Vliv změny složení betonové směsi na obsah přírodních radionuklidů
Stavební materiály obsahují přírodní radionuklidy, které pochází ze zemské kůry. Při využívání vedlejších energetických produktů jako surovin pro výrobu stavebních materiálů může dojít ke zvýšení obsahu přírodních radionuklidů ve výrobcích. Tato práce se zaměřila na praktické ověření navržených postupů radiační ochrany pro optimalizaci obsahu přírodních radionuklidů ve stavebních materiálech. Měřil se obsah přírodních radionuklidů ve vstupních surovinách a ve výsledné betonové směsi. Naměřené hodnoty přírodních radionuklidů v betonech byly porovnány s teoretickými výpočty.
Úvod
Při snaze o bezodpadové hospodářství v průmyslu se využívá vedlejších energetických produktů, např. popílků, strusky a škváry, jako surovin pro výrobu stavebních materiálů. V určitém zastoupení v materiálech tyto příměsi zlepšují užitné vlastnosti výrobku. Mohou však být potenciálním zdrojem zvýšeného obsahu přírodních radionuklidů. Nositelem zvýšeného obsahu přírodních radionuklidů ve stavebních materiálech však může být i kamenivo z některých lokalit České republiky. Požadavky na obsah přírodních radionuklidů ve stavebních materiálech definuje tzv. atomový zákon [1]. Příslušná prováděcí vyhláška pak stanovuje směrné a mezní hodnoty ve stavebních materiálech podle množství a způsobu zabudovávání do staveb [2].
Při překročení směrné hodnoty obsahu přírodních radionuklidů ve stavebních materiálech musí jejich výrobci a dovozci přistoupit k opatření na snížení nebezpečí ozáření obyvatelstva ionizujícím zářením z těchto materiálů podle doporučení Státního úřadu pro jadernou bezpečnost [3]. Po identifikaci zdroje zvýšeného obsahu přírodních radionuklidů ve výrobku se zvažují taková opatření, která umožní snížit radioaktivitu stavebního materiálu. Lze uvažovat o úplné náhradě nebo o změně zastoupení podílu suroviny odpovědné za zvýšený obsah přírodních radionuklidů a přidání podílu jiné suroviny s menším obsahem přírodních radionuklidů, aniž by se snížily užitné vlastnosti koncového výrobku.
Předmětem výzkumu bylo zejména praktické ověření logického předpokladu, že výsledný obsah přírodních radionuklidů ve stavebním materiálu je součtem podílů obsahu přírodních radionuklidů ve vstupních surovinách. Toto je základní předpoklad pro efektivní sestavení receptury betonu, který má mít nejenom žádané užitné vlastnosti, ale musí splňovat i požadavky legislativy na obsah přírodních radionuklidů. Výzkum se prováděl jak na laboratorních recepturách, tak na recepturách používaných ve výrobní praxi.
Metodika měření
Měření obsahu přírodních radionuklidů probíhalo podle akreditované metodiky Radionuklidové laboratoře Výzkumného ústavu stavebních hmot, a.s. v Brně, schválené Státním úřadem pro jadernou bezpečnost, na originální sestavě pro spektrometrii záření gama. Součástí sestavy je polovodičový germaniový detektor chlazený kapalným dusíkem, čímž je zajištěna rozlišovací schopnost jednotlivých píků spektra. Vliv přírodního pozadí je výrazně snížen stíněním detektoru krytem z olověných cihel o tloušťce 10 cm, navíc vyloženým kadmiovým plechem o tloušťce 1 mm.
Gamaspektrometr detekuje a analyzuje záření gama emitované radionuklidy přítomnými ve vzorku v rozmezí hodnot energií 0,5 až 2700 keV. Svojí technickou specifikací je vhodný zejména pro měření aktivit přírodních radionuklidů. Výsledkem měření a analýzy dat je spektrum záření gama. K jednotlivým spektrálním čarám je po kalibraci přístroje přiřazen radionuklid, při jehož rozpadu došlo k emisi záření gama s charakteristickou energií. Z charakteristik spektra se pak pomocí měřícího softwaru vypočítají aktivity jednotlivých radionuklidů.
Vzorky
Betonové směsi byly připraveny v laboratoři maltovin Výzkumného ústavu stavebních hmot, a.s. ze surovin běžně užívaných ve výrobě a surovin odebraných ze surovinového archivu výzkumných projektů. Betonové směsi obsahovaly cement, strusku, popílek a vodu.
Byly vyrobeny vzorky betonů ze surovin a podle receptur používaných standardně při produkci betonových výrobků. Z receptur byl vypuštěn plastifikátor, který se přidává do betonových směsí jen v malém množství. Jeho obsah přírodních radionuklidů je pod mezí detekce. Místo kameniva byla použita struska Oslavany, a to pro svůj vysoký obsah přírodních radionuklidů. Byl použit cement CEM I 52,5 N z cementárny Mokrá. Popílek původem z elektrárny Tušimice II byl odebrán z archivu výzkumného projektu VEZPOM. Obsah popílku podle výrobních receptur tvořil 0; 3,7; 7,3; 11; 14,6 a 18,3 hmotnostních % betonové směsi.
Jako záměsová voda byla použita voda z vodovodního řádu, jejíž obsah přírodních radionuklidů je pod mezí detekce, a proto se její příspěvek k radioaktivitě stavebních materiálů nezapočítává. Betonové vzorky byly po minimálně 28 dnech zrání podrceny a dosušeny do konstantní hmotnosti v laboratorní sušárně. Poté byly vzorky surovin a betonů uzavřeny v měřící nádobě po dobu minimálně 28 dnů k utvoření radioaktivní rovnováhy. Všechny vzorky surovin a betonů byly měřeny v suchém stavu v laboratorních podmínkách.
Výpočty
Měření a hodnocení obsahu přírodních radionuklidů ve vzorcích stavebních materiálů spočívá ve stanovení hmotnostních aktivit radionuklidů 40K, 226Ra a 228Th. Z hodnot hmotnostních aktivit všech tří radionuklidů se vypočítá podle vyhlášky [2] index hmotnostní aktivity I ze vztahu
(1)
kde 
, 
, 
jsou hmotnostní aktivity příslušných radionuklidů v jednotkách Bq‧kg−1. Index hmotnostní aktivity charakterizuje směrnou hodnotu, při jejímž překročení se zvažují zásahy ke snížení obsahu přírodních radionuklidů ve stavebním materiálu.
Teoretická hodnota obsahu přírodních radionuklidů byla vypočítána jako součet hodnot hmotnostních aktivit pro jednotlivé radionuklidy použitých surovin vážených hmotnostními podíly podle reálné receptury betonové směsi. Byly zanedbány příspěvky radionuklidů vody a plastifikátorů pro jejich nízké hodnoty.
Výsledky
Nejprve byly pro výrobu vzorků použity běžné suroviny a dodržen podíl popílku, jak je vzhledem k užitným vlastnostem betonu používán v praxi. Ukázalo se, že ačkoli hmotnostní aktivity radionuklidů popílku byly vysoké, tak vzhledem k jeho nízkému obsahu ve směsi zůstala aktivita betonové směsi na nízkých hodnotách blízkých detekčním limitům spektrometru. V tomto oboru hodnot se zvyšuje chyba měření až na 80 %. Docházelo k velkému rozptylu naměřených hodnot, což takřka znemožnilo porovnat měřené a vypočítané veličiny. Z tohoto důvodu byla ve vzorcích pro studium vlivu změny obsahu suroviny na radioaktivitu betonu použita struska s vysokým obsahem přírodních radionuklidů namísto běžného kameniva. Tato surovinová skladba ovšem neodpovídá v praxi používaným recepturám.
Standardní receptury pro stavební materiály jsou předepisovány ve formě hmotnosti jednotlivých složek směsi na výrobu 1 m3 betonu. Hmotnostní podíly jsou vyjádřeny procenty k celkové hmotnosti všech složek směsi. Vzorky betonu jsou ale měřeny v suchém stavu. Část tekutin se vypaří a část vody zůstává vázaná v betonu. Množství vázané vody závisí na použitých surovinách a jejich obsahu ve směsi. Pro zjištění, kolik vody se reálně odpaří, byl proveden test na pěti recepturách betonu s proměnlivým obsahem popílku. Po namíchání byly vzorky uloženy po dobu 28 dní ve vlhkém uložení, poté byly ponechány dva dny v laboratorních podmínkách. Po podrcení byly sušeny v sušárně do konstantní hmotnosti a ponechány jeden den v běžných podmínkách laboratoře. Výsledkem bylo zjištění, že průměrná procentuální ztráta tekutin činila 6 % k celkové hmotnosti tekutin v receptuře. Pro výpočty byly přepočítány hmotnostní podíly surovin v betonu k reálné ztrátě vody ve vzorku oproti původní technologické receptuře.
V grafech 1 až 4 jsou vyneseny hmotnostní aktivity radionuklidů 40K, 226Ra a 228Th a indexu hmotnostní aktivity v závislosti na obsahu popílku v betonové směsi. V jednotlivých grafech jsou vyjádřeny především hodnoty reálně naměřené ve vzorcích (označení v grafech „změřené“) a hodnoty vypočítané z reálných poměrů a reálně naměřených hmotnostních aktivit surovin v daném vzorku („vypočítané“). Pro srovnání jsou uvedeny i hodnoty hmotnostních aktivit („receptura“), získané pro praxi technologů nejjednodušším postupem teoretického výpočtu, kde jako podíly surovin jsou použity hmotnostní procenta z výrobních receptur a hodnoty hmotnostních aktivit jsou získány z protokolů od dodavatelů. Přerušované čáry v grafech vyjadřují meze určené kombinovanými rozšířenými nejistotami měření s použitím koeficientu rozšíření 2, který odpovídá intervalu spolehlivosti 95 %.
Graf č. 1 Hmotnostní aktivita 40K
Graf č. 2 Hmotnostní aktivita 226Ra
Graf č. 3 Hmotnostní aktivita 228Th
Graf č. 4 Index hmotnostní aktivity
Závěr
Každá naměřená hodnota je zatížena nejistotou měření [4]. Kombinovaná nejistota měření hmotnostních aktivit zahrnuje nejistotu přípravy vzorku, vyhodnocení výsledku a nejistotu způsobenou statistickou podstatou radioaktivního rozpadu radionuklidů. Kombinovaná nejistota standardně uváděná u hmotnostních aktivit radionuklidů 40K, 226Ra a 228Th činí maximálně 10 %. Při nízkých hodnotách hmotnostních aktivit, které se blíží detekčním mezím daného radionuklidu, se nejistota měření zvyšuje. Při výpočtu hmotnostních aktivit přírodních radionuklidů výsledného materiálu z naměřených hmotnostních aktivit jednotlivých surovin vážených hmotnostními podíly obsahu suroviny v materiálu se určuje nejistota výpočtu z nejistot hmotnostních aktivit surovin podle matematické teorie šíření chyb [5]. Nejistota výpočtu činí 6 až 10 %.
Voda a plastifikátory, které se přidávají do betonových směsí, nepřispívají významněji k obsahu přírodních radionuklidů betonu, a proto je při výpočtech zanedbáváme. Jejich vliv však nemůžeme zanedbat z hlediska hmotnostního podílu v receptuře, protože určujeme měrnou aktivitu vztaženou právě k hmotnosti vzorku.
Z výsledků je patrné, že naměřené a vypočítané hmotnostních aktivity radionuklidů se ve všech případech výborně shodují v rámci stanovených nejistot měření. Tím je potvrzena oprávněnost a přesnost výpočetního postupu. Rozdíl mezi reálně naměřenými hodnotami a vypočítanými hodnotami podle receptur může být způsoben nehomogenním rozmístěním radionuklidů v zemské kůře, které se projevuje nehomogenitou ve velkých dávkách surovin používaných ve výrobě.
Grafy ukazují, že v praxi používaný výpočet s hmotnostními podíly surovin z výrobní receptury vede k nižším hodnotám hmotnostních aktivit radionuklidů i indexu hmotnostní aktivity. Proto je dobré s tím počítat a výsledné hodnoty navýšit o hmotnostní podíl rovnající se úbytku vody pro konkrétní skladbu betonové směsi. Ve výrobě, kde se používá podzemní voda z lokalit s vysokým obsahem radionuklidů v podloží, lze pro zpřesnění výpočtu započítat i její podíl na radioaktivitě výrobku.
Tento příspěvek byl vypracován díky institucionální podpoře na dlouhodobý koncepční rozvoj výzkumné organizace poskytnuté MPO ČR.
Literatura
- Zákon č. 18/1997 Sb., o mírovém využívání jaderné energie a ionizujícího záření a o změně a doplnění některých zákonů, ve znění pozdějších předpisů. In: Sbírka zákonů České republiky. 1997, částka 5, s. 5388-5419. Dostupný také z: http://aplikace.mvcr.cz/archiv2008/sbirka/1998/sb039-98.pdf. ISSN 1211-1244.
- Vyhláška Státního úřadu pro jadernou bezpečnost č. 307/2002 Sb., o radiační ochraně, ve znění pozdějších předpisů
- Doporučení SÚJB „Metodiky měření a hodnocení obsahu přírodních radionuklidů ve stavebních materiálech“, vydané Státním úřadem pro jadernou bezpečnost, Radiační ochrana, březen 2009
- BROŽ, Jaromír. Základy fysikálních měření: [vysokoškolská učebnice]. Praha: SPN, 1974. Učebnice pro vysoké školy (Státní pedagogické nakladatelství).
- REKTORYS, K. Přehled užité matematiky. 5. vyd. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1988. Česká matice technická (SNTL).
Building materials contains natural radionuclides, which comes from the earth's crust. In using secondary energy products as raw materials for production of building materials can increase the content natural radionuclides of products. This study focused on practical verification procedures proposed of radiation protection to optimize radioactivity of building materials. It measured the content of natural radionuclides in feedstocks and in final concrete mixtures. Measured values of natural radionuclides of concretes were compared with theoretical calculations.