RADIOATTIVITA' DEI MATERIALI DA COSTRUZIONE

Peter Schiessl e Inga Hohberg
Università tecnica di Monaco, Germania



In Germania è stata studiata l'esposizione alle radiazioni della popolazione all'esterno ed all'interno delle abitazioni. In particolare, sono state investigate le dosi di raggi gamma provenienti dalle sostanze naturali radioattive presenti nei materiali da costruzione e le dosi inalate provenienti dal decadimento dei prodotti del radon-222 e del radon-220 emanati dai materiali da costruzione, dal terreno e dall'aria all'interno di una stanza.       La Fig. 1 mostra le dosi medie annuali di radiazioni provenienti da diverse sorgenti rilevate in Germania secondo Keller [1]. La dose totale di radiazione media annua ammonta a circa 4mSv/a (milliSievert/anno è l'unità di misura per radiazioni ionizzanti). La radiazione media annua proveniente da fonti artificiali è di circa 1.6 mSv/a e può essere quasi esclusivamente attribuita alla diagnostica medica (radiodiagnostica). Una buona parte della dose di radiazione totale per la popolazione è attribuita alla residenza nelle case (1.2 mSv/a). La parte di radiazione naturale (radiazioni cosmiche/terrestri e frazioni delle radiazioni dovute all'incorporazione dei radionuclidi) contribuisce altrettanto al totale dell'esposizione alle radiazioni (1.2 mSv/a) ed è, al contrario di quelle provenienti dagli edifici e dall'uso della radiodiagnostica, praticamente impossibile da modificare. I singoli contributi dell'esposizione alle radiazioni provenienti dagli edifici sono rappresentati nella parte destra della Fig. 1. Da questa figura, si può dedurre che la maggior parte dell'esposizione alle radiazioni nelle case deriva dalle inalazioni dei gas nobili radioattivi radon-222, radon-220 e/o dei loro prodotti di decadimento.


Fig. 1 - Dose di radiazione media annua effettiva per la popolazione in Germania (1).

I sottoprodotti di alcuni processi industriali, (come la cenere volante da carbone e la loppa non siderurgica) spesso presentano contenuti di sostanze radioattive più elevati rispetto ad altri materiali da costruzione. Pertanto, è stato spesso criticato l'impiego di questi sottoprodotti nei materiali da costruzione a base cementizia. Lo scopo di questo articolo è di valutare il calcestruzzo che utilizza questi sottoprodotti industriali relativamente all'emissione di radiazioni gamma e di radon. In Germania, la dose di radiazioni provenienti dai materiali da costruzione è attribuita all'attività di tre radionuclidi: potassio-40, radio-226 e torio-232. Sebbene le sostanze naturalmente radioattive nei materiali da costruzione contribuiscano solo in maniera trascurabile all'esposizione delle popolazioni alle radiazioni gamma dirette, i materiali da costruzione continuano, tuttavia, ad essere valutati in base all'attività specifica dei loro nuclidi radioattivi. In questa valutazione, è utilizzata la seguente formula:
    

a40K

  

a226Ra

  

a232Th

  

----------

+

----------

+

--------- £1

[1]

4810

  

370

  

260

  

dove i valori a indicano l'attività specifica relativa all'emissione di radioattività espressa in Bq/Kg (è l'unità di misura della concentrazione di sostanze radioattive). Il modello di Leningrado [2] che conduce a questa formula assume che tutta la stanza (muri, soffitto, pavimento di spessore infinito) sia costituita da un unico materiale. Inoltre, con l'applicazione di questa formula, la dose di radiazioni proveniente dai materiali da costruzione è sopravvalutata poiché non viene tenuto in conto il reale spessore dei muri, del soffitto e del pavimento. D'altra parte, la formula
[1] non tiene in considerazione la dose di radiazione dovuta all'inalazione del radon-222 e/o del radon-220. Pertanto, la formula è utile soltanto per confrontare convenzionalmente i materiali da costruzione, e non per valutare la dose di radiazione per gli abitanti. La Tabella 1 mostra le attività specifiche (contenuto di radionuclide per kg di materiale considerato) per alcuni componenti del calcestruzzo, così come il valore totale risultante dalla formula [1]
.

Tabella 1 - Concentrazioni dell'attività specifica di 40K, 226Ra e 232Th nei componenti del calcestruzzo (3, 4)

Componenti

Attività Specifiche

Valore Totale
Cemento portland normale (CP)

222

<26

<0.19

<0.19
Cemento alla loppa d'altoforno (CLA)

148

59

85

0.52
Ghiaia - sabbia/silicea

259

<15

<19

<0.16
Calcare

37

<19

<19

<0.13
Cenere volante di carbone (CV)

921

143

105

1.00
Loppa d'altoforno

200

64

70

0.48
Loppa non siderurgica (LM)

880

650

55

2.15
Acqua

1

0

0

<0.01

*Calcolato con l'equazione [1]

 Un modello più realistico per la valutazione della dose di radiazione proveniente dal materiale da costruzione, a causa delle radiazioni gamma e delle emissioni del radon, è descritto nel riferimento [3]. Questo modello considera una stanza con muri di spessore definito, le velocità di ventilazione, così come le proporzioni geometriche della stanza.  In Tabella 2 sono sintetizzate le equazioni ed i parametri per la valutazione dei materiali da costruzione.
In Germania sono stati condotti numerosi rilevamenti di radon all'esterno e all'interno degli edifici [1, 4]. Dai dati rilevati,
il valore medio della concentrazione di radon all'interno degli edifici si aggira attorno a 50 Bq/m3 e all'esterno attorno a 14 Bq/m3 (Fig. 2). In alcune regioni sono state accertate concentrazioni di radon nell'area di una stanza fino a 80.000 Bq/m3. La frazione di radon che proviene dai materiali da costruzione si aggira attorno ad un massimo di 30 Bq/m3.
La frazione proveniente dal solo calcestruzzo si attesta normalmente attorno a 1 - 10 Bq7m3. Le alte concentrazioni di radon nell'aria delle stanze, dunque, non possono essere attribuite all'emissione del radon dai materiali da costruzione (questa frazione è trascurabile). La maggior parte del radon proviene dal terreno (in funzione delle condizioni geologiche per il 90%). Ciò dimostra che, per il momento, la presenza di radon non è imputabile ai materiali da costruzione, ma piuttosto è un problema di isolamento della casa dal terreno.

PARTE SPERIMENTALE

In questo articolo sono riportati i risultati delle ricerche su impasti con e senza l'impiego di sottoprodotti industriali (cenere da carbone e loppa non-siderurgica) al fine di valutare la dose di radiazioni proveniente dal calcestruzzo [5].
Per la ricerca sono stati utilizzati un cemento Portland (CP) e un cemento alla loppa d'altoforno (CLA). Sono stati utilizzate, come aggiunte minerali, due tipi di cenere volante (CV) con differenti radioattività (CV1: radioattività = 70 Bq/kg e CV2: radioattività = 30 Bq/Kg). Le ceneri volanti rispettano i requisiti della normativa europea EN 450. I calcestruzzi contenevano il 20% in peso di cenere rispetto al contenuto totale di legante. In un altro calcestruzzo, il 50% in volume degli aggregati è stato sostituito con una loppa non siderurgica (LM). Il rapporto acqua-legante era di 0.50 per tutti i calcestruzzi.


Tabella 2 - Equazione e parametri per la valutazione della dose di radiazione
dei materiali da costruzione.

Parametro

Unità di misura

Valutazione
Dose di radiazioni gamma, Hg da Ra
Dose di radiazioni gamma, Hg da Th
Dose d'inalazione del radon-222, He		 mSv/a*
mSv/a
mSv/a		 Hg(226Ra)=1.3·10-3 a226ra
Hg(232Th)=1.6·10-3 a232th
He=De· e · f · F · V-1 · L-1
Concentrazione del radon nella stanza C1 Bq/m3* C1=e · F · V-1 · v -1
Velocità di esalazione, e Bq/(m2·h) **
Fattore di conversione della dose De mSv m3/(Bq·a) 0.061
Fattore d'equilibrio, f ------- 0.3
Spessore del muro, d m 0.2
Velocità di ventilazione, v m·h-1 0.4
Superficie/volume della stanza, F·V-1 m-1 1.7

* mS/a = milliSievert/anno è la unità di misura per le radiazioni ionizzanti mentre Bq/m3 è l'unità di misura delle sostanze radioattive
** da determinarsi con le analisi o il calcolo [5]
Con le miscele di calcestruzzo sono stati confezionati dei provini (20 cm x 20 cm x 120 cm) allo scopo di misurare le velocità di emissione del radon. Dopo un giorno di stagionatura nel cassero, i provini sono stati maturati per sette giorni sotto acqua e poi fino a 90 giorni in una camera climatica a 20°C e con il 65% di U.R..


Fig. 2 - Concentrazioni misurate e raccomandate per il radon nell'aria della stanza (1).

Per tutti i calcestruzzi sono state misurate le velocità di emissione di radon. Da questi valori sono state calcolate le concentrazioni (C1) di radon nell'aria della stanza mediante l'equazione riportata in Tabella 2. I risultati delle misure ed i calcoli sono sintetizzati in Tabella 3. In Fig. 3 sono riportate le velocità di emissione del radon dal calcestruzzo unitamente all'attività specifica del radio 226. I risultati in Tabella 3 ed in Fig. 3 confermano l'indipendenza delle velocità di emissione di radon dall'attività del radio-226 delle materie prime impiegate.

Tabella 3 - Attività specifiche e percentuali di esalazione del Radon-222 per calcestruzzi con e senza l'impiego di sottoprodotti industriali e concentrazioni di radon nell'aria della stanza.

Cls Cemento Aggiunta/   Attività Specifica e C1
    Aggregato a/l 40K 226Ra 232Th    
        Bq/Kg Bq/(m2·h) Bq/(m3)

C1

CP

---

0.5

238

17

15

1.9

7

C2

CP

CV1

0.5

270

19

16

0.8

3

C3

CP

CV2

0.5

263

19

19

0.6

3

C4

CP

LM

0.5

520

33

302

0.3

1

C5

CLA

---

0.5

230

19

19

1.2

5

C6

CLA

CV2

0.5

256

23

23

1.0

4


Malgrado la doppia attività del radio-226 della CV2 rispetto alla CV1, il calcestruzzo con CV2 mostra una esalazione di radon più bassa rispetto a quella del calcestruzzo con CV1. Questo comportamento è dovuto, in primo luogo, alla matrice vetrosa della cenere volante che ha come effetto una bassa emissione e, secondariamente, al riempimento dei pori da parte della cenere volante che si traduce in un ostacolo alla diffusione del gas radon.
Il calcestruzzo confezionato con cemento alla loppa d'altoforno presenta velocità d'emissione più basse rispetto a quelle del cemento Portland. La più bassa velocità di emissione può essere spiegata dalla superficie vetrosa della loppa d'altoforno utilizzata e dall'influenza della loppa d'altoforno sul sistema di pori della matrice cementizia.
L'aggiunta di cenere volante si traduce in una riduzione della velocità di emissione del radon anche nel calcestruzzo con il cemento alla loppa d'altoforno.
Sorprendentemente, il calcestruzzo con la loppa non siderurgica (LM), in sostituzione al 50% dell'aggregato, ha una velocità di emissione di radon molto bassa, malgrado l'attività molto alta del radio-226. Questo potrebbe essere attribuito alla superficie fusa della loppa non ferrosa [3].


Fig. 3 - Velocità di emissione del radon dal cls e attività specifica del radio in funzione delle aggiunte minerali (CV) o dell'aggregato (LM) artificiale (3).


Fig. 4 - Dosi di radiazioni calcolate dall'analisi dei calcestruzzi (3)
.
Nell'aria della stanza, le concentrazioni di radon calcolate (1-7 Bq/m3, vedi Tabella 3) sono al di sotto del valore medio dei materiali da costruzione (30 Bq/m3), perciò il contributo dei calcestruzzi alla crescita delle concentrazioni di radon nell'aria può essere considerato trascurabile.
La dose di radiazione totale (esposizione alle radiazioni gamma e all'emissione del radon), risultante dai calcestruzzi esaminati, è stata calcolata sulla base dell'equazione e dei parametri riportati in Tabella 2. I risultati dei calcoli mostrano una dose aggiuntiva di radiazioni di 0.10-0.27 mSv/a (con la sola eccezione del calcestruzzo con la loppa non ferrosa) proveniente dai calcestruzzi analizzati (Fig. 4). Questo valore è ben al di sotto della dose media di radiazione prodotta dalle persone che vivono in una casa (all'incirca 1.2 mSv/a). I valori determinati si collocano in un intervallo di risultati dedotti da altri esperimenti sui calcestruzzi [5].
 
CONCLUSIONI

I risultati presentati in questo articolo mostrano che la radiazione proveniente da calcestruzzi con e senza l'impiego di sottoprodotti industriali (cenere volante e loppa non ferrosa) è dello stesso livello e spesso più bassa della radiazione proveniente dai normali materiali da costruzione.

BIBLIOGRAFIA

[1] G. KELLER "Esposizione di popolazioni tedesche alle radiazioni dei materiali da costruzioni con particolare riferimento ai sottoprodotti industriali", VGB Kraftwerkstechnik 74 (8) (1994) 711-716 (in tedesco);

[2] E.M. KRISIUK, S.I. TARASOV, V.P. SHAAMOV, A study on Radioactivity in Building Materials, Leningrad, Institute for Radiation Hygiene (1971);

[3] G. KELLER, K.H. FOLKERTS, H.MUTH, Discussing Possible Standards of Natural Radioactivity in Building Materials, Radiation and Environmental Biophysics 26 (1987) 143-150;

[4] BUNDESMINISTER DES INNEREN, Esposizione alle radiazioni in Germania da sostanze naturali radioattive fuori e dentro gli edifici. Considerazioni delle influenze dei materiali da costruzioni, Bonn, (1978) (in tedesco);

[5] P. SCHIESSL, I. HOHBERG, Radiazioni naturali dai materiali da costruzione, ed in particolare dal calcestruzzo con sottoprodotti industriali, Institute for Building Materials Research, research report No. F433, (1995) (in tedesco).

Questo articolo fa parte di un più vasto rapporto pubblicato dagli stessi autori su L’Industria Italiana del Cemento, 1998, N. 732, pp 456-469.