Влияние состава бетона на содержание естественных радионуклидов

  В соответствии с ГОСТ 30108-94 эффективная удельная активность естественных радионуклидов (ЕРН) (Аэфф) - суммарная удельная активность ЕРН в материале, определяется по формуле:
   Аэфф= АRa+1,31•ATh+0,085•AK , (1)
   где АRa и АTh – удельные активности 226Ra и 232Th, находящихся в равновесии с остальными членами уранового и ториевого рядов, АK – удельная активность К-40, Бк/кг.

   Для оценки вклада составляющих бетона в его эффективную удельную активность были определены экспериментальные значения Аэфф цемента, песка, щебня, гравия и бетонов на их основе.
   Измерения содержания ЕРН проводились на гамма-спектрометрическом комплексе с полупроводниковым детектором типа ДГДК-80 в стальной защите. Собственный фон детектора в диапазоне энергий 100 – 3000 кэВ составляет 5,8 с-1. Энергетическое разрешение спектрометра – 2,5 кэВ при Еg = 1,332 МэВ (Со60). Программное обеспечение комплекса позволяет выделять гамма-линии в аппаратурном спектре, производить их идентификацию, расчет удельных активностей проб, определение погрешностей.
   Для сравнения эффективная удельная активность Аэфф бетонов рассчитывалась по формуле:
   Аэфф = (Аэфф1V1+ Аэфф2V2+...+АэффnVn)/(V1+V2+...+Vn), (2)
   где Аэфф1, Аэфф2, Аэффn – эффективные удельные активности составляющих бетонов, Бк/кг;
   V1, V2 , Vn– доли компонентов в бетоне.
   При этом использовались экспериментально полученные значения Аэфф компонентов: портландцемент ОАО Осколцемент, Аэфф = 73,3 Бк/кг; портландцемент ОАО Мальцовский портландцемент, Аэфф= 47,2 Бк/кг; глауконитовый песок, Аэфф= 104,2 Бк/кг; кварцевый песок, Аэфф = 22 Бк/кг; керамзитовый гравий, Аэфф = 204 Бк/кг; известняковый щебень (Тульская обл.), Аэфф = 9,7 Бк/кг; гранитный щебень (Беларусь), Аэфф = 87,9 Бк/кг; гранитный щебень (г. Жданов), Аэфф = 243 Бк/кг. Расчетные значения удельной эффективной активности бетона сравнивались с полученными экспериментально.

Анализ полученных результатов показал следующее. В бетоне на гранитном щебне наибольший вклад в эффективную удельную активность вносит крупный заполнитель, т.е. щебень (табл. 1), как при высоких (Аэффщ =243 Бк/кг), так и при низких (Аэффщ = 87,9 Бк/кг) значениях его эффективной удельной активности. На долю щебня приходится от 48 до 92% ЕРН бетонов в зависимости от состава и активности его компонентов.

  В случае использования малоактивного песка (Аэффп = 22 Бк/кг), к которым относятся большинство песков, применяемых в производстве строительных материалов, вторым по вкладу в Аэфф бетона является цемент, несмотря на его наименьшее содержание в составе бетона. Более высокорадиоактивные глауконитовые пески и гранитные отсевы вызывают перераспределение удельной активности ЕРН. В этом случае цемент будет вносить наименьший вклад в Аэфф. Известняковый щебень относится к осадочным горным породам и отличается низкими значениями эффективной удельной активности ЕРН. При низких значениях Аэфф известнякового щебня его вклад в эффективную удельную активность бетона незначителен и составляет от 8 до 30 % (табл.2).

   Наибольший вклад в Аэфф бетона на известняковом щебне вносит цемент при низких значениях Аэфф песка или песок при высоких значениях ЕРН. Немаловажную роль будет играть и соотношение между составляющими бетона, которое будет сдвигать вклад компонентов в большую или меньшую сторону. В керамзитобетоне с высокими значениями Аэфф гравия наибольший вклад вносит керамзитовый гравий, на долю которого приходится от 57 до 89 %. Вклад песка и цемента в Аэфф будет зависеть от их активности и содержания.
   Как показали исследования (рис.1–5), с увеличением доли заполнителей в составе бетонов эффективная удельная активность возрастает. Так, для глауконитового песка увеличение его содержания в растворе на ПЦ 400ДО-Н с 750 до 1500 кг/м3 приводит к возрастанию Аэфф с 106 до 134 Бк/кг (рис. 1). При этом возрастает содержание 226Ra с 64 до 94 Бк/кг, 232Th – с 8,4 до 9,7 Бк/кг и 40К – с 312 до 340 Бк/кг. Аналогичная картина наблюдается для щебня (рис.2). Увеличение его доли в составе бетона с 1200 до 1600 кг/м3 резко изменяет Аэфф с 146 до 214 Бк/кг.
   Замена щебня на шлак приводит к снижению Аэфф до 37 Бк/кг. Увеличение его содержания с 300 до 900 кг/м3 вызывает незначительное возрастание эффективной удельной активности с 37 до 50 Бк/кг, 226 Ra – с 18 до 27,2 Бк/кг, 232Th – с 6,5 до 8,7 Бк/кг и 40К – с 119 до 154 Бк/кг (рис.3). Увеличение доли компонентов с содержанием ЕРН меньше, чем, например, у цемента, приводит к снижению Аэфф . Так, изменение содержания ОФС с 1000 до 1500 вызывает уменьшение Аэфф , хотя и незначительные – с 59 до 48 Бк/кг, 226 Ra – c 29,4 до 27 Бк/кг, 232 Th – c 11 до 5 Бк/кг, 40К – с 165 до 136 Бк/кг.
   Легкие заполнители: перлитовый песок, зола, керамзитовый гравий изменяют значения ЕРН в сторону увеличения.
   Изменение содержания золы с 750 до 1500 кг/м3 приводит к увеличению Аэфф более чем в 2 раза, то есть со 135 до 290 Бк/кг; 226Ra – с 58,6 до 148 Бк/кг, 232Th – с 48 до 92 Бк/кг, 40К – с 153 до 186 Бк/кг (рис.4). При этом доля 226Ra и 232Th увеличивается, а 40К – практически не меняется. Совместное использование керамзитового гравия (550 кг/м3) и золы (до 450 кг/м3), несмотря на улучшение показателей плотности, прочности и водостойкости вызывает возрастание Аэфф до 253 Бк/кг, в то время как без золы Аэфф керамзитобетона составляет 164 Бк/кг, что почти на 89 Бк/кг меньше (рис.5).
   Учитывая высокие значения Аэфф золы и неоднородность ее состава, во всех случаях ее использования в бетонах, растворах и других строительных материалах необходимо проводить обязательный радиационный контроль.
   Таким образом, проведенные исследования подтверждают, что наибольший вклад в эффективную удельную активность бетонов вносят заполнители. Увеличение их доли в составе бетонов приводит в большинстве случаев к возрастанию Аэфф. Регулируя содержание заполнителей в составе композиционных материалов, можно получать материалы с низкими значениями эффективной удельной активности в соответствии с требованиями ГОСТ 30108-94.