает более
разнообразные подходы к оценке потенциальной опасности и областям применения
строительных материалов для их использования. Причем основным является дозовый критерий,
что правильно в принципе, поскольку для человека важно не то, какова активность
строительных материалов в среде его обитания, а его годовая индивидуальная доза облучения.
С этой целью представляет несомненный практический интерес провести
сравнительные оценки радиологической опасности строительных материалов и сырья для их
изготовления, используя российские и европейские подходы.
В таблице 3 представлены результаты расчетно-экспериментальных исследований
радиационной опасности применения основных строительных и сырьевых материалов,
используя российские и европейские подходы.
Полученные результаты являются экспериментальным и расчетным подтверждением
обоснованности разработанной методики. По результатам исследований установлено, что
применение расчетных моделей на основании европейского подхода может привести к
существенным расхождениям с экспериментальными значениями МЭД. Это означает, что
использование расчетного подхода к оценке радиологической опасности в жилых помещениях
имеет ограниченное применение, и его можно использовать только в качестве оценочного, на
предварительном этапе отбора материалов в соответствии с методикой.
Таблица 3. Сводная таблица экспериментальных и расчетных результатов, полученных во время исследования, по оценке
радиационной опасности строительных материалов.
Материал/ Минимальная активность, Бк/кгТипичная активность, Бк/кгМаксимальная активность, Бк/кг
Вклад
нуклида в226
Ra 232Th40
KAэффI226
Ra 232Th40
KAэффI226
Ra 232Th40
K AэффI
Aэфф
27656400,143032204890,3324019016006252,28
Бетон
69%19%12%34%47%19%38%40%22%
Легкие201562450,1660404301490,54260019016002985 10,15
бетоны44%44%12%40%35%25%87%8%5%
Красный2721279790,2940416041440,5420020020006322,33
кирпич35%35%30%27%37%36%32%41%27%
Серый159114370,1432314881160,4217814411844671,71
кирпич41%33%26%28%35%36%38%40%22%
62883672090,771801006503661,323145718503311 11,14
Зола
30%55%15%49%36%15%95%0%5%
Сухие1811111420,1537244321050,3972274961500,54
смеси,
43%34%23%35%30%35%48%24%28%
цемент
1226150,052955651060,392339222470,83
Гипс
81%16%3%27%68%5%94%5%1%
Керамичес31377341420,5366469252050,76741959894141,55
кая плитка 22%34%44%32%29%38%18%62%20%
Доменный4219133780,28270702403821,332100340100026309,03
шлак54%32%14%71%24%5%80%17%3%
9347180,062321172650,24374310541830,69
Песок
52%25%23%35%42%22%20%31%49%
В главе 4 рассмотрены вопросы практического использования результатов. В
частности, рассмотрены форма и содержание банка данных по естественной и техногенной
радиоактивности строительных материалов. Разработан алгоритм банка данных. Создание
информационной системы по естественной и техногенной радиоактивности строительных
материалов и изделий (ИСЕТР).
ИСЕТР должна включать: база данных по ЕРН в строительных материалах и сырье,
нормативную документацию, методы, средства и рекомендации по созданию благоприятного
климата с точки зрения радиационного фактора, рекомендации по использованию
строительных материалов и изделий для промышленного и гражданского строительства.
В общем виде ИСЕТР может состоять из разделов, представленных на блок-схеме,
разработанной автором под руководством научного руководителя И.А. Енговатова,
представлена на Рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема ИСЕТР
Информационная система предоставит возможность решить множество задач, наиболее
значимыми являются:
• предоставление информации по большинству применяемых в строительстве
материалов, понятную и удобную любому пользователю, с помощью которой он сможет сам
определить в каждом конкретном случае тот необходимый набор материалов, который будет
оптимальным с точки зрения радиационно-экологических показателей;
• целенаправленный выбор радиоактивно чистых материалов;
• создание производителями радиационно-чистых материалов из исследованного
сырья;
• пользователь, имея возможность обратиться к ИСЕТР, сможет на разных этапах
проектирования оценивать радиационную обстановку, выбирая в последующем
экологически чистые материалы и изделия, если это не представляется возможным, то
материалы с минимальным содержанием этих веществ;
• при реализации ИСЕТР необходимо стремиться к максимальному упрощению для
пользователя, например, путем использования концепции Windows.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования:
1. Доказано, что тема исследования «Методика геоэкологической оценки радиационной
опасности применения горных пород при производстве строительных материалов»
является актуальной. Геоэкологическая оценка поступления естественных и
техногенных радионуклидов в строительные материалы на всей производственной
цепочке от горных пород, промышленного производства и применения, приведет к
снижению отрицательного влияния на среду обитания человека за счет использования
материалов с оптимально достижимым содержанием естественных радионуклидов.
2. Разработана методика геоэкологической оценки радиационной опасности, определяемой
содержанием естественных радионуклидов в строительных материалах, позволяющая не
только определять класс на стадии их применения, но осуществлять целенаправленный
выбор наиболее безопасных из них на всем жизненном цикле от добычи сырья,
производства и использования в строительной индустрии.
3. Обоснована возможность получения материалов с минимальным содержанием
естественных радионуклидов и удельной эффективной активностью Аэфф до 370 Бк/кг,
на основе учета связи между происхождением, распространенностью и содержанием
естественных радионуклидов в горных породах.
4. Установлены зависимости и выявлены закономерности в содержании естественных
радионуклидов, определяющих радиационную опасность строительных материалов на
стадиях жизненного цикла от горных пород до строительных конструкций помещений,
потенциальная опасность которых в порядке возрастания распределяется следующим
образом: галоидные, карбонатные, глинистые, обломочные, кислые.
5. Экспериментально установлено, что потенциально опасными являются отделочные
материалы из природного сырья (керамические материалы, натуральные камни Аэфф ≥
353 Бк/кг) и материалы, для изготовления которых применялись отходы промышленного
производства, такие как зола, шлаки и др., или искусственные добавки, например,
продукты отжига, циркониевые концентраты, Аэфф которых значительно больше 370
Бк/кг.
6. Проведена сравнительная оценка Российских и Европейских подходов и критериев,
применяемых для обеспечения радиационной безопасности, в том числе с учетом
результатов натурных измерений в помещениях с различными отделочными и
конструкционными материалами. Определены границы применимости Европейского
подхода по радиационному критерию в зависимости от содержания естественных
радионуклидов.
7. Разработана структура информационной системы по содержанию естественных и
техногенных радионуклидов (ИСЕТР) в строительных материалах, горных породах и
сырье для их производства. ИСЕТР даст возможность решить множество задач, наиболее
важными из которых являются:
– целенаправленный выбор чистых материалов с точки зрения радиационно-
экологической безопасности;
– создание производителями чистых материалов из исследованного сырья;
– проектирование зданий и сооружений с учетом радиационно-экологического фактора.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы состоят в возможности
использования разработанной методика и информации по содержанию естественных
радионуклидов организациями и предприятиями, занимающимися добычей горных пород,
проектированием и строительством жилых и производственных зданий, в том числе
совершенствования полномасштабного функционирования ИСЕТР.