Метод определения коэффициента диффузии радона в материалах ограждающих конструкций зданий

Обострившаяся в последние годы проблема демографического спада в России требует решения комплекса сложных задач, направленных на увеличение рождаемости, снижение смертности, улучшения условий жизни и здоровья населения. Одна из них заключается в необходимости существенного снижения доз радиоактивного облучения населения и производственного персонала искусственными и природными источниками ионизирующих излучений. В связи с этим в 1996 году принят закон Российской Федерации «О радиационной безопасности населения» [39], а в 1999 году введены в действие «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99)» [24], в которых установлен максимальный допустимый среднегодовой уровень эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) изотопов радона в воздухе помещений — 100 Бк/м .

Радиоактивное воздействие изотопов радона (далее по тексту «радона») и их короткоживущих дочерних продуктов распада наносит ущерб здоровью человека, численно оцениваемый накопленной эффективной эквивалентной дозой или вероятностью преждевременной смерти. По оценкам Научного комитета по действию атомной радиации ООН радон создает более 70% эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением от источников радиации земного происхождения, и, примерно, половину дозы от всех природных источников излучения [18].

Подавляющую часть дозы облучения человек получает в помещениях зданий, где обычно проводит большую часть времени. Присутствие радона в воздухе помещений однозначно свидетельствует о присутствии его дочерних продуктов распада (ДЕЛ1). Активность их смеси в воздухе всегда ниже активности собственно радона и характеризуется значением ЭРОА.

В отличие от радиационного воздействия других природных источников излучения (например, космического происхождения), воздействие ДПР радона в зданиях поддается регулировке с приемлемыми затратами. Причем обеспечение нормативных требований на стадии проектирования обходится значительно дешевле, чем устранение повышенного содержания радона в эксплуатируемом здании. Отсутствие в Градостроительном кодексе РФ [5,38] требований о проверке радиационных качеств зданий при сдаче в эксплуатацию придает особую актуальность обеспечению их радиационной безопасности на стадии проектирования.

Радон, являясь инертным газообразным элементом, образуется при распаде природного радия-226, который повсеместно присутствует в материалах земной коры. В том числе, в стройматериалах, изготовленных на основе извлеченного из земли неорганического сырья, и грунтах, залегающих в основаниях зданий. Поэтому, как правило, основным источником поступающего в помещения радона является грунтовое основание здания, второстепенным — его ограждающие конструкции [17].

При радиоактивном распаде радия в грунте или строительном материале образовавшийся атом радона за счет энергии отдачи с вероятностью, определяемой величиной «коэффициента эманирования», попадает в поровое пространство. В условиях работы подземных ограждающих конструкций здания и грунтов его основания доминирующим механизмом массопереноса радона в их поровом пространстве является газовая молекулярная диффузия [18]. Интенсивность массопереноса прямо пропорциональна величине коэффициента диффузии радона в материале.

Вследствие неравномерного распределения радия в грунтах и их различной газопроницаемости радоновая нагрузка на подземную часть здания может варьировать в широких пределах.

В настоящее время, с целью обеспечения нормативных требований к уровню ЭРОА радона в проектируемых зданиях, в ОСПОРБ [25] введено ограничение плотности потока радона (ППР) с поверхности грунта в fy основании здания, равное 80 мБк/(м с). Данная величина была установлена на основе предельно упрощенной модели стационарного радонового баланса «эталонного дома» [12] в предположении связи среднегодовой ЭРОА радона в помещении и некоего значения ППР с поверхности грунта. Однако, эта связь фактически не подтверждается, т.к. формирование радонового режима помещений зависит от многих определяющих факторов.

Результаты исследований последних лет свидетельствуют о необоснованности существующей практики принятия решений, касающихся проектирования мероприятий по противорадоновой защите зданий. Подобная практика основана на результатах прямых краткосрочных измерений ППР с поверхности грунта и не учитывает следующих, весьма существенных обстоятельств:

• измеренные в случайные моменты времени средние по площади участка краткосрочные значения ППР с поверхности грунта могут отличаться друг от друга более, чем на порядок [13];

• плотность потока радона из грунта на уровне поверхности земли, как правило, существенно отличается от потока на фактическом уровне заложения подошвы фундамента здания [11,21];

• сопоставление ППР с поверхности грунта до и после сооружения здания не имеют смысла, поскольку после возведения здания коренным образом изменяется влажностное состояние верхнего слоя грунта, а также граничные условия в новой системе «грунт-здание» [10].

Сложившаяся практика прямых краткосрочных измерений ППР с поверхности грунта в случайные моменты времени не позволяет получать достоверные и воспроизводимые результаты [22], приводит к противоречивым выводам и не может служить основанием для принятия адекватного условиям строительства проектного решения.

Для проектирования радонобезопасных зданий необходимы теоретически обоснованные расчетные методы, связывающие экспериментально установленные радиационные характеристики источников радона, механизмы его переноса и факторы, определяющие поведение радона и его ДПР в помещениях здания [14]. Известно, что формирование радонового режима помещений здания зависит от целого ряда факторов, совместное действие которых можно учесть лишь в том случае, если рассматривать здание как единую систему, состоящую из следующих основных элементов (рис.1):

Рис. 1. Основные факторы, влияющие на формирование радоновой обстановки в здании.

1. Грунтовое основание здания (подсыпки, коренные грунты и т. п.) -основной источник радона;

2. Ограждающие конструкции, которые препятствуют проникновению радона из грунта в здание и одновременно сами являются источниками радона;

3. Менее значимые источники радона (водопровод, газ);

4. Система вентиляции, работа которой обеспечивает удаление (сток) поступившего в помещения радона.

Метод расчетной оценки концентрации радона в помещениях проектируемых зданий позволит прогнозировать уровни ЭРОА радона в здании при различных вариантах проектных решений ограждающих конструкций и режимов вентиляции помещений. Результаты прогнозирования могут составить основу для выбора оптимального проектного решения, позволяющего добиться поставленной цели при наименьших затратах.

Однако, практическое использование любого метода расчета оказывается невозможным при отсутствии представительных исходных данных, которые должны быть использованы в расчете. Поэтому актуальны исследования, направленные на определение расчетных значений физических характеристик грунтов в основаниях зданий и материалов их ограждающих конструкций. Прежде всего, коэффициентов диффузии радона в этих материалах.

Поскольку проблема обеспечения радонобезопасности зданий актуализировалась относительно недавно, диффузионная радонопроницаемость многих материалов и грунтов остается малоисследованной. Имеющиеся литературные данные о коэффициентах диффузии радона в исследовавшихся материалах достаточно противоречивы и иногда расходятся на два-три порядка и более (Приложение 1). Последнее объясняется не только ограниченным объемом проводившихся исследований, что, в частности, связано с их сложностью и большой трудоемкостью, но и с отсутствием достаточно производительного метода исследования и необходимого для этого экспериментального оборудования.

Актуальность работы обусловлена необходимостью создания современного метода и средства, пригодного для проведения планомерных масштабных исследований диффузионного массопереноса радона в широком наборе материалов.

Основная цель диссертации заключается в разработке усовершенствованного метода и экспериментальной установки для ускоренного определения коэффициента диффузии радона в материалах ограждающих конструкций зданий и их грунтовых оснований.

Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведен анализ известных методов экспериментального определения коэффициента диффузии радона и определены их недостатки.

2. Определен наиболее продуктивный метод и пути его усовершенствования в части расширения области применения, сокращения времени эксперимента, повышения точности измерений.

3. Разработана теоретическая основа усовершенствованного метода, основанная на математическом решении краевой задачи нестационарного диффузионного массопереноса радона в образце материала неограниченной толщины со стоками радона при соответствующих условиям эксперимента начальных и граничных условиях.

4. Разработана и изготовлена экспериментальная установка, реализующая усовершенствованный метод измерений.

5. Разработаны методика проведения и обработки результатов измерений.

6. Экспериментально определены коэффициенты диффузии радона в наиболее исследованных материалах, и полученные результаты сопоставлены с литературными данными.

Научная новизна работы заключается в разработке теоретической основы усовершенствованного метода определения коэффициента диффузии радона в строительных материалах и грунтах в нестационарном режиме массопереноса.

Положения, выносимые на защиту:

1. Теоретическая основа метода определения коэффициента диффузии радона в материалах ограждающих конструкций зданий и грунтах.

2. Установленные соотношения геометрических параметров рабочей камеры экспериментальной установки и образцов испытуемых материалов, при которых достигается требуемая точность измерений.

3. Экспериментальная установка и методика экспериментального определения коэффициента диффузии радона в материалах ограждающих конструкций зданий и грунтах.

4. Результаты экспериментальных исследований коэффициента диффузии радона в различных материалах.

Практически значимые результаты работы:

1. Создано экспериментальное устройство для ускоренных исследований коэффициентов диффузии радона в твердых, сыпучих, рулонных, пленочных и иных строительных материалах и грунтах;

2. Разработана методика и получены результаты экспериментального определения коэффициентов диффузии радона в бетоне и рулонном гидроизоляционном материале на битумной основе.

Основное содержание работы опубликовано:

1. Цапалов А. А. Мониторинг радона с использованием активированного угля. Научно-информационный журнал по радиационной безопасности «АНРИ», 1994, № 1, С. 40−43.

2. Гулабянц Л. А., Лившиц М. И., Цапалов А. А. Теоретическая основа нестационарного метода измерения коэффициента диффузии радона в пористой среде. Научно-информационный журнал по радиационной безопасности «АНРИ», 2006, № 2, С. 43−45.

3. Цапалов А. А. Нестационарный метод измерения коэффициента диффузии радона в пористой среде. Строительная физика в XXI веке: Материалы научно-технической конференции. — М.: НИИСФ РААСН, 2006, С. 486−489.

4. Гулабянц Л. А., Цапалов А. А. Экспериментальное устройство для измерения коэффициента диффузии радона в материалах. Научно-информационный журнал по радиационной безопасности «АНРИ», 2006, № 4, С. 35−37.

5. Гулабянц Л. А., Цапалов А. А. Метод и устройство для ускоренного измерения объемного коэффициента диффузии радона в различных материалах. Тезисы научно-практического семинара «Радон в геологоразведке и экологии». — М.: ГНЦ ВНИИгеосистем, 2007.

6. Гулабянц Л. А., Цапалов А. А. Определение коэффициента диффузии радона в бетоне и изоляционных материалах. Научно-информационный журнал по радиационной безопасности «АНРИ», 2008, № 2, С. 44−48.

7. Гулабянц Л. А., Цапалов А. А. Радонопроницаемость рулонного материала Техноэласт. Научно-технический и производственный журнал «Строительные материалы», 2008, № 10, С. 69−71.

Результаты работы внедрены в виде:

1. Опытного образца экспериментального устройства для определения коэффициента диффузии радона в материалах.

2. Проекта Стандарта НИИСФ РААСН «Метод определения коэффициента диффузии радона в материалах ограждающих конструкциях зданий» .

3. Пополнения базы данных НИИСФ о расчетных значениях коэффициентов диффузии радона в различных материалах.

При выполнении работы автор использовал опыт инструментального определения параметров ионизирующих излучений, а также методические приемы решения задач диффузионного массопереноса радона в пористых средах, представленные в трудах таких российских ученых, как А. С. Сердюкова, Э. М. Крисюк, Н. В. Демин, И. М. Хайкович, А. П. Ермилов и др., а также зарубежных ученых — Г. Запалака, В. Роджерса, К. Нильсена, К. Ковлера и др.

Составляющие основу диссертации исследования проведены автором в лаборатории радиационной безопасности в строительстве НИИ Строительной Физики РААСН при содействии приборостроительной компании ООО «НТЦ Амплитуда» .

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Нестационарные лабораторные методы определения коэффициента диффузии радона в строительных материалах и грунтах обладают рядом существенных преимуществ по сравнению со стационарными. Из числа нестационарных наиболее перспективным является представленный в [65] метод «мгновенного источника». Однако, теоретическая основа этого метода была разработана только для тонких пленочных материалов в предположении отсутствия в них стоков радона, что существенно ограничивает область применения метода.

2. Представленные в диссертации математическая формулировка и решение краевой задачи нестационарного диффузионного массопереноса радона в слое материала неограниченной толщины со стоками радона при воздействии на него «мгновенного» источника и соответствующих эксперименту начальных и граничных условиях представляет собой усовершенствованную теоретическую основу упомянутого выше метода.

3. Проведенные с помощью полученного математического решения задачи расчетные исследования показывают, что при использовании данного метода достаточно достоверное определение коэффициента диффузии радона в материалах с различной радонопроницаемостью возможно лишь при определенных, представленных в диссертации соотношениях геометрических параметров испытуемых образцов материалов и объема камеры экспериментальной установки.

4. При создании реализующей рассматриваемый метод экспериментальной установки решен ряд специфических задач, возникших в связи с необходимостью обеспечить:

• герметичность разъемных соединений элементов установки, в т. ч. образцов испытуемых материалов с их держателями;

• трансформацию рабочего объема камеры;

• «мгновенный» ввод и требуемый уровень начальной активности радона в камере;

• равномерное распределение радона в объеме камеры и необходимую интенсивность газообмена в пограничном слое на границе раздела сред «воздух в камере — образец» ;

• высокую стабильность чувствительности измерительного тракта установки;

• защиту детектора от образования на нем конденсата.

5. С помощью созданной экспериментальной установки определены коэффициенты диффузии радона в воздухе, воде, песке, бетоне, рулонном гидроизоляционном материале и радонозащитной мембране. Полученные результаты хорошо согласуются с соответствующими данными из литературных источников.

6. Основные технические характеристики экспериментальной установки:

• диапазон определяемого значения объемного коэффициента.

— 11 -5 2 диффузии радона — от 10 до 10 м/с;

• время испытания — 18 час;

• толщина и влагосодержание образца — не ограничены;

• погрешность определения коэффициента диффузии радона составляет: о для высокопроницаемых материалов в диапазоне -7 -5 2 от 10 до 10 м/с — не более 10%- о для умереннопроницаемых материалов в диапазоне.

— 10 -7 2 от 10 до 10 м /с — не более 20%- о для слабопроницаемых материалов в диапазоне от 10″ 11 до Ю" 10м2/с — не более 40%.

• допустимое изменение температуры окружающего воздуха во время испытаний не более 3 °C.