Reducing Radon Gas Emissions in Concrete
Tid: Fr 2022-12-02 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/62161489887
Språk: Engelska
Ämnesområde: Byggvetenskap, Betongbyggnad
Respondent: Magnus Döse , Betongbyggnad
Opponent: Professor Franz Josef Maringer, BOKU - University of Natural Resources and Life Sciences, Vienna, Austria
Handledare: Professor Johan Silfwerbrand, Bro- och stålbyggnad, Betongbyggnad
QC 20221108
Abstract
Flera krav och rekommendationer avseende joniserande strålning i byggprodukter har introducerats under de senaste åren. Även branschanslutna ballast- och betongföretag har en strävan att uppnå miljömål som skall efterlevas avseende byggmaterial. I Sverige har det utvecklats ett certifieringssystem för en hög nivå av miljösäkerhet vilket har designats av Green Council Building (Miljöbyggnad 3.0). Certifieringssystemet används i upphandlingar för huskonstruktioner för att uppnå en hög standard och trygg inomhusmiljö i nya byggnader för boende. Ett av dessa miljömål är acceptabla krav på radon i inomhusmiljö.
Under de senaste årtiondena har det också blivit vanligare att betongbranschen använder olika kombinationer av alternativa bindemedel i betong för att reducera koldioxidutsläppen från cementtillverkningen. Tillsatser av alternativa bindemedel och olika tillsatsmedel kan även förbättra betongens egenskaper som ökad hållfasthet och beständighet. Men kunskapen utifrån joniserande strålning och radon är fortfarande begränsad. Vad medför alternativa bindemedel och hydrofoba tillsatsmedel avseende radonavgång från betong? Finns det fördelar? Nackdelar? Kan man nyttja vissa egenskaper i specifika inomhusmiljöer? Hur påverkar fukt?
Huvuddelen av avhandlingen har omfattat dessa frågeställningar. Tolv olika betongrecept göts där avgången av 222Rn från dessa betongblandningar i relation till deras relativa fuktighet (RF) undersöktes. Tio recept utgjordes av olika blandningar av bindemedel och tillsatsmedel, med en bergart med något förhöjd nivå av 226Ra-aktivitetskoncentration (Bq/kg). Två recept innehöll en lågstrålande bergart. Som referenscement och bindemedel användes ett CEM I, 52.5 R (Skövde cementfabrik). Betongernas sammansättning hade ett vattencementtal (vct) av 0,55.
För radongasutvärdering och radondiffusionsmätningar användes en metod där alfa-sönderfall från 222Rn och 218Po utnyttjas (joniserande pulsationskammare). Mängden av sönderfall per tidsenhet är kalibrerad mot en väldefinierad radongashalt. Mätvärdena, eller resultaten från analysen av instrumentet, visas som halten av 222Rn i luft i enheten Bq/m3. Vid diffusionsmätningar användes ett instrument benämnt RAD 7 från Durridge Inc. Instrumentet är av typen halvledardetektor.
Resultaten indikerar att alternativa tillsatsmaterial och hydrofoberande tillsatsmedel har en moderat till stor påverkan på radonavgången vid en relativ fuktighet mellan 75 % och 60 %. Den största påverkan vid en relativ fuktighet på 75 % kan påvisas med mikro-silika (SF-30), som reducerar radonavgången med upp till 57 %. Vid en relativ fuktighet av 45 %, är radonavgången för referensbetongen i linje med en del andra betongsammansättningar och deras radonavgång.
Även betongens naturliga karbonatisering påverkar radonavgången. Den inom avhandlingen utförda studien av karbonatiseringens inverkan gav olika resultat beroende av betongrecept, men kan sammanfattas som: (1) betong med enkom CEM I eller CEM I som bindemedel tillsammans med hydrofoberande tillsatsmedel indikerade en sjunkande radonavgång medan för (2) ett betongrecept som innehöll CEM I bindemedel tillsammans med slagg eller flygaska, så ökade radonavgången.
En annan studie i avhandlingen omfattade inducerade sprickor och deras betydelse med avseende på radonavgången. Studien visade att påverkan av sprickor kan vara mycket stor. I två fall beräknades en ökning av radonavgången med 200–250 % jämfört med radonavgången i motsvarande betong utan sprickor. I övriga fall var ökningen proportionell mot ökningen av ytan.
Radonavgången minskade generellt med minskad relativ fuktighet för de undersökta betongsammansättningarna. Radongasdiffusionen i betongproverna ökade däremot generellt med minskad relativ fuktighet. Flera faktorer spelar in i den slutliga halten av radon som avges från ett byggmaterial. Radonavgången i undersökta byggmaterial, kan också benämnas produktionshastigheten (radonavgång per volymenhet) för undersökta betongprover. Produktionshastigheten bestäms av främst emanationskofficienten, materialens radium-innehåll och materialens densitet (volym och massa) och diffusionskofficienten. Då de undersökta betongproverna har en ungefär likvärdig densitet och radium-innehåll blir dessa variabler av mindre betydelse för att undersöka skillnader mellan betongprovernas radonhaltsavgång. Härav blir i stället inflytandet av radonemanationen stor vid en jämförelse mellan de olika undersökta betongproverna. Radonemanationen har i utförda försök visat sig variera mycket beroende av den relativa fukthalten. Initialt i ett vattenfyllt system (100 % RF) utgör vattnet en barriär och radon ackumuleras i porerna (s.k. rekyl-tesen). När fuktnivån minskar, så tillåts de initiala höga radonnivåerna i porsystemet att diffundera till den fria luften. De initialt höga koncentrationerna av vattenmolekyler agerar också som bärare för en del radonatomer. Detta medför att när den relativa fuktigheten successivt minskar i betongproverna, minskar också andelen radonatomer, som når ytan av betongen, vilket till följd medför en lägre radonavgång. Mao, den mest betydande faktorn för skillnader i radonavgången från ett byggmaterial, kan beskrivas som dess radonemanation, dvs antalet radonatomer som avgår från ett material till den fria luften. Mao, blir betongens täthet, eller dess permeabilitet också väsentlig. Detta återspeglas delvis via diffusionskofficienten eller radonlängden som uppmättes för de olika betongproverna.
Att radongasdiffusionenen ökar med mindre relativ fukt i betongen är rimligt då diffusionshastigheten i vatten är betydligt långsammare än i luft. Diffusionshastigheten i de undersökta betongproverna har dock en underordnad roll när man utvärderar den totala radonavgången. Den höga radonavgången beror i denna studie främst av (i) materialets höga radiuminnehåll och (ii) en högre emanationsfaktor vid högre relativ fuktighet. Det är dock viktigt att poängtera att materialets något förhöjda radiuminnehåll är av stor betydelse för den höga radonavgången. Vid en jämförelse med betongrecept, C (bara OPC som bindemedel), där betongens ballast ersattes med en lågstrålande ballast (låg halt av radium), blir produktionshastigheten mycket låg, dvs låg radonavgång, trots en moderat emanationskofficient.
Detta innebär sammantaget att sambandet mellan betongens RF, radonavgången och diffusion i en betongvägg, tak eller golv är ett komplicerat samspel. I praktiken dominerar ändå inverkan av den relativa fukthalten i betong mest för den slutliga radonavgången från ett byggmaterial. Således minskar radonhalten generellt över tid i takt med att betongen torkar ut och RF sjunker.
Några väsentliga slutsatser från avhandlingen som kan härledas är att alternativa bindemedel och hydrofoba tillsatsmedel effektivt kan minska radonavgången och härav produktionshastigheten vid högre luftfuktigheter samt att sprickor kan ge betydande ökningar av radongashalten. Beroende av valet av bindemedel kan betongens karbonatisering antingen ge en både positiv eller en negativ effekt med hänsyn till radonavgången.