STRÅLNING FRÅN BETONG OCH BERGMATERIAL
Radiation from concrete and aggregates
Maiko Bové
maiko@spiceclub.info
2017 Examensarbete Bergmaterialingenjör
1
Sammanfattning
Från och med februari 2018 kommer EU:s strålskyddsdirektiv 2013/59/Euratom, implementeras i EU:s medlemsländer. Referensvärde för gammaexponering inomhus från byggnadsmaterial ska vara 1 mSv per år (Artikel 75). Radonhalt inomhus få inte överstiga 300 Bq/m3 (Artikel 74).
Bergmaterial i betong innehåller ofta naturligt förekommande radionuklider. I Sverige finns berggrund med relativt höga halter av naturlig förkommande radioaktiva ämnen ( K 40 , 238U , 232Th) jämfört med andra EU-medlemsstater. Många svenska bergmaterial har aktivitetsindex (AI) omkring 1. I praktiken har bergmaterial med AI över 2 valts bort från användning till betongballast. Nya direktivet har referensnivå för stråldos 1mSv/år och aktivitetsindex på 1 kan användas som ett konservativt screeningsverktyg.
Många svenskabergmaterial som trots dess utmärkt kvalitet som byggmaterial riskerar ytterligare begränsning inom användning av byggbranschen. Den som ska placera ett sådant byggmaterial på marknaden ska kunna redovisa mätresultat och korresponderande aktivitetsindex om detta efterfrågas.
Syfte med denna rapporten är att mäta strålning från bergmaterial och dess effekt på de slutliga betongprodukterna. Bergmaterial med olika halter av radioaktiv koncentration har gjutits till
betongkuber. Gammastrålning från betong och dess komponenter mäts i laboratorium så väl som dess radongasavgång. Betongrecept är: (i) ett med 20% flygaska och (ii) ett utan tillsattmaterial. Kolflygaska som är en viktig komponent inom cement och betong, är känd för att kunna innehålla olika halter av radioaktivt ämne. Allt material är uttaget från aktiva produktionslinjer. Betongrecept följer de faktiska produktionsstandarderna för bostadsbyggnader. Målet med rapporten är att öppna för diskussion och strategi för att kunna underlätta användning av bergmaterial som byggmaterial, även när nya EU- direktivet implementeras.
Resultaten visar differenser i laboratoriemätning med betydlig lägre gammastrålning och lägre AI index jämför med mätning på bergtäkt. Beräknat AI index utifrån materialets radioaktiva koncentration (Bq/kg) var 20% till 30% högre än laboratoriemätning. Tillverkad betong jämför med dess ingående bergmaterial visar lägre aktivitets koncentration (Bq/kg). AI index i nyproducerad betong var 28% till 40% lägre jämför med bergmaterials AI index från fältmätning. Radongasavgång från betong kub visa olika beteende när det gjuts med bergmaterial och flygaska. Kolflygaska som användes vid provningarna visade betydliga halter av anrikat uran/radium, som ger materialets AI index 1.
2
Abstract
The new EU directives 2013/59/Euratom, will be implemented by 2018. It includes reference level for gamma radiation from building material, 1mSv/year of building. (Article 75). Indoor exposure to radon concentrations shall not be higher than 300Bq/m3 (Article74).
Aggregates used in concretes often contains naturally occurring radionuclides. In Sweden, bedrock contains relatively high natural radioactivity ( K 40 , 238U , 232Th) than other EU member states and many Swedish aggregates have natural radioactive activity concentration index (AI) around 1. In practice, aggregate with AI value exceeding 2, has been avoided for use within concrete constructions. With the new EU directive, AI value of 1 can be used as a conservative screening tool for materials. Many Swedish aggregate, despite its excellent quality as construction material, are facing further limitation within the use of construction industry. Those who choose to place a product, such as building materials on the EU market should provide its radioactive activity concentration index (AI) for materials and building products.
This report intends to investigate the natural radioactivity from aggregates and its effect on the final concrete products. Aggregates with different radioactive concentration levels are casted into concrete cubes. Gamma radiation from the concrete cubes and its components are determined in laboratory as well as radon gas exhalation. Concrete receipt contains: (i) one with 20% fly ash and (ii) one without. Coal fly ash is one key component within cement and concrete, known to contain various levels of radioactive concentrations. All materials are taken from active production lines. Concrete receipt is following actual production standards for housing constructions. The report aims to open a discussion and strategy to keep using Swedish aggregates as building materials, following the implementation of the within new EU directives.
Results shows significant differences in aggregates gamma radiation and AI index, between laboratory measurement and measurement on its origin quarry. Calculated AI index was 20% to 30% higher than laboratory measurement. When casted into concrete, material´s radioactive concentration (Bq/kg) and AI index decreased, compared to its input aggregates. AI index for casted concrete shows 28% to 40% lower value compared to its aggregates on origin query. Radon gas exhalation from concrete cub shows various behavior when its casted with aggregates and fly ash. Coal fly ash measured on this project shows considerable levels of uran/radium concentrations, which gives AI index 1 for material.
3
Förord
Stort Tack!
Handledare: RISE / CBI - Magnus Döse Uppdragsgivare: Swerock - Staffan Carlström
Arbetsplats: Peab/Swerock teknikcenter - Martin Rydh, Olof Åkesson
Bergtäkt: Swerock Vändle - Patrick Ericzén, Swerock Gladö - Göran Andersson Material: Swerock Malmö – Simon Nordvall-Mårtensson
Fabrik: Swerock Helsingborg -Tuomo Kellokoski, Stefan Karlsson, Swerock Borås – Ulf Knutsson Laboratory: STUK Radiation and Nuclear Safety Authority (Finland) – Vesa-Pekka Varti
YH Bergmaterialingenjör (BMI) utbildning: Karel Miskovsky (Utbildningsledare), P-O Lycksell (Storumanlärcentrum), Eva Johansson (Envix), Per-Erik Persson (Cementa)
Familj
4
Innehållsförteckning
Sammanfattning ... 1
Abstract ... 2
1. Introduktion och bakgrund ... 6
1.1 Nya EU-strålskyddsdirektiv ... 6
1.2 Effekter av EU-direktivet ... 6
1.3 Examensarbete ... 7
1.4 Syfte och mål ... 7
1.5 Bakgrund ... 7
1.5.1 Strålning från bergmaterial ... 7
1.5.2 Strålning från byggmaterial ... 8
1.5.3 Joniserande strålning ... 9
1.5.4 Radon... 9
1.5.5 Radondöttrar fastnar på partiklar ... 11
1.5.6 1Bq = ett sönderfall per sekund ... 11
1.5.7 Olika enheter och storheter (Bq, Sv, dos och aktivitetsindex) ... 11
2. Metodik ... 12
2.1 Flödesschema ... 12
2.2 Fältmätning med gammaspektrometer ... 12
2.3 Laboratoriemätning ... 15
2.4 Beräkning av aktivitetsindex (AI) ... 16
2.5 Beräkning av teoretisk AI värde ... 17
2.6 Gjutning av betong ... 19
2.7 Radonmätning ... 21
2.8 Kontroll betongkvalitet – Tryckhållfasthet ... 22
2.9 Betongtunnslip ... 22
3. Resultat ... 23
3.1 Gammastrålning ... 23
3.1.1 Gammastrålning från bergmaterial ... 23
3.1.2 Gammastrålning från cement... 23
3.1.3 Gammastrålning från flygaska ... 23
3.1.4 Gammastrålning från betong ... 23
3.1.5. Beräkning av AI index från delkomponent ... 25
3.2 Radonavgång från betong ... 26
3.3 Tryckhållfasthet ... 27
3.4 Betongtunnslip ... 27
5
3.4.1 Utvärdering av mineral ... 27
3.4.2 Utvärdering av sprickfrekvens ... 29
3.4.3 Utvärdering av betongkvalitet ... 29
4. Analys och diskussion ... 30
4.1 Gammastrålning ... 30
4.2 Radonavgång från betong ... 32
4.3 Tryckhållfasthet ... 32
4.4 Mineralanalysen ... 32
5. Slutsatser & Rekommendationer ... 33
6. Referens ... 35
Bilaga 1: Strålning i Svenskberggrunden – Uranhalt ... 37
Bilaga 2: Joniserande strålning ... 38
Bilaga 3: Rikt- och gränsvärden för radon i inomhusluft ... 40
Bilaga 4: Arbetsmoment, plats, utrustning etc... 41
Bilaga 5: Produktblad – CEMENTA Rapid Slite ... 42
Bilaga 6: Produktblad – SWECEM Flygaska för betong ... 43
Bilaga 7: Betongrecept ... 44
Bilaga 8: Översikt resultat – Betong, delkomponenter och bergmaterial... 45
Bilaga 8-a: Delresultat - Fältmätning (Bergtäkt) ... 46
Bilaga 8-b: Delresultat - Laboratoriemätning (STUK) ... 46
Bilaga 8-c: Delresultat - Radonavgång (CBI) ... 47
Bilaga 8-d: Delresultat - Tryckhållfasthet (Peab/Swerock Teknikcenter) ... 47
Bilaga 9: Försök – Minskning av radioaktiv strålning från betong ... 48
Bilaga 10: Exempel - Beräkning av stråldos (mSv) i byggmaterial från aktivitets koncentrations (Bq/kg) ... 49
6
1. Introduktion och bakgrund
1.1 Nya EU-strålskyddsdirektiv
Från och med februari 2018 kommer EU:s strålskyddsdirektiv 2013/59/Euratom, implementeras i EU:s medlemsländer (EC,2013). Direktivet innehåller regler om hur stor stråldos man maximalt får utsättas i sin bostad, samt riktlinjer för hur innehållet av radioaktiva ämnen i byggmaterial ska redovisas. (Tabell 1) Referensnivå för radonhalt inomhus få inte överstiga 300Bq/m3
(Artikel 74). Referensnivå för extern gammaexponering inomhus från byggnadsmaterial, utöver extern exponering utomhus, ska vara 1 mSv per år (Artikel 75).
I Sverige finns gränsvärden för hur mycket en ny bostad får avge till de som vistas i byggnaden. Den maximala radonhalten i nybyggnad inomhusmiljö är enligt boverket 200Bq/m3 , samt för gammastrålning inomhus får inte överstiga 0.3µSv/h. Det motsvarar 2.3mSv/år*. (BFS 2011:6, BFS 2016:13) (*Boverket, 2012) (*Boverket har dock ej angivet vilken stråldos som avges, exempelvis persondos eller effektiv dos.)
I praktiken har man använt den övre gränsen på aktivitetsindex2 (som motsvarar 2mSv/år) i det färdiga byggmaterialet efter nordiska rekommendationer – s.k. flaggboken (2000).
Bergmaterial med aktivitetsindex över 2 har av entreprenörers valts bort från användning till betongballast och används istället inom anläggning, som t.ex. ballast till järnvägar och vägar.
1.2 Effekter av EU-direktivet
Hur påverkar det nya EU-direktivet byggmaterialbranschen? Kan ballast med strålning (aktivitetsindex över 1) användas till betong?
Nya EU-direktivet har referensnivå för stråldos 1mSv/år, vilket kan medföra att svenskt producerat byggmaterial med aktivitetsindex över 1 riskerar att bli utkonkurrerat på Europamarknaden. Anläggningar som broar, vägar och byggnader är inte reglerade i direktivet. Material som kan används inom hela EU marknad har bra konkurrensförmåga. Investeringar i betongfabriker med flera produktionslinjer är dock kostsamma. Det är enklare att välja bergmaterial som kan används till både husbyggnad, och
anläggningsändamål.
I det nya direktivet beskrivs att aktivitetsindex 1 är ett konservativt bedömningsverktyg och att man ska beakta i vilken omfattning materialet används. (EC,2013) Detta ger utrymme för att material med högre aktivitetsindex ska kunna användas som byggmaterial i begränsad omfattning. Enlig direktivet ska material som skall bedömas ur strålskyddspunkt, klassificeras med hjälp av aktivitetskoncentrationerna för radium-226, torium-232 och kalium-40. Den som ska placera ett sådant byggmaterial på marknaden ska kunna redovisa mätresultat och korresponderande aktivitetsindex om detta efterfrågas.
Tabell 1 Regelverk i Sverige och EU-direktivet Sverige EU 2018
Radonhalt inomhus
200 Bq/m3 (*)
300 Bq/m3 Gammastrålning
inomhus
0.3µSv/h(*) (motsvarar 2.3mSv/år)
1msv /år
Aktivitetsindex(AI) i byggmaterial
2 (**) 1(***)
* Gränsvärde för nybyggnad (Boverket)
** Nordiska rekommendationer (flaggboken)
*** Referensvärde. Ej gränsvärde.
Gränsvärde: Värden för inte överstigas Referensvärde: Kan går över värden, mjuk gränsvärde
7
1.3 Examensarbete
Detta examensarbete med fokus på joniserande strålning från krossat bergmaterial (bergkross) och gammastrålande alternativa bindemedel avses utgöra huvudinnehållet av examensarbetet (20YHP) för Kvalificerad yrkeshögskoleutbildning Bergmaterialingenjör (400YHP), Storumanlärcentrum. Mätning och beräkning av radongasavgång från betong för byggnader, värdering av betongkvalitet vid användning av polarisations mikroskopi av tunnslipp avser också utgöra en del av examensarbetet.
Uppdragsgivare är Swerock med handledning från RISE CBI (Magnus Döse) och PEAB/Swerock
teknikcenter. Arbete har utförts under våren 2017. Examensarbetets tillvägagångsätt för utvärdering av de olika del momenten beskrivs i kapitel 2, avsnitt Metodik.
1.4 Syfte och mål
Arbetets syftet är att få ökad kunskap om radioaktivitet i olika byggmaterial samt olika tekniker som kan appliceras för att analysera och utvärdera strålnings halten från dessa material. Detta för att kunna underlätta en korrekt användning av svenskt bergmaterial som byggmaterial, även när nya EU-direktivet är i bruk.
Målet är att redovisa mätresultat från olika typer av bergmaterial och olika analysmetoder för
radonmätning och gammastrålning samt jämföra mätresultaten. Bedömning av skillnader mellan strålning i bergtäkt på bergkrossmaterial och laboratoriemätningar av dessa material är också ett delmål, samt undersöka olika alternativa bindemedel.
1.5 Bakgrund
1.5.1
Strålning från bergmaterial
Allt byggmaterial som tillverkas av bergmaterial kan innehålla naturligt radioaktiva ämnen, såsom uran (U), radium (Ra), torium (Th) och kalium (K). Alla dessa grundämnen bidrar till gammastrålning i miljön.
Uran och torium kan även bidra till ädelgasen radon. Främst uran kan avge ansenligt med radon (Rn-222).
I Sverige finns väl dokumenterat berggrund med kända områden av förhöjd strålning och radioaktiva bergarter. (Figur A, Bilaga 1) Strålningen beror på bergartens mineralsammansättning. Bergarter med hög halt av radioaktiva ämnen består ofta av granitiska och pegmatitiska bergarter. Den mest kända uran fyndigheten i Sverige är dock den sedimentära Alunskiffern som påfinnes annat ibland Västergötland.
Halterna av radioaktiva ämnena varierar i olika bergarter. (Tabell 2) Industriella bi-produkter från bergmaterial såsom; (i) gips, (ii) masugnsslagg och (iii) kolflygaska som används för tillverkning av byggmaterial, kan också innehålla höga halter av radioaktiva ämnena (EC, 1999, Tabell 3).
Tabell 2. Halter av uran, torium, kalium och aktivitetsindex i exempelbergart i Sverige. – SGU,2015
8 Flygaska används i först hand för att få bättre
konsistens på betong, men också omtyckt inom branschen för att minska den GWP (global warming potential) faktorn i användet av EPD ( Environment produkt declaration). Cement (klinker) ger stora CO2 utsläpp vid tillverkning. Försök pågår på nya
bindemedelskombinationer i betong med att minska klinker andel i cement och öka tillsatsmaterial som flygaska och massugnsslagg .
Inom ramen för examensprojektet undersöktes två bergarter. Den ena från ett känt område med mycket förhöjd strålning, den andra från en bergtäkt
producerande betongballast, (Figur B).
Flygaska och cement analyserades också för halter av radioaktiva ämnen och gammastrålning.
Nyproducerad betong baserad på de utvalda ballasttyperna, analyserades med avseende på gammastrålning och radongasavgång. Resultaten presenteras i Kapitel 3.
1.5.2 Strålning från byggmaterial
Alunskifferbaserad lättbetong kallas också för blåbetong och tillverkades i Sverige mellan 1929 och 1975. Gammastrålning i hus där alla väggar och bjälklag består av blåbetong kan uppnå en strålning kring 1.2 µSv/h. Är luftomsättningen låg (kring 0,2 oms/h) i sådant hus kan radonavgång från blåbetong ge radonhalter inomhus runt 800 Bq/m3
,
(Clavensjö &Åkerholm, 2004).
Hur mycket gammastrålning som byggmaterialet bidrar med till den färdiga byggnaden beror dels på vilket koncentration av radioaktiva ämnena materialet har, och dels på i vilken omfattning materialet
används. Materialets densitet och tjocklek har också en avgivande betydelse (EC,1999)
Dämpning av gammastrålningen sker i materialet av sig självt. I en studie av Döse m.fl. (2015) ser man att aktivitetsindex för betong hamnade 16–19% lägre än aktivitetsindex för det ingående ballastmaterialet, (Jelinek & Eliasson,2015).
Vid bland annat mätning av gammastrålning i
byggmaterial, kan man använda gammaspektrometer.
Gammaspektrometer kan indirekt ta reda på halter av radioaktiva ämnen, om det är uran/radium (Ra-226)
torium (Th-232) eller kalium(K-40) som är orsak till gammastrålningen. Detta används för att beräkna specifika aktivitets koncentration (Bq/kg) i materialet, och bedömning av risken för förhöjd radonavgång (Bq/m3). För mätteknik, se Kapitel 2 Metodik
Figur A. Område med kända radioaktiva bergarter, granitiska och pegmatitiska bergarter i urberget (brunt) och alunskiffer (mörkgrönt). Figur B. Uranhalt flygmätt längs markytan, (SGU, 2015). Bergtäkt där material används för analys inringat med svart cirkel, 1. Vändle, 2. Gladö.
Tabell 3. Halter av radioaktivt ämne (Bq/kg) i byggmaterial inom EU – RP112
Material Vanligast aktivitet koncentration för byggmaterial
Maximum aktivitet koncentration för byggmaterial Ra-
226 Th- 232
K- 40
Ra- 226
Th- 232
K- 40
Betong 40 30 400 240 190 1600
Lättbetong 60 40 430 2600 190 1600 Tegel(ler) 50 50 670 200 200 2000 Tegel (sand-,
kalksten)
10 10 330 25 30 700
Natursten 60 60 640 500 310 4000
Naturgips 10 10 80 70 100 200
Bi-produkt gips(fosforgips)
390 20 60 1100 160 300
Masugnsslagg 270 70 240 2100 340 1000 Kolflygaska 180 100 650 1100 300 1500
1 1
2
A B
9
1.5.3 Joniserande strålning
När radioaktiva ämnen sönderfaller avges joniserande strålning, alfa (α), beta (β) eller gammastrålning (ϒ).
Strålning har olika räckvidd och genomträngningsförmåga. Alfastrålningen stoppas av yttersta hudskiktet, men ger stor stråldos när de befinner sig i kroppen. β -strålning kan ge skador på ytliga organ som ögats lins. Gammastrålning från ett radioaktivt ämne utanför kroppen kan träffa alla vävnader och celler inuti kroppen. (Figur C, Bilaga 2)
Gammastrålning från byggmaterial kan ge extern och intern exponering till de som vistas i byggnaden.
Alfa och betastrålning kan i första hand skada människan med intern exponering om ämnet kommer in i kroppen genom inandningsluft, livsmedel och dricksvatten. Radon (Rn) är det vanligaste alfastrålande grundämnet som kan komma in i kroppen.
1.5.4 Radon
Radonhalterna i inomhusluft varierar beroende på berggrund och jordlager byggnaderna står på.
Dessutom beror det av byggnadskonstruktion och byggnadsmaterialen som används. Luftomsättningen har också stor betydelse för radonhalten i inomhusluften.
De nordiska länderna har relativt höga radonhalter inomhus. (Tabell 4) I Sverige är medelvärde på radonhalten i bostäder på 108 Bq/m3, Finland 123 Bq/m3, Norge 75 Bq/m3, och Danmark 47 Bq/m3. I genomsnitt är den naturliga stråldosen i Sverige 3.0 mSv/år.
Radon anses vara den största bidragande orsaken med 1.9 mSv/år från inomhus miljön.
(Strålskyddsmyndigheterna i Danmark, Finland, Island, Norge och Sverige- Flaggboken, 2000).
Enligt, Radonboken (Clavensjö & Åkerholm, 2014) är radonavgång i betong 2-20 Bq//m2ℎ med radiumhalt 20–200 Bq/kg.
Figur C. Typ av joniserande strålning och olika genomträngningsförmåga – Grafik: SSI (Bilaga 2)
Tabell 4. Årlig naturlig stråldos i nordiska länder (mSv/år) och medelvärde radonhalt i bostäder (Bq/𝐦𝟑) - Flagboken 2000
Källa Finland Sverige Danmark Norge Island Berggrund och
byggnadsmaterial
0.5 0.5 0.3 0.5 0.2
Radon i hus och arbetsplats
2.0 1.9 1.0 1.7 0.2
Egna kroppen 0.3 0.3 0.3 0.35 0.3 Världsrymden 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 Total(mSv/år) 3.1 3.0 2.0 2.9 1.0
Radonhalt (Bq/𝒎𝟑) Medelvärde i bostad
123 108 47 75 -
10 Sönderfallskedjan
Radon (Rn) är radioaktiv ädelgas och bildas när det radioaktiva ämne radium (Ra) sönderfaller.
Radium(Ra-226) bildas i sönderfallserien från uran och torium. Radon sönderfaller med α- strålning till nya radioaktiva grundämnen så kallade radondöttrar-” kortlivade radondöttrar” (218Po,214Pb,214Po,218Po) och ”Långlivade radondöttrar” (210Pb,210Bi, 210Po). Radondöttrar är små laddade partiklar av radioaktiva tungmetaller – bly, vismut och polonium. Slutprodukter i sönderfallskedjan är en stabil isotop av bly-206 (Tabell5).
Radon och toron
Olika typer av radonisotoper bildas när materialet innehåller ett radioaktivt ämne, såsom uran eller torium. Radon -222 (radon) som bildas från uran-238/radium-226 sönderfallsserien anses mer skadligt, än radon-220 (toron) från torium-232. Detta beror på att radon-222 har halveringstid på 3.8 dygn, medan toron har halveringstid på 55sek, (Tabell 6). Den tid det tar för en radioaktiv isotop att sönderfalla till hälften av sin ursprungliga koncentration kallas för halveringstid.
Hälsorisk med radon
Hälsoriskerna med radon beror på att radon och radondöttrar följer med inandningsluften till luftrör och andningsceller(alveoler) i lungorna, (Figur D). Det är dessa radondöttrar som gör radon så skadligt med avgivande av α-strålning.
Strålningen som ett radioaktivt ämne avger vid sönderfallet orsakar skador som kan leda till cancer. (Figur E) Radioaktiva bly-210 som bildas under radon-222 kan ge β-strålning med halveringstid på 22.3år.
Polonium-210 kan ge α-strålning med halveringstid på 138.4dygn.
Tabell5. Sönderfallskedja för uran-238 och radon-222
Isotop Halveringstid Huvudsaklig
strålning Uran-238 (U) 4,5 *109
(miljard)år α
Torium-234 (Th) 24,1dygn β Protakrinium-234
(Pa)
1.2min β
Uran-234 (U) 250 000år α
Torium-230 (Th) 80 000år α
Radium-226 (Ra) 1 640år α
Radon-222 (Rn) 3.8dygn α (radon) Polonium-218 (Po) 3.05min α
Bly-214 (Pb) 26.8min β, ϒ
Vismut-214 (Bi) 19.7min β, ϒ **
Polonium-214 (Po) 1,6*10−4sek α
Bly-210 (Pb) 22.3år β
Vismut-210 (Bi) 5.01dygn β Polonium-210 (Po) 138.4dygn α Bly-206 (Pb) Stabil, ej radioaktiv
Tabell6. Sönderfallskedja för torium-232 och Radon-220 Isotop Halveringstid Huvudsaklig
strålning Torium-232(Th) 14 miljard år α Radium-228 (Ra) 5.7år β Aktinium-228
(Ac)
6,1tim β, ϒ
Torium-228 (Th) 1,9år α, ϒ Radium-224 (Ra) 3.7dygn α, ϒ Radon-220 (Rn) 55,6sek α (toron) Polonium-216
(Po)
0.16sek α
Bly-212 (Pb) 10,6tim β, ϒ Vismut-212 (Bi) 60.6min α, β, ϒ Polonium-212
(Po)
3,4*10−7sek α
Tallium-208 (Ti) 3.1min β, ϒ **
Bly-208 (Pb) Stabil, ej radioaktiv
* Rn-220 även kallad toron.
**Halter av uran-238 och torium-232 mäts indirekt med gammaspektrometer genom omräkning av
gammastrålningen från vismut-214 och tallium-208.
11
1.5.5 Radondöttrar fastnar på partiklar
Radon har ingen laddning och attraheras inte till andra partiklar eller ytor. Däremot har de nybildade radondöttrarna som är laddade tungmetallpartiklar, en stor benägenhet att fastna på bland annat damm och andra partiklar i luften eller på andra ytor.
” Resultatet blir en högre halt av radondöttrar i luften i dammiga rum än i ”rena” rum vid en och samma radonhalt.”
(Clavensjö & Åkerblom, 2004).
1.5.6 1Bq = ett sönderfall per sekund
Ett radioaktivt ämnes koncentrations anges med dess aktivitet som mäts i SI-enheten bequerel(Bq). En Bq är ett sönderfall per sekund.
Vid mätning av radonhalter i marken och i bostäder anges bequerel per kubikmeter, Bq/m3
.
1 Bq radon per kubikmeter i luft innebär att det sker ett sönderfall av en radonatom per sekund i varje kubikmeter luft. Vid sönderfallet bildas som nämnts radondöttrarna som också ger alfa strålning.Effekterna är knutna till tid, d.v.s. hur länge man vistas i strålningsmiljon.
Till. ex.: En radioaktiv strålkälla med aktivitetskoncentration av
200Bq/m3(1 m3luft =1,3kg) ger ifrån sig = 200 sönderfall per sekund per m3 = 12 000 sönderfall per minut per m3 = 720 000 sönderfall per timme per m3 Riktvärden för radonhalt i bostäder för allmänna ändamål är enligt Folkhälsomyndigheten, 200 Bq/m3(FoHMFS 2014: 16 ) och gränsvärden för nybyggda bostäder är enligt Boverket,200 Bq/m3(BFS 2011:6). För olika arbetsplatser varierar gränsvärden enligt Arbetsmiljöverket mellan 200 Bq/m3 ,400 Bq/m3(arbete i färdigt bergrum), och 1300 Bq/m3 (underjordsarbete, som berg- och gruvarbete) (AFS 2015:7), (Bilaga 3).
1.5.7 Olika enheter och storheter (Bq, Sv, dos och aktivitetsindex)
Ett radioaktivt ämnes aktivitetskoncentration mäts i Bq (becquerel = sönderfall/sekund) och anger hur mycket strålning en radioaktiv strålkälla ger ifrån sig.
Dos mäts i Sv (sievert = joule/kg) och anger hur mycket strålningsenergi en bestrålad kropp tar upp.
Effektiv dos tar hänsyn till vilken sorts strålning det gäller och vilka kroppsdelar som har bestrålats. Om strålningen kommer från radioaktivt material som man andats in eller svalt tar dosuppskattningen hänsyn till hur länge ämnet stannar i kroppen.
Aktivitetsindex (AI) används för att uppskatta hur mycket gammastrålning som avges från ett material.
Om ett material har aktivitetsindex 1 ger det upphov till en stråldos på 1 mSv/år, utifrån vissa givna förutsättningar på betongtjocklek och densitet.
Figur D. Radon och radondöttrar följer med inandningsluften till luftrör och lungor- SSI, 2017
Figur E. Alfastrålning (svart linje) från radioaktivt ämne i prov av människor som dött av cancer några år efter 1945. OBS! Anses alfasönderfall från 239Pu/
235U - Shichijo K, 2009
12
2. Metodik
2.1 Flödesschema
Examensarbetets tillvägagångsätt beskrivs översiktligt i flödesschema presenterat i Figur F.
Arbetsmoment
(Bilaga 4)• Utvalda ballasttyper analyserades i förstahand avseende gammastrålning och radongas avgång.
• Två bergmaterial har mätts på gammastrålning i befintliga bergtäkter (Vändle och Gladö).
• Delkomponenter av betongrecept (ballast 0/4 & 8/16, cement och flygaska) och nyproducerad betong mättes i laboratorium.
• Total 20 st betongkuber (150*150*150mm) har gjutits från två utvalda bergmaterial och två olika betongrecept.
• Framtagna betongrecept används vanligen för husbyggnad (C30/37, VCT 0.55) Följande betongrecept användes; (A) med 20% tillsatt flygaska, och (B) utan tillsatt flygaska.
• Radongasavgång från betongkuber mäts på CBI.
• Värdering av betongkvalitet och mineralsammansättning har utförts med polarisations mikroskopi av tunnslip från planslip tagna från betongkuberna.
• Betongkvalitet kontrolleras med tryckhållfasthet.
2.2 Fältmätning med gammaspektrometer
Teori bakom mätning - Radioaktiv jämnvikt
En nuklid som sönderfaller ger en specifik energinivå för gammastrålning. En gammaspektrometer kan registrera gammastrålning med olika energier, (Figur G).
Halter av uran-238 och torium-232 mäts indirekt genom omräkning av gammastrålningen från vismut-214 (dotternuklid till radium-226) och tallium-208 (dotternuklid till torium-232).
90% av den gammastrålning som genereras vid sönderfall inom serien för uran-238 bildas vid sönderfall av radondöttrarna bly- 214 och vismut-214. (Tabell 5 & 6) Man antar vid mätning att vismut-214, tallium 208 och endast under dessa förutsättningar att alla andra element i sönderfallskedjan har samma
aktivitetskoncentration –detta kallas för radioaktiv jämnvikt.
Det är viktig att vara medveten att det alltid finnas avvikelser i mätningar av radioaktivitet.
Radioaktiv jämnvikt gäller i kristallint berggrund, medan det kan vara annorlunda i jord på grund av att kemiska processer kan skilja ämnen i urans sönderfallskedja med olika mobilitet och vattenlöslighet etc.
(Jelinek& Eliasson, 2015).
Figur G: Gammaspektrometer-RS230 Instrument är kalibrerat med kända halter av radium-226, torium-232 och kalium-40.
13
Figur F : Flödesschema
Fältmätning
Gammastrålning på bergtäkt
• Vändle
• Gladö
Laboratoriemätning Gammastrålning
• Ballast
• Cement
• Flygaska
• Betong
Mätning på betongkub
• Radonavgång
• Gammastrålning
Kontroll betongkvalitet
• Tryckhållfasthet
Betongtunnslip utvärdering av
• Mineral
• Sprickfrekvens
• Betongkvalitet
• Betongrecept (C30/37 VCT0.55) A: med flygaska 20%
B: utan flygaska
Startmöte
Rapport Gjutning av
betongkub
Sammanställning Beräkning av radioaktivitet
material och byggnad
14
Bergtäkt
Vid startmötet valdes bergtäkter samt gällande betongrecept för husändamål. En bergtäkt från känt område med förhöjd strålning valdes ut och en där strålningsenergi för gammastrålning ansågs moderat, (Figur B).
I Vändletäkten bryts en granitisk bergart. I Gladötäkten bryts material från en metasedimentär gnejs, delvis med kristalliserad yngre granitoid. Vändletäkten i Västerås har högre halter av radioaktivt ämnen (aktivitetsindex över 2). Bergmaterial från denna täkt används för järnväg och anläggning av vägar, (Figur H1). Bergmaterial från Gladö i Huddinge producerar ballast för betong, (Figur H2).
Mätning har utförts med gammaspektrometer-RS 230 (Figur G) på upplag med sortering 0/4 och 8/16.
Vid mätning på bergtäkt ska effekter från omgivande upplag och täktväggets beaktas. Fuktighet kan dämpa strålning och påverka värdena. Vid mätning noteras värdena och upplagets kondition – våt/torr.
(Figur H3)
Figur H1: Fältmätning – Vändle 0/4
Figur H2 Fältmätning på plan yta–
Gladö 8/16
Figur H3: Bergtäkt Vändle.
Fuktighet kan påverka mätning.
Detta noteras vid fältmätning.
Provtagning av material efter fältmätning
Provtagning av materialet från bergtäkterna är lika viktig som själva mätningen. Mätvärde kan variera mycket inom en och samma bergtäkt och dess upplag, detta beror på ingående bergarter och mineral sammansättningen i bergmassan vilken ofta varieras.
Materialet för projektet har tagits från upplag med hjullastare, så gott möjligt nära mätpunkten, (Figur I1).
Sedan lastat in i en stor säck (Figur I2) och skickats till teknikcenter i Helsingborg för neddelning inför laboratoriemätning och gjutning av betongkuber, (Figur I3).
Figur I1: Provtagning från mätpunkt - Vändle
Figur I2: Från upplag till säcken med hjullastare - Vändle
Figur I3: Säcken ca700kg/st. på pall ca.1,2m - Vändle
15
2.3 Laboratoriemätning
Mätning på delkomponenter
Gammastrålning på delmaterialer bör mätas i laboratorium. Detta för att mäta enkom själva materialets specifika radioaktiva koncentration (Bq/kg) utan påverkan från omgivningen.
Delmaterial har skickats till STUK (Radiation and nuclear safety authority, Finland) för den ackrediterade provmetoden avancerad mätning med gammaspekrometer (gammaspecrometry, inhouse guide VALO 4.5, Figur J).
Neddelning av provmaterial
Bergmaterial för laboratoriemätning har tagits ut slumpmässigt 20 kg utifrån säcken ca. 700kg och delats ned till 5kg med neddelningsapparat enligt standard för neddelning av laboratorieprov. (SS-EN 932–2, SIS).(Figur K)
Figur K1: Vändle 8/16 för STUK Figur K2: Gladö 8/16 för STUK Figur K3: Neddelningsapparat Figur J: Laboratorium för
gammaspektrometri.
Delkomponenter av betong har skickats till STUK i nedan angivna mängd.
• Ballast 0/4 - 5kg
• Ballast 8/16 – 5kg
• Cement – 2kg
• Flygaska – 2kg
Efter gjutning av 5*4 =20 stycken betongkuber, har 1st av varje kub krossas till 0/16 och skickats till STUK för mätning.
Krossad betong 0/16
• Vändle A (med tillsatt flygaska)
• Vändle B (Standard)
• Gladö A (med tillsatt flygaska)
• Gladö B (standard)
16 Framtagning av provmaterial - cement och flygaska
Cement och flygaska hämtades direkt från betongfabrik (Swerock AB /Malmö), (Figur J). Cement som används för prov är av ren portlandcement (CEM1) utan tillsatsmaterial. Består av huvudsakligen cement klinker framställt från bränd kalksten. Detta för att undersöka på den rena effekten av flygaska. Flygaska som används för prov kommer från kolkraftverk i Danmark.
Följande produkter har använts:
Cement: CEMENTA Rapid Slite
Portlandcement EN 197–1 – CEM I 52,5 R
Ren portlandcement utan tillsättmaterial, (Bilaga 5) Flygaska: SWECEM Flygaska för betong EN450-1 TypB5 Kolflygaska från kolkraftverket i Danmark. Används
som tillsatsmaterial för betong, puts och bruk samt som vidhäftningsmedel i asfalt, (Bilaga 6).
2.4 Beräkning av aktivitetsindex (AI)
För att kunna bestämma hur mycket gammastrålning som avges från ett byggnadsmaterial, används ett aktivitetsindex (AI) som beräknas enligt formeln.
𝐈 = 𝑪𝑲
𝟑𝟎𝟎𝟎+𝑪𝑹𝒂
𝟑𝟎𝟎+𝑪𝑻𝒉
𝟐𝟎𝟎
I vilken 𝐶𝑘 𝐶𝑅𝑎, 𝐶𝑇ℎ är aktivitetskoncentrationer av kalium, radium och torium i materialet.
Enheten är Bq/kg.
Man kan konvertera halt ppm (percent and parts per million) för specifik aktivitet (Bq/kg) enlig IAEA rekommendation (IAEA TEC-doc, 1989) som visas nedan.
Konvertering 1 ppm till Bq/kg Radium (226Ra)/Uran(238U)* 12.35, Torium (232Th)=* 4,06, Konvertering 1 % till Bq/kg Kalium ( K40 ) * 313
Om ett material har aktivitetsindex 1, ger det uppskattningsvis upphov till en stråldos på 1mSv/år för en människa. Detta gäller när man har använt samma material för golv, väggar och tak och att man vistas i bostaden i ett rum
(4m*5m*2.8m) under en bestämd tid (7000 timmer/år) samt att byggnadsmaterialet har en bestämd densitet (2350kg/m3). (EC,1999)
För resultat och beräknat aktivitetsindex för undersökta provmaterial, Kapital 3 Resultat. (Bilaga 8).
Figur J: Cement och flygaska är hämtade direkt från betongfabriken i Swerock AB/ Malmö.
17
2.5 Beräkning av teoretisk AI värde
Teoretisk AI värde i betong kan beräknades med:
Använt aktuellt material (kg) i betongrecept (Tabell7) vid blandning och dess aktivitets koncentration ( Bq/kg) från varje nuklid ( Ra-226, Th-232 och K-40) från STUK laboratoriemätning (Tabell 8).
Teoretisk (AI)
= Ra-232 (Bq/kg) i betong/300 + Th-232 (Bq/kg) i betong/ 200 + K-40 (Bq/kg) i betong /3000
Andel nuklid (Bq(kg) i betong beräknas med:
Nuklid (Bq/kg) = vattens nuklid (Bq/kg) * använt vatten (kg) / total massa i blandning(kg) + Cement nuklid (Bq/kg) * använt cement (kg) /total massa(kg)
+ Flygaska nuklid (Bq/kg)* använt flygaska (kg) /total massa (kg) + 0/4 nuklid (Bq/kg) * använt 0/4 (kg) / total massa (kg)
+ 8/16 nuklid(Bq/kg)* använt 8/16 (kg) / total massa (kg)
Varje nuklid, (Ra-232, Th-232, och K-40) beräknas, sedan beräknas AI index. Vatten och flytmedels aktivitetskoncentration (Bq/kg) beräknas inte i detta studie.
Exempel på beräkning: Vändle A (med flygaska) Summa Ra-232(Bq/kg)= Vatten 0 * 6.0kg/94.3.kg
+ Cement 28 Bq/kg* 12.4kg/94.3kg + Aska 135 Bq/kg * 3.2 kg/94.3kg + Vändle 0/4 228 Bq/kg * 39.9g/94.3kg + Vändle 8/16 195 Bq/kg *32.8kg/94.3kg
= Vatten 0 + Cement 3.68 + Aska 4.58 + 0/4 96.47 + 8/16 67.83 = 172.56 (Bq/kg)
Med samma sätt beräknas Th-232 =139.43(Bq/kg), K-40 =981.58(Bq/kg)
Teoretisk aktivitetsindex (AI) för Vändle A = 172.56/300 + 139.43/200 + 981.58/3000 = 1.5994 = 1.60
18
Förklaring
Aktivitetsindex (AI) är beräknat utifrån strålningsenerginivåer i betong (specifik aktivitet i nGy per Bq/kg) enligt RP 112, (2.4) Detta är beräknat för betong, dess densitet (2350kg/m3) och en given tjocklek (20cm).
Beräkningen av AI-index för bergmaterial kan delvis förlåta använda samma beräknings formel från RP112, då betong och bergmaterial är relativt täta material med hög densitet.
Densitet
Betong 2350 kg/m3 (Givna värden för beräkningsunderlag i RP112) Vändle A 2375 kg/m3 (Tabell 8)
Vändle B 2345 kg/m3 Gladö A 2400 kg/m3 Gladö B 2430 Kg/m3 Bergmaterial
Vändle (8/16) 2640 kg/m3 (Tabell 7) Gladö (8/16) 2700 kg/m3
Man kan inte beräkna AI-index i betong direkt från respektive delmaterials AI index, p.g.a. att variationen kan slutligen bli ganska stor och ganska långt ifrån energi-nivåer som AI-index är definierat för betong med utgivna densitet (2350 kg/m3) och tjocklek (20cm).
Om man istället räknar på respektive nuklid för respektive material i Bq/kg (de siffror från
laboratoriemätning av delmaterialer, Bilaga8b) i betongrecept och sedan summerar de nuklid i alla delmaterial i betongen, får man en slutsumma av respektive nuklid (Bq/kg) i betongrecept. Man räknar ut för varje nukliderna (Ra-226, Th-232 och K-40) och erhålla siffror för summa nuklider i respektive
betongrecept.
Slutligen kan man räkna ut AI-index (teoretiskvärde) med hjälp av ”Ra-226 en summa” och ”Th-232 en summa” och ”K-40 en summa”, för respektive betongrecept.
Med detta sätt kan man räkna ut AI-index (Teoretisk värde utifrån mätta resultat av STUK) och därefter jämföra med erhållna siffror från betongen (0/16 kross), omräknat till AI-index från laboratoriemätning (STUK).
För resultat och beräknat aktivitetsindex för undersökta provmaterial, Kapital 3 Resultat. (Bilaga 8).
19
2.6 Gjutning av betong
Blandning och gjutning av betongkuber
Betongrecepten har anpassats efter bergmaterials densitet och bergmaterials fuktighet, fuktkvot, (tabell 7). Blandning med labblandare (Zyklos) och gjutning av 20 stycken
betongkuber(150*150*150mm) har utfördes hos Peab/Swerock teknikcenter i Helsingborg. Sättmått och lufthalt kontrollerade.
Efter 1 dygn tags betongkuber ur formen och vattenlagerades, (Figur L). Efter 7 dygn sågas en del kuber itu och skickades till STUK för gammaspektrometri analys, och till RISE / CBI för tunnslip analys, (Figur M).
Blandning av recept – översiktlig beskrivning
Vändle A och B Blandning (Tabell 7)
10sek med aska, cement, finmaterial 0/4 blandas, 10sek med 8/16 blandas,
tillsätter ½ vatten + ½ vatten + flytmedel och blandas under total 2.45min
Sättmått A 250mm, B 210mm
Visa separation på ytan pga. för lång vibration (Figur K2)
Gladö A och B Blandning (Tabell7)
10sek med aska, cement, finmaterial 0/4 blandas, 10sek med 8/16 blandas,
tillsätter ½ vatten + ½ vatten + flytmedel och blandas under total 2.45min
Sättmått A 240mm, B 210mm
Visa separation på ytan pga. för lång vibration (Figur K3)
Figur K1: Förberedelse av
material enligt recept och fuktkvot.
Figur K2: Vändle A Sågat yta
Figur K3: Gladö A Sågat yta
Figur M1 Neddelning av betongkuber för laboratoriemätning. Gjutna betongkuber sågas och krossas till 0/16
20
Tabell 7 Aktuell betongrecept, sättmått och lufthalt: C30/37 VCT 0.55 (40liter)
Vändle Aflygaska
Vändle B Standard
Gladö A Flygaska
Gladö B Standard
Gjutdatum 2017-04-03 2017-04-03 2017-04-10 2017-04-10
Sättmått 250mm 210mm 240mm 210mm
Lufthalt 0.6% 2.5% 1.0% 0.7%
Densitet 0/4 (Fuktkvot)
2650 Kg/m3 (4.7%)
2650 Kg/m3 (4.7%)
2650 Kg/m3 (2.3%)
2650 Kg/m3 (2.3%) Densitet 8/16
(Fuktkvot)
2640 Kg/m3 (0%) 2640 Kg/m3 (0%) 2700 Kg/m3(0%) 2700 Kg/m3 (0%) 0/4 *1
(recept)
39.9 kg (38.1kg) 41.3 kg (39.4kg) 39.0 kg (38.1kg) 40.3 kg (39.4kg)
8/16 32.8 kg 34.0 kg 33.6 kg 34.8 kg
Cement 12.4 kg 14.2 kg 12.4 kg 14.2 kg
Flygaska*2 3.2 kg 0 kg 3.2 kg 0 kg
Vatten (recept) 6.0 kg (7.8 kg) 5.9 kg (7.8kg) 6.0 kg (7.8kg) 6.9 kg (7.8 kg)
Flyttmedel*3 1.3 dl 1.2 dl 1.0 dl(1.3dl) 1.2 dl
Totalt 94.3 kg 95.4 kg 96.2 kg 95.0 kg
*1 Betongrecept 0/4 och vattenmängden modifierad efter fuktkvot.
*2 Flygaska 20% av cement
*3 Flytmedel Vändle 0,84% av cement + aska, Gladö A, minskat till 1.0dl
Figur L1: Kontroll av sätt mått.
L2.Kuber i vattenlaggering. 5 stycken från varje betongrecept.
L3. Betongkub med markering.
Efter 1dygn.
21
2.7 Radonmätning
1st kub av varje betongblandning, total 4 stycken betongkuber (Vändle A, Vändle B, Gladö A, Gladö B) mäts för radonavgång på CBI med utrustning ATMOS 12DPX.
Mätning utfördes för obehandlad yta. Mätning utförs under 1dygn och medelvärde registreras var 10 min.
Betongkuben placeras i en mätnings låda och tätas så att ingen luft kommer in i test lådan. Radongas från kub leds till mätinstrumentet och sedan till baka till lådan via ansluten luftkabel. (Figur N) Med denna utrusning mäts enbart radonhalt (Rn-222). Toron(Rn-220) från torium anges inte i resultat.
Figur N1: Radonmätare (ATOMOS 12DPX) med tät radon kammare till högre.
N2: Betongkub omsluten av aluminiumtejp inför radonmätning.
N3: Betongkub i radonlådan. Endast 1 sidan av betongkub är öppen vid mätning av radon exhalation.
Mätprocedur
Radonhalt i hus beräknas utifrån antagen radonavgång (Bqm2h) med luftomsättning 0,5oms/h.
Beräkningsunderlaget är baserat efter väggarean är 3 * 4 * 2.5 m med en areal av 59 m2 där alla väggar utgörs av betong enligt recept. Volymen är 30 m3. (Clavensjö & Åkerholm,2004).
22
2.8 Kontroll betongkvalitet – Tryckhållfasthet
Två kuber av varje tillverkad betongblandning, total 8 stycken betongkuber mäts för tryckhållfasthet enligt standard för hårdnad betong (SS-EN 12390–3). Detta för att för att kontrollera om tillverkade
betongkuber håller den avsedda betongkvalitén C30/37, (Bilaga 8 & 8d, Figur O)
Provningen utfördes på Peab/Swerock teknikcenter. (Vändle A 2stycken, Vändle B 2stycken, Gladö A 2stycken, Gladö B 2stycken)
Figur O-1: Tryckhållfast för hårdnad betong provas enligt standard SS-EN 12390-3.
Figur O-2: Betongkub efter tryckhållfasthet prov.
2.9 Betongtunnslip
Betongkvalitet, sprickfrekvens och mineral har undersökts med polarisations mikroskopi och fluorescerande ljus på RISE/CBI.
Betongkub sågas i bitar och förbehandlas på RISE/ CBI. (Figur P)
Avsikten har varit att undersöka om; (i) uran- och toriumrika mineral kan identifieras, (ii) undersöka betongs sprickfrekvens samt (iii) betongens sammansättning.
Figur P-1: Halv slipade betong från sågat kub - CBI
Figur P-2: Storlek 10cm*5cm*1cm -CBI
Figur P-3: Förbehandlat med fluorescerande medel. - CBI
23
3. Resultat
3.1 Gammastrålning
Mätning av gammastrålning från bergmaterial utfördes under torr väderlek. Undersökningarna utfördes under samma dag för båda bergtäkterna, Tabell 8 (Bilaga 8).
3.1.1 Gammastrålning från bergmaterial
Beräknat aktivitetsindex (AI) från fältmätning och laboratoriemätning visar betydligt skillnad. Värdena blir lägre vid laboratoriemätning med en minskning från -17 % till -30%.
Aktivitetsindex (AI): Skillnaden mellan bergtäkt och laboratoriemätning (%). Laboratoriemätningens resultat/differens markerat med rött och fet stil.
• Vändle 0/4 Bergtäkt 2.4 → Laboratoriemätning 2.0 (-17%)
• Vändle 8/16 2.6 → 2.0 (-23%)
• Gladö 0/4 & 8/16 1.0 → 0.7 (-30%)
3.1.2 Gammastrålning från cement
Cement visar relativt låga halter av radioaktiva koncentrationer (Bq/kg) med radium 28 Bq/kg, torium 17 Bq/kg och kalium 280 Bq/kg. Aktivitetsindex (AI) = 0.3.
3.1.3 Gammastrålning från flygaska
Flygaska visar relativ höga halter av radioaktiva koncentrationer (Bq/kg) med radium 135 Bq/kg, torium 65 Bq/kg och kalium 520 Bq/kg, AI =1.0.
3.1.4 Gammastrålning från betong
Gammastrålning från nyproducerade betong, visar lägre aktivitets koncentration (Bq/kg) än ingående bergmaterial.
Aktivitetsindex (AI): Skillnaden mellan fält-, laboratoriemätning och gjuten betong. Differens markerat med rött och fet stil (%).
Vändle: 2.5 (fält) → 2.0 (laboratorium) → 1.8 (B Standard) → 1.5 (A med flygaska) Skillnaden vs fält - -20% -28% -40%
Skillnaden vs Lab - -5% -25%
Gladö: 1.0 (fält) → 0.7 (laboratorium) → 0.6 (B Standard) → 0.6 (A med flygaska) Skillnaden vs fält - -30% -40% -40%
Skillnaden vs Lab - - -14% -14%
24 Vändle betong visar betydligt lägre AI index, när det gjuts med tillsatt flygaska. Betong med moderat aktivitetskoncentration (Gladö) visar ingen skillnad i AI index, mellan standardbetong och betong med flygaska.
Tabell 8. Gammastrålning från bergmaterial, delkomponenter och betong – analyserad aktivitets koncentration (Bq/kg) och beräknat aktivitetsindex(AI)
Objekt AI – index
Ra-226 (Bq/kg)
Th-232 (Bq/kg)
K-40 (Bq/kg)
Referens datum
Bergtäkt – Fältmätning (medelvärde)
Vändle 0/4 2.4 244 206 1549 2016.3.24(Torr)*1
Vändle 8/16 2.6 245 261 1534 2016.3.24(Torr)
Gladö 0/4 1.0 43 73 1315 2016.3.24(Torr)
Gladö 8/16 1.0 51 74 1231 2016.3.24(Torr)
Delkomponent -Laboratoriemätning
Vändle 0/4 2.0 228 162 1180 2017.4.7
Vändle 8/16 2.0 195 191 1230 2017.4.7
Gladö 0/4 0.7 55 35 1060 2017.4.7 *2
Gladö 8/16 0.7 58 40 930 2017.4.7 *2
Cement 0.3 28 17 280 2017.4.7
Flygaska 1.0 135 65 520 2017.4.7
Betong (Krossad 0/16) -Laboratoriemätning
Vändle B - standard 1.8 199 161 1040 2017.4.12
Vändle A- flygaska 1.5 155 134 920 2017.4.12
Gladö B- standard 0.6 44 31 780 2017.4.12
Gladö A -flygaska 0.6 43 35 780 2017.4.12
Källa: Bergtäkt: Fältmätning med gammaspektrometer (RS230) Delkomponenter & Betong: Laboratoriemätning (STUK) AI index beräknat efter halter av Ra-226, Th-232, K-40 (Bq/kg) i material. AI = C226Ra/300 + C232Th /200 + C K40 / 3000.
Note: *1 Vändle 0/4 upplag fuktig. *2 Radiumhalt för Gladö 0/4, 8/16 högre vid laboratoriemätning.
25
3.1.5. Beräkning av AI index från delkomponent
Aktivitetsindex (AI): Skillnaden mellan gjuten betong, värden från laboratoriemätningar och teoretiska värden beräknat med hjälp av ingående materials Bq/kg och andel massa i aktuellt betongrecept.
Laboratoriemätning Teoretiskvärde Medelvärde densitet (STUK) (Beräknat efter varje nuklid i betongrecept) Vändle A (med flygaska): 1.49 1.60 2345 kg/m3
Vändle B (standard): 1.82 1.64 2375kg/m3
Gladö A (med flygaska): 0.58 0.60 2430kg/m3
Gladö B (standard) : 0.56 0.60 2400kg/m3
Se Metod 2.5 för beräkningsunderlag.
26
3.2 Radonavgång från betong
Radonavgång från betongkuber (150*150*150mm) obehandlade ytor visar högre värden i standard betong utan tillsatt flygaska. Radonhalt i hus med omsättning 0,5 oms/h beräknats efter rekommendation från radonboken, Tabell 9 (Bilaga 8)
Radonhalt i hus (Bq/𝐦𝟑)
Betong (Vändle B) - Standard :310 Bq/m3 Betong (Vändle A) – Flygaska: 159 Bq/m3 Betong (Gladö B) – Standard: 66 Bq/m3 Betong (Gladö A) – Flygaska: 43 Bq/m3
Betong med tillsatt flygaska (Vändle A) visa betydligt dämpande radonavgång med förändring 49%.
Gladö och Vändle A med tillsatt flygaska visa värden inom referensvärde för EU rekommendation.
(300Bq/m3) Relativ fuktighet (RF) för provet för samtliga betongkuber är högt, RF> 90%. Enligt, Radonboken (Clavensjö & Åkerholm, 2014) är radonavgång i betong normalt 2-20 Bq//m2ℎ med radiumhalt 20–200 Bq/kg.
Tabell. 9 Radonavgång från obehandlad betongyta – CBI (ATMOS 12DPX)
Objekt AI-
index
Ra-226 (Bq/kg)
*1
Th-223 (Bq/kg)
*2
Relativ fuktighe t (RF %)
Radon avgång (Bqm2h)
Radonhalt i hus *3 (Bq/m3)
Föränd ring (%)
Referens datum
Vändle B – standard 1.9 199 161 92 80 310 - 2017-05-02
Vändle A– flygaska 1.5 155 134 94 41 159 49 2017-05
Gladö B– standard 0.6 44 31 93 17 66 - 2017-05
Gladö A– flygaska 0.6 43 35 95 11 43 35 2017-05
Referens: CBI (Bilaga 8c)
*1 Radium(Ra-226) ger radon(Rn-222) under sönderfallsserien.
*2 Torium(Th-223) ger radon(Rn-220), under sönderfallsserien. även kallas toron. Räknas inte i mätning radonhalt.
*3 Radonhalt i hus med omsättning 0,5oms/h*, *Väggarean är 3 * 4 * 2.5 m med en areal av 59 m2 där alla väggar utgörs av betong enligt recept. Volymen är 30 m3. Beräkningsunderlag är hämtat från Radonboken, 2004 - nya byggnader.
27
3.3 Tryckhållfasthet
Alla prov visar god tryckhållfasthet som klarar kvalitetskraven för C30/37 husbyggnadsbetong, Tabell 10 (Bilaga 8).
Standard betong visar högre hållfasthet än betong med tillsatt flygaska. Detta kan dels beror på andel bergmaterial (kg) är större i standardbetongen än betong med flygaska, (Tabell7).
Tabell 10. Tryckhållfasthet – medelvärde av varje 2prov – Peab/Swerock teknikcenter
Objekt Lufthalt
(%)
Hållfasthet (MPa)
Densitet (kg/m3)
Tryckålder (dygn)
Referens datum
Vändle B – standard 2.5 57.5 2375 28 2017-5-3
Vändle A – flygaska 0.6 53.2 2345 28 2017-5-3
Gladö B – standard 0.7 54.5 2400 28 2017-5-8
Gladö A – flygaska 1.0 52.3 2430 28 2017-5-8
Referens: Peab/Swerock Teknikcenter C30/37 ,VCT 0.55. Provmetod SS-EN 12390-3 (Bilaga 8d )
3.4 Betongtunnslip
3.4.1 Utvärdering av mineral
Utvärdering av mineral har utförts utifrån ett betongtunnslip från respektive betongrecept. Syftet har varit att identifiera mineraler i ingående bergmaterial, som kan innehåller naturlig förkommande radioaktiva ämnen och ge ett större bidrag till den joniserande strålningen från bergtäkterna.
Bergart
Vändletäkten är huvudsakligen röd granitisk bergart.
Granit är en magmatisk bergart och bildas från partiellt uppsmälta sediment bergarter i jordens djupt.
Viktiga mineralammansättning i granit är: Kvarts(SiO2), Ljus-Fältspat (K-fältspat KAlSi3O8, plagioklaser (NaCa)Al2Si2O8), Glimmer (K, Al, Fe, Mg Silikater), (Miskovsky, 2015)
Bergart från Gladötäkten är av grå metamorfa sedimentgnejs, delvis med granitiska yngre bergart. Huvud mineral i gnejs är som granit, kvarts, fältspat och glimmer. Kan Innehåller omvandlat metamorf mineral som amfibolit och klorit.
28 Mineral - Vändle
Bergtäkten Vändle innehåller den dominerande mineralen kvarts, fältspat och glimmer i varierande mängd. Oftast är glimmer (biotit) kloritiserad. I främst glimmer noteras mineral såsom allanit och monazite, vilka kan bidra till den förhöjda specifika aktiviteten (Bq/kg) av Uran och Thorium. I Figur T(Figur Qa, TQ, QT) noteras tre observerade mineral som kan ge bidrag till förhöjd strålning i bergmaterialet.
Figur Qa. Centralt i bild noteras beigerun, polygonal trolig allanit omsluten av kloritiserad
glimmer. Foto taget med korsade nicoller. – RISE/CBI
Figur Qb. Centralt i bild noteras brun trolig monazite i
anslutning till kloritiserad glimmer och fältspat. Foto taget med planpolariserat ljus.- RISE/CBI
Figur Qc. Centralt i bild noteras gråvit trolig zirkon/monazite, zonerad med stark relief. Foto taget med planpolariserat ljus.- RISE/CBI
Mineral - Gladö
Bergtäkten Gladö innehåller de dominerande mineralen kvarts, fältspat och glimmer. Glimmer uppträder rikligt och främst som biotit och muskovit. Vanligt förekommande förutom de dominerande mineralen så observeras zirkon, monazite och apatit. Zirkon kan ofta inneha grundämnen av Thorium eller Uran som substituerar med Zr. I Figur r (Figur Ra, Rb, RC) noteras två olika observerade mineral som kan ge bidrag till förhöjd strålning i bergmaterialet.
Figur Ra. Centralt i bild noteras en zirkon, med starka
interferensfärger. Zirkonen omges av grå fältspat. Foto taget med korsade nicoller. - RISE/CBI
Figur Rb. Trolig zirkon,
alternativt monazite med starka interferensfärger. Mineralet omsluts av ljust vit kvarts och brun glimmer. Foto taget med korsade nicoller.-RISE/CBI
Figur RR. Centralt i bild. Trolig beige-brun monazite med metamikt ring i biotit (svart sfär). Grå färg i nedre del av bild är cementpasta. Foto taget med korsade nikoller.-RISE/CBI
29
3.4.2 Utvärdering av sprickfrekvens
Utvärdering av sprickfrekvens skall ses mot bakgrund av att hög andel sprickor kan bidra till att höja
radongasexhalationen avsevärt. En relativt sprickfri betong förutsätt. En jämförelse har utförts med mätbitar av betong vilka har blivit impregnerade med flouroscensmedel (Figur S). Mätbitar är
betongmaterialet vilket använts för uttag av betongslip.
I Figur T (Ta, Tb) är mätbitarna fotograferad under flouroscerande ljus för att belysa eventuella sprickor i betongen. En del sprickor noteras främst i mätbitarna där enkom SH-cement använts. Främst noteras det i betongen för Gladö (Figur Ta).
Figur Ta. I grönt noteras sprickor i betongen. Till vänster i bild är mätbit från Gladö B. Till höger i bild är mätbit från Gladö A-flygaska.
Figur Tb. I grönt noteras sprickor i betongen. Till vänster i bild är mätbit från Vändle A-flygaska. Till höger i bild är mätbit från Vändle B.
3.4.3 Utvärdering av betongkvalitet
En översiktlig utvärdering av betongkvalitet utfördes också för att undersöka sammansättningen av betongen. Främst noteras en del sprickor i ballast och viss skillnad i betongpastan.
Det är främs noterbart en tydlig skillnad mellan cementpasta där flygaska ingår. Lufthalten är låg (< vol. %) i samtliga betongslip där enkom enstaka luftporer noteras.
I Figur U (Ua, Ub) illustreras en jämförelse mellan ”Gladö B” och ”Gladö A-flygaska” för att belysa cementpastans hydratiseringsförlopp. Fotografierna är tagna under florouscerande ljus, där ballasten utgörs av ”svarta” korn.
Figur Ua. Foto av cementpasta för Gladö B illustrerande cementpastans hydratiseringsförlopp. Cementpastan är relativt ”tät med enstaka ljusare ”punkter”. Till vänster i bild runt större ballastkorn noteras också en viss sprickuppkomst mellan cementpasta och ballastkornet.
Figur Ub. Foto av cementpasta för Gladö A-flygaska illustrerande cementpastans hydratiseringsförlopp. En högre andel ljusare inslag i cementpastan är noterbart gentemot Gladö B.
Gladö B Gladö A-flygaska Vändle A-Flygaska Vändle B Figur S. Använda mätbitar vid översiktlig utvärdering av sprickfrekvens i betongen. Ovan mätbitarna vilar respektive betongtunnslip. Från vänster till höger i bild är: (i) Gladö B (ii) Gladö A- flygaska (iii) Vändle A-flygaska (iv) Vändle B).
Gladö B , GladöA Vändle A, VändleB
30
4. Analys och diskussion
4.1 Gammastrålning
Bergmaterial – Differenser i bergtäkt och laboratoriemätning
Gammastrålning från krossat bergmaterial visar högre stålning från fältmätning, jämfört med
laboratoriemätningar. Beräknat AI index utifrån materialets radioaktiva koncentration (Bq/kg) var 20%
till 30% lägre vid laboratoriemätning.
En sannolik anledning till att mätning på krossat berg visa högre siffror än i laboratoriet, beror dels på att i en bergtäkt har man strålning från omgivande täktväggar och upplag som kan ge förhöjda värden, (Figur H). Väderförhållanden såsom regn och fuktighet i upplag kan också påverka mätresultaten. Fukt dämpar gammastrålningens energi, (Bilaga 2).
Vändle på upplag (0/4) visa lägre aktivitetsindex (AI 2.4), än 8/16 (AI 2.6) Detta kan dels vara pga. 0/4 upplag var fuktigt.
Radiumhalt för Gladö 0/4 och 8/16 visar några högre siffror hos STUK än bergtäkt (Tabell 8). Detta kan dels bero mätosäkerhet (+-8) på STUK och dels på prov något torkat hos STUK (Bilaga 8).
Mätning på delkomponenter i laboratoriet utförts på torkat prov, d.v.s. de visar högre mätvärde än för samma prov under fuktiga förhållanden.
I dag mäts strålning för ballast, när ny bergtäkt öppnas och vid när så krävs och vid tveksamma fall enligt EU standard Till. Ex.
SS-EN12620 Ballast för betong (SIS, 2010), och SS-EN-13043 Ballast för asfaltmassor och tankbeläggningar för vägar, flygfält och andra trafikerade ytor (SIS,2004), (Bida,2017). Detta utfördes normalt på plan berghällar d.v.s. topp på bergtäkt. Felmarginal i fältmätning på bergtäkt uppstår när aktuella bergmaterial mäts vid krossberg upplag som befinner sig ned i bergtäkt, med omgivande täktväggar. Ofta är
fältinstrument kalibrerat för plan geometri.
Vid redovisning av aktivitetsindex (AI) för bergmaterial och byggmaterial av dessa materialet bör ovan beaktas och laboratoriemätning rekommenderas. Särskilt för bergmaterial och bergtäkt som är på gränsen av den nya EU direktivs konservativa bedömnings värde, AI=1.
Delkomponenter - Cement och flygaska
Laboratoriemätning av cement visade lägre halter av radioaktiva koncentration (Bq/kg), AI =0.3
Flygaska däremot har högre AI värde (AI= 1.0) och radioaktiva koncentration (uranhalt 135Bq/kg) är högre än betongballast, Gladö, som har uranhalt 58Bq/kg och AI= 0,7 vid laboratoriemätning. Flygaska som använts kommer från kolkraftverket i Danmark.
Kolflygaska kan anrikas med uran två gånger; (i) kolets bindningsätt från sedimentärbergarter torv, som kan anrikats i vattenlösligt uran och radium och (ii) anrikats ytterligare vid förbränning i en industriell
Figur H: Mätning på upplag av bergtäkt - Vändle 8/16
31 process. (Miskovsky,2016) När kol förbränns till flygaska, kan uran och torium anrikats upp till 10 gånger högre halter, jämfört med ingående naturlig kol (Hvistendahl,2007). Kolflygaskans strålning kan variera eftersom kol som används i industri kan har olika ursprung med olika naturlig uranhalt. Halter kan vara lägre så väll som högre vid nästa leverans av kolflygaska. Kontinuerliga mätningar behövs för bedömning av flygaskans strålning.
Betong – Differenser i ingående material och betongprodukter
Tillverkad betong jämfört med dess ingående bergkrossmaterial visar lägre aktivitets koncentration (Bq/kg). AI index i nyproducerad betong var 28% till 40% lägre jämför med bergmaterialets AI index från fältmätning. Gammastrålning från betong visa lägre strålning än ingående bergmaterial. Minskningen är främst en ren utspädningseffekt, eftersom cement och vatten har lägre aktivitets koncentration (Bq/kg).
Intressant resultat erhålls från betong med tillsatt flygaska när bergmaterial med förhöjda halter av radioaktiva ämne används som ingående ballast (Vändle) Betongen med AI index 2.0, visar betydligt lägre AI index 1.5, när det gjuts med 20% tillsatt flygaska. Betong med moderat aktivitet koncentration(Gladö) visar ingen skillnad i AI index mellan standardbetong och betong med flygaska. (3.1.4) Liknande resultat erhålls i försök i Japan, då stråldos minskade med ca 40% när hög radioaktivt material gjuts till betong.
Med tillsatt metallslagg visade ytterligare minskning av stråldos med ytterligare -3% till -5%. (Bilaga 9) Skillnaden i Vändle betong kan dels beror på dessa skillnaden i betongrecept. Andel bergmaterial(kg) är större i Vändle B -standard betong, jämför med Vändle A med tillsatt flygaska, (Tabell 7).
När mängden av Vändle bergmaterial (kg) minskar i betong, kan det bidrag till minskning av aktivitets koncentration(Bq/kg) samt AI index. Gladö material har lägre aktivitets koncentration(Bq/kg) än flygaska.
Här påverkar flygaskan inte AI index i färdig betong. Flygaska i Gladö A betong ”ersätter” den del strålning som minskat från andel bergmaterial(kg).
Kan betong från undersökta material används inom nya EU direktivet?
Betong med Gladömaterial beräknats till AI index 0.6 vid laboratoriemätning från gjuten betong.
Materialet kan används för hela byggnaden (golv, väggar, tak) med uppskattvis stråldos från byggmaterial mindre än referensvärdet, 1mSv/år. (2.4)
Betong med Vändle material har AI index 1.9 för standard betong, och AI =1.5 för betong med tillsatt flygaska, d.v.s. materialet kan ge uppskattvis stråldos mer än 1mSv. Här kan man inte använda materialet för bostad till hela konstruktionen.
Enligt EU rekommendation för byggmaterial (RP112, 1999) finns förenklade beräknings tabeller där man kan se, i vilken omfattning material kan används med uppskattad stråldos mSv/år, Tabell 11 (Bilaga 10).
Enlig tabell 11, Vändle betong A(flygaska) & B(standard) befinner sig inom gruppen förhöjda
koncentration (cirkel röd). Materialet kan används i begränsat omfattning för golv, och ger med använda siffor från tabellen stråldos på 0.41 mSv/år, utifrån vissa givna förutsättningar på betong tjocklek och densitet. (Bilaga10) Tabeller är ett förenklat verktyg. För konstruktion behövs omräkning med verkligen siffror och förutsättningar.
32
4.2 Radonavgång från betong
Differenser mellan radonavgång
Intressanta resultat erhålls från betong med kombination, tillsatt flygaska och förhöjda radioaktivt bergmaterial. Vändle A (AI 1.5) visa betydlig dämpande radonavgång (150 Bq/m3) jämförelse med standard betong Vändle B (AI 1.9), radonavgång (310 Bq/m3) minskningen är 49%. Betong med kombination, tillsatt flygaska och moderat radioaktivt bergmaterial, Gladö A (AI 0.6) visade också lägre radonavgång (43 Bq/m3) jämfört med standard betong Gladö B (AI0.6) radonavgång (66 Bq/m3). Gladö betong A (flygaska) och B (standard) hade liknande minskning på radioaktivitets koncentration (Bq/kg) och samma AI index, men radonavgång var olika med förändring 35%.
Flygaska täta betong?
Osäkerheter i mätning av radonavgång i Vändle A och Gladö A kan dels beror på…
• att flygaska ger betong en tätare struktur, som förhindra radongas avgång.
• att i betongrecept med VCT 0.55 finns ”fritt vatten”. Vid höga RF (%) blockerar fritt vatten i olika grad radongasens avgång. RF är högre för betong med flygaska.
• att stenmaterial med höghalter av aktivitet koncentration(Bq/kg) minskade i betongrecept för standard betong (Vändle B), jämför med betong recept för betong med tillsatts 20% flygaska (Vändle A), (Tabell 7).
4.3 Tryckhållfasthet
VändleB visa hög tryckhållfasthet än VändleA trots det har högre lufthalt. Skillnaden mellan
standardbetong och flygaskabetong är lite för stor. Resultat kan vara inom variationer. Fler prov behövs för bedömning av skillnaden för tryckhållfasthet mellan standardbetong och flygaskabetong. Se Bilaga 8 för all provdata.
4.4 Mineralanalysen
Genom identifiering av mineral kan man se dess förhållande till glimmer.
Tabell 11 Förenklat beräknings tabell för byggmaterials aktivitet koncentration (Bq/kg) och uppskattat stråldos som material avger (mSv/år) – RP112, EC1999
Vändle
B A (Bq/kg) AI 1.9 AI 1.5 199 155 226Ra 161 134 232Th 1040 920 K40
