Tài liệu Nghiên cứu xác định độ phóng xạ tự nhiên trong các loại vật liệu xây dựng chủ yếu và bước đầu đánh giá liều chiếu do chúng gây ra

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM __________________________________ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2007-2008 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐỘ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN TRONG CÁC LOẠI VẬT LIỆU XÂY DỰNG CHỦ YẾU VÀ BƯỚC ĐẦU ĐÁNH GIÁ LIỀU CHIẾU DO CHÚNG GÂY RA (Maõ soá: ĐT.07/07-09/NLNT) Cơ quan chủ trì: Viện Nghiên cứu Hạt nhân Chủ nhiệm đề tài: ThS., NCV Lê Như Siêu ĐÀ LẠT, 03/2010 BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM __________________________________ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NĂM 2007-2008 NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH ĐỘ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN TRONG CÁC LOẠI VẬT LIỆU XÂY DỰNG CHỦ YẾU VÀ BƯỚC ĐẦU ĐÁNH GIÁ LIỀU CHIẾU DO CHÚNG GÂY RA (Maõ soá: ĐT.07/07-09/NLNT) Cơ quan chủ trì: Viện Nghiên cứu Hạt nhân Chủ nhiệm đề tài: ThS., NCV Lê Như Siêu ĐÀ LẠT, 03/2010 DANH SÁCH NHỮNG NGƯỜI THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- TT 1 2 3 4 5 6 Họ và tên Lê Như Siêu Nguyễn Thanh Bình Phan Sơn Hải Mai Thị Hường Nguyễn Thị Linh Học hàm, học vị ThS, NCV CN, NCV ThS, NCVC CN, NCV ThS, NCV Nguyễn Văn Mai CN, NCV 7 8 9 10 Nguyễn Trọng Ngọ Nguyễn Văn Phúc Phạm Hùng Thái Trương Ý ThS, NCVC ThS, NCV ThS, NCV ThS, NCVC Nơi công tác Viện Nghiên cứu Hạt nhân Viện Nghiên cứu Hạt nhân Viện Nghiên cứu Hạt nhân Viện Nghiên cứu Hạt nhân Viện Nghiên cứu Hạt nhân Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân Tp. HCM Viện Nghiên cứu Hạt nhân Viện Nghiên cứu Hạt nhân Viện Nghiên cứu Hạt nhân Viện Nghiên cứu Hạt nhân CÁC CƠ QUAN, ĐƠN VỊ PHỐI HỢP THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1. 2. Trung tâm Hạt nhân Tp. Hồ Chí Minh Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân Hà Nội 1 MỤC LỤC Trang BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT ABSTRACT TÓM TẮT MỞ ĐẦU PHẦN I. TỔNG QUAN 1.1. CÁC LOẠI VẬT LIỆU XÂY DỰNG VÀ TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG. 1.2. KHOÁNG SẢN VẬT LIỆU XÂY DỰNG Ở VIỆT NAM. 1.3. ĐỘ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN TRONG VẬT LIỆU XÂY DỰNG. 1.3.1. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên. 1.3.2. Hoạt độ các đồng vị phóng xạ tự nhiên. 1.4. NỒNG ĐỘ RADON TRONG KHÔNG KHÍ. 1.5. LIỀU BỨC XẠ DO CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN. 1.6. SUẤT XẢ KHÍ RADON TRONG VẬT LIỆU XÂY DỰNG. 1.7. CÁC TIÊU CHUẨN QUỐC TẾ VÀ VIỆT NAM VỀ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN TRONG VẬT LIỆU XÂY DỰNG VÀ NỒNG ĐỘ KHÍ RADON TRONG NHÀ Ở. 1.7.1. Phương pháp xây dựng tiêu chuẩn theo UNSCEAR. 1.7.2. Các quy định, tiêu chuẩn về hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong vật liệu xây dựng của một số nước. 1.7.3. Các nguyên lý bảo vệ bức xạ liên quan đến độ phóng xạ tự nhiên trong vật liệu xây dựng của Ủy ban Châu Âu về Bảo vệ Bức xạ. 1.7.4. Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 397:2007, quy định mức an toàn về hoạt độ phóng xạ tự nhiên của vật liệu xây dựng. 1.7.5. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7889:2008, quy định mức nồng độ phóng xạ khí radon trong nhà. PHẦN II. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HOẠT ĐỘ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN TRONG MẪU VẬT LIỆU XÂY DỰNG. 2.1.1. Thiết bị. 2.1.2. Đóng mẫu. 2.1.3. Thủ tục phân tích. 2.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO NỒNG ĐỘ RADON TRONG KHÔNG KHÍ NHÀ Ở. 2.2.1. Thiết bị. 2.2.2. Quy trình thực hiện. 2.3. PHƯƠNG PHÁP ĐO SUẤT XẢ KHÍ RADON TRONG MẪU VẬT LIỆU XÂY DỰNG. 2.3.1. Phương pháp đo suất xả radon dùng detector vết hạt nhân chất rắn. 2 4 7 9 12 12 22 26 26 27 33 36 38 39 39 40 43 44 45 47 47 47 48 48 56 56 58 60 60 2.3.1.1. Cơ sở lý thuyết. 2.3.1.2. Quy trình thực hiện. 2.3.1.3. Tính toán kết quả. 2.3.2. Phương pháp đo suất xả radon dùng thiết bị RAD7. 2.3.2.1. Thiết bị. 2.3.2.2. Quy trình thực hiện. 2.4. PHƯƠNG PHÁP ĐO SUẤT LIỀU GAMMA. 2.4.1. Phương pháp đo suất liều gamma hiện trường. 2.4.2. Phương pháp đo suất liều gamma dùng liều kế nhiệt phát quang 2.5. PHƯƠNG PHÁP THU GÓP VÀ XỬ LÝ MẪU VẬT LIỆU XÂY DỰNG. PHẦN III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. NGHIÊN CỨU CHUẨN HÓA PHƯƠNG PHÁP ĐO PHỔ GAMMA MẪU VẬT LIỆU XÂY DỰNG. 3.2. HOẠT ĐỘ CÁC ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ TỰ NHIÊN TRONG MẪU VẬT LIỆU XÂY DỰNG. 3.3. CHỈ SỐ HOẠT ĐỘ, SUẤT LIỀU, LIỀU HIỆU DỤNG NĂM DO VẬT LIỆU XÂY DỰNG. 3.3.1. Chỉ số hoạt độ. 3.3.2. Suất liều, liều hàng năm gây ra từ vật liệu xây dựng. 3.4. SUẤT LIỀU HIỆU DỤNG TẠI 2 VỊ TRÍ TP. HỒ CHÍ MINH VÀ TP. ĐÀ LẠT. 3.5. NỒNG ĐỘ KHÍ RADON TRONG NHÀ Ở TẠI 2 VỊ TRÍ TP. HỒ CHÍ MINH VÀ TP. ĐÀ LẠT. 3.5.1. Nồng độ radon trong một số kiểu nhà ở tại Tp. Hồ Chí Minh. 3.5.2. Nồng độ radon trong một số kiểu nhà ở tại Tp. Đà Lạt: 3.6. SUẤT XẢ KHÍ RADON TỪ MẪU VẬT LIỆU XÂY DỰNG KẾT LUẬN. TÀI LIỆU THAM KHẢO. PHỤ LỤC GIẢI TRÌNH KINH PHÍ 3 60 64 66 66 66 66 69 69 69 73 75 75 82 86 86 88 90 92 92 95 98 103 105 110 170 BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADC: Analog-to-digital converter (Bộ biến đổi tương tư - số) CE: Chemical etching (Tẩm thực hóa học) EC: European commission (Ủy ban Châu Âu) ECE: Electrochemical etching (Tẩm thực điện hóa) EPA: U.S. Environmental Protection Agency (Cơ quan Bảo vệ Môi trường, Mỹ) EU: European Union (Liên minh Châu âu) ICRP: International Commission on Radiological Protection (Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Bức xạ) RAD7: Radon detector, model 7 (Detector đo radon cấu hình 7). SSNTD: Solid state nuclear track detector (Detector vết hạt nhân chất rắn) TLD: Thermoluminescence detector (Liều kế nhiệt phát quang) TTKTHN Tp. HCM: Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân Tp. Hồ Chí Minh UNSCEAR: United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation (Ủy ban Khoa học Liên hợp quốc về Tác động Bức xạ) Viện KHKTHN: Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân Viện NCHN: Viện Nghiên cứu Hạt nhân Viện NLNTVNL: Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam WHO: World Health Organization (Tổ chức Y tế Thế giới) 4 ABSTRACT It is always possible radiological risks to human health caused by natural and artificial radionuclides (included the external and internal exposure) with an average total effective dose of 2.96 mSv/year. Naturally occurring radioactive materials (NORMs) are the major sources which cause exposure to people by ionizing radiation of about 2.42 mSv/year (worldwide value). Materials derived from rocks and soils contain mainly natural radionuclides of the U and Th series, and K-40. These radionuclides pose exposure risks externally due to their gamma-ray emissions and internally due to radon and its progeny which emit alpha particles with the contributions of 31% and 54%, respectively to the total of annual effective dose caused by the NORMs. In the uranium series, the decay chain segment starting from radium is radiologically the most important and, therefore, reference is often made to radium instead of uranium. The worldwide average concentrations of radium, thorium and potassium in the earth’s crust are about 40, 40 and 400Bq/kg, respectively (UNSCEAR, 1993 & 2000). Building materials are commonly originated from rocks and soils and also contain the NORMs. In order to be able to assess radiological risk linking to standards and regulatories on natural radioactivity in building materials, it is important to study the levels of radiation emitted from them. Investigation levels can be derived for practical monitoring purposes. Because more than one radionuclide contribute to the dose, it is practical to present investigation levels in the form of an activity concentration index. The activity concentration index should also take into account typical ways and amounts in which the material is used in a building. The activity concentration index shall not exceed the limited value depending on the dose criterion and the way and the amount the material is used in a building. The most important source of indoor radon is the underlying soil but in some cases the building materials may be an important source. In some cases, the main part of indoor radon on the upper floors of a building originates from building materials. Typical indoor radon concentration due to building materials is about 40 Bq/m3, but in some zones and in rare cases it may rise up to greater than 1000 Bq/m3. The amount of radium in building materials should be restricted at least to a level where it is unlikely that it could be a major cause for exceeding the design level of 200 Bq/m3 for indoor radon in future constructions. The relationship between Ra-226 specific radioactivity in building materials and indoor radon of a room is expressed by a linear parameter of radon exhalation rate. When the radon exhalation rates from all of the building materials in a house are available, the potential of indoor radon of that house can be determined. The above mentioned subjects have been studied and developed completely in many countries and there are a lot of research works issued while the data of natural radioactivity, indoor radon or radon exhalation rate of Vietnam are rarely and confusingly. The project on “Investigation and determination on natural radioactivity in commonly building materials used in Vietnam and initial assessment on radiation exposure caused by them” has been programmed and carried out for two years in order to solve the problem; and that aims to contribute more effectively to environmental radioactivity protection affair and human health of public and to support technical aspects in hazard exposure reduction. The established methods were applied in this investigation, included: (1) the determination method of natural radioactivity in building materials samples using by low level gamma background spectrometer; (2) the indoor radon measuring method accompanied with 5 RAD7; (3) the determination method of radon exhalation rate in building materials samples using solid state nuclear track detectors and/or RAD7; (4) the methods of gamma dose rate measurement with portable device and thermoluminescence dosimeter (TLD); and (5) the method of collection and preparation for building materials samples. Typical results of the project are as follows: Summarization on the gathered information/document related to research contents of the project, included: (1) characteristic and properties of building materials; (2) building materials minerals in Vietnam; (3) natural radioactivity in building materials and indoor radon; (4) radon exhalation from building materials; (5) radiation protection principles; and (6) international and national regulatories related to this subjects. Obtaining the data of existent levels of natural radioactivity (U-238, Ra-226, Th-232 and K-40) in 218 samples over 11 kinds of building materials which are dominant used in Vietnam (cement, sand, red-clay brick, gypsum, gravel aggregate, lime/limestone, glazed tile, granite, marble); the data of indoor radon concentration and radiation doses in 40 houses (versus to climate seasons) of 2 selected sites (Hochiminh city and Dalat city); the data of radon exhalations from 50 building materials samples. The obtained data in this investigation reflect to the actual state and to be compared with the corresponding reported data of other countries. The specific radioactivities of the different building materials samples varied from 0.89 ÷ 412.50, 0.18 ÷ 395.28, 0.10 ÷ 266.52 and 0.8 ÷ 2006.8 Bq/kg with the average values of 55.57, 52.09, 55.70 and 593.5 Bq/kg for U-238, Ra-226, Th-232 and K-40, respectively. The obtained results shown that the average specific radioactivities in investigated building materials were higher in comparison with the worldwide average concentrations of radium, thorium and potassium in the earth’s crust about of 1.30, 1.39, 1.48 times, respectively; the enhanced concentration values were sometimes felling into granite tiles, especially imported granite tiles. The activity concentration index and the annual effective dose were evaluated to assess the potential radiological hazard associated with these building materials. The results shown that the activity concentration indexes of some glazed tile, granite samples were exceeded unit; the activity concentration indexes of some building materials kinds with major contribution in buildings, for examples, sand, gravel aggregate, red-clay brick samples were exceeded the recommendation value. The evaluated annual effective doses for a model room (dimensions of 4 m × 5 m × 2.8 m; thickness of 20 cm, and density of 2.35 g/cm3), in which the structures in a building causing the irradiation to be concerned shown that the potential of exceed the limit was possible. The dose rates of observed houses in Hochiminh city varied from 0.11 ÷ 0.16 μSv/h with the average value of 0.12 μSv/h. The dose rates of observed houses in Dalat city varied from 0.19 ÷ 0.29 μSv/h with the average value of 0.23 μSv/h that was higher 1.92 times in comparison with Hochiminh city. The indoor radon of observed houses in Hochiminh city varied from 0.9 ÷ 42.4 Bq/m3 with the average value of 7.4 Bq/m3. The indoor radon of observed houses in Dalat city varied from 1.4 ÷ 243.0 Bq/m3 with the average value of 29.5 Bq/m3. The obtained data shown that indoor radon increased towards the night and reached the peak of indoor radon at early morning time; the indoor radon of some observed houses in Dalat city at peaks was exceeded in comparison with the design level (200Bq/m3). As a result, it is high potential risk of public internal dose of local people. 6 The average values of radon mass exhalation rates of the different building materials samples were 0.0101, 0.0400, 0.0131, 0.0072, 0.0318, 0.0028, 0.0082, and 0.0051 Bq/kg/h for sand, gravel aggregate, imported granite, marble, local granite, glazed tile, red-clay brick and cement, respectively. The average values of radon exhalation fraction (10-3h) were 0.4359, 0.6843, 0.4895, 0.9011, 0.4503, 0.0323, 0.1136, and 0.1413 for sand, gravel aggregate, imported granite, marble, local granite, glazed tile, red-clay brick and cement, respectively. By using the obtained data of radon mass exhalation rates, indoor radon concentration was calculated for a model room (dimensions of 4 m × 5 m × 2.8 m; thickness of 20 cm, and density of 2.35 g/cm3), in which the structures in a building causing the irradiation to be concerned, and the results shown that the potential of exceed the recommendation value was possible. 7 TÓM TẮT Con người sống trên mặt đất luôn bị chiếu xạ (bao gồm chiếu xạ ngoài và trong) bởi các nguồn phóng xạ tự nhiên và nhân tạo với liều trung bình khoảng 2,96 mSv/năm; trong đó có đến 2,42 mSv/năm (khoảng 82%) gây ra do các đồng vị phóng xạ tự nhiên. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên chủ yếu gây ra liều chiếu lên người là các đồng vị thuộc các chuỗi urani, thori và K-40. Tia bức xạ phát ra từ các đồng vị này gây nên chiếu ngoài đến người, liều này đóng góp khoảng 31% vào liều chiếu do các đồng vị phóng xạ tự nhiên. Bên cạnh đó, trong số các đồng vị của chuỗi urani có radon, là chất khí phóng xạ xả vào không khí, gây nên chiếu trong rất nguy hại do việc hít thở radon và con cháu của nó, liều này đóng góp khoảng 54% vào liều chiếu do các đồng vị phóng xạ tự nhiên. Tất cả các vật liệu xây dựng đều chứa các lượng khác nhau của các nhân phóng xạ tự nhiên. Trong chuỗi urani, phần chuỗi phân rã từ radi là có ý nghĩa nhất về mặt bức xạ và, bởi vậy, việc xem xét thường được thực hiện đối với radi thay vì uran. Hàm lượng trung bình toàn cầu của radi, thori và kali trong vỏ quả đất khoảng 40, 40 và 400 Bq/kg, tương ứng. Tiêu chuẩn đánh giá cho liều chiếu ngoài do các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong vật liệu xây dựng thông qua chỉ số hoạt độ I, mà khi sử dụng với số lượng lớn chỉ số này không vượt quá đơn vị. Theo UNSCEAR, nguồn đóng góp đáng kể nhất của khí radon trong nhà là từ đất phía dưới nền nhà. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, vật liệu xây dựng cũng có thể là một nguồn quan trọng mà phần lớn khí radon khuếch tán vào nhà là từ chúng. Hàm lượng radon trong nhà trung bình khoảng 40 Bq/m3, nhưng ở một số trường hợp, có thể lớn hơn 1000 Bq/m3. Tiêu chuẩn đánh giá cho liều chiếu trong là mức thiết kế đối với nồng độ radon trung bình hàng năm của các công trình xây dựng mới không vượt 200 Bq/m3. Mối liên hệ giữa hoạt độ riêng của Ra-226 có trong vật liệu xây dựng của một tòa nhà và nồng độ của khí radon trong nhà được biểu diễn theo tham số phụ thuộc tuyến tính là suất xả khí radon. Vì vậy, xác định được tham số này trong các loại vật liệu xây dựng có thể đánh giá được nồng độ khí radon khả dĩ có trong nhà ở. Trên thế giới các vấn đề trên đã được nghiên cứu phát triển khá toàn diện, trong khi đó ở Việt Nam, các số liệu về độ phóng xạ tự nhiên trong vật liệu xây dựng, về nồng độ khí radon trong nhà ở, về suất xả khí radon từ vật liệu xây dựng còn ít và rời rạc. Vì thế, đề tài “Nghiên cứu xác định độ phóng xạ tự nhiên trong các loại vật liệu xây dựng chủ yếu và bước đầu đánh giá liều chiếu do chúng gây ra” đã được xây dựng và thực hiện trong 2 năm nhằm góp phần cho công tác bảo vệ môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng và làm cơ sở cho các biện pháp giảm thiểu liều chiếu trong nhà. Các nội dung cụ thể được đặt ra bao gồm: (1) Phương pháp thu góp và xử lý mẫu vật liệu xây dựng; (2) chuẩn hóa phương pháp đo trên hệ phổ kế gamma bán dẫn phông thấp để xác định độ phóng xạ tự nhiên trong vật liệu xây dựng; (3) phương pháp đo nồng độ radon trong không khí nhà ở dùng thiết bị RAD7; (4) phương pháp đo suất xả khí radon dùng detector vết hạt nhân chất rắn và/hoặc dùng thiết bị RAD7; và (5) phương pháp đo suất liều gamma hiện trường và liều kế nhiệt phát quang (TLD). Các kết quả chính của đề tài có thể được tóm tắt như sau: Thu thập tài liệu, tìm hiểu, tổng hợp một số vấn đề có liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài, gồm: đặc trưng, tính chất của các loại vật liệu xây dựng; các khoáng sản vật liệu 8 xây dựng ở Việt Nam; độ phóng xạ tự nhiên trong vật liệu xây dựng và nồng độ khí radon trong nhà ở trong nước và thế giới; suất xả khí radon từ vật liệu xây dựng; các nguyên lý bảo vệ bức xạ; và các tiêu chuẩn quốc tế và Việt Nam liên quan. Thu nhận bộ số liệu về mức hiện hữu của các đồng vị phóng xạ tự nhiên (U-238, Th-232, Ra-226 và K-40) trong 218 mẫu của hơn 11 loại vật liệu xây dựng chủ yếu được sử dụng ở Việt Nam (cát, đá dăm, đá ốp lát trong nước và nhập ngoại có nguồn gốc từ granite và marble, gạch xây, gạch men, đá vôi/vôi, thạch cao, xi măng, và các loại khác); bộ số liệu về nồng độ radon, liều bức xạ trong không khí đối với 40 nhà ở (theo các mùa khí hậu) tại các vùng chọn lọc (Tp. Hồ Chí Minh, Tp. Đà Lạt); bộ số liệu về suất xả khí radon của hơn 50 mẫu vật liệu xây dựng. Các số liệu thu nhận được phản ánh chính xác hiện trạng và được phân tích, so sánh với các nghiên cứu tương tự trên thế giới. Dải hoạt độ riêng của các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong 218 mẫu vật liệu xây dựng thu góp được là 0,89 - 412,50; 0,18 - 395,28; 0,10 - 266,52 và 0,8 - 2006,8 Bq/kg với các giá trị trung bình là 55,57; 52,09; 55,70 và 593,5 Bq/kg tương ứng cho U-238, Ra-226, Th-232 và K-40. Các kết quả cho thấy hàm lượng phóng xạ tăng cao ở các loại vật liệu có nguồn gốc từ đá granít, đặc biệt là các loại đá granít nhập ngoại. Chỉ số hoạt độ và liều hàng năm do vật liệu xây dựng đã được tính toán, cho thấy chỉ số hoạt độ trong nhiều mẫu của các loại vật liệu xây dựng như gạch men, đá ốp lát có nguồn gốc từ granite vượt quá đơn vị. Chỉ số hoạt độ của một số mẫu từ các loại vật liệu đóng góp chủ yếu vào cấu trúc nhà ở như cát, đá dăm, gạch xây vượt quá tiêu chuẩn. Kết quả tính toán chỉ số hoạt độ và liều hàng năm do bức xạ gamma từ vật liệu xây dựng dựa vào sự đóng góp của chúng vào cấu trúc tòa nhà đối với một phòng chuẩn cho thấy khả năng vượt quá tiêu chuẩn khi sử dụng vật liệu ở một số địa phương là khả dĩ. Dải và giá trị trung bình của suất liều gamma trong nhà khu vực Tp. Hồ Chí Minh là 0,11 ÷ 0,16 và 0,12 μSv/giờ, tương ứng. Dải và giá trị trung bình của suất liều gamma trong nhà khu vực Tp. Đà Lạt là 0,19 ÷ 0,29 và 0,23 μSv/giờ, tương ứng. Suất liều gamma trong nhà ở Đà Lạt, trung bình cao gấp 1,92 lần so với Tp. Hồ Chí Minh. Dải và giá trị trung bình nồng độ khí radon trong nhà ở đối với khu vực Tp. Hồ Chí Minh là 0,9 ÷ 42,4; và 7,4 Bq/m3, tương ứng. Dải và giá trị trung bình nồng độ khí radon trong nhà ở đối với khu vực Tp. Đà Lạt là 1,4 ÷ 243,0; và 29,5 Bq/m3, tương ứng. Kết quả cho thấy rằng nồng độ khí radon tăng cao vào ban đêm và cao nhất vào lúc gần sáng; nồng độ radon tại nhiều địa điểm ở Đà Lạt khi ở đỉnh điểm vượt quá giới hạn (>200Bq/m3), do đó có khả năng/nguy cơ tiềm ẩn chịu liều bức xạ do chiếu trong là lớn. Suất xả khối radon trung bình từ các loại vật liệu xây dựng: cát xây, đá dăm, đá ốp lát granite nhập ngoại, đá ốp lát marble, đá ốp lát granite trong nước, gạch men, gạch xây, và xi măng là 0,0101; 0,0400; 0,0131; 0,0072; 0,0318; 0,0028; 0,0082; và 0,0051 Bq/kg/giờ, tương ứng. Hệ số xả (10-3giờ) của các loại vật liệu trên là: 0,4359; 0,6843; 0,4895; 0,9011; 0,4503; 0,0323; 0,1136; và 0,1413, tương ứng. Từ bộ số liệu về suất xả khối radon, nồng độ khí radon trong nhà được tính toán dựa vào sự đóng góp của chúng vào cấu trúc tòa nhà đối với một phòng chuẩn cho thấy khả năng vượt quá mức cho phép của radon khi sử dụng vật liệu của một số địa phương là có thể có, chứng tỏ có sự phù hợp giữa các giá trị tính toán và thực nghiệm. 9 MỞ ĐẦU Con người sống trên mặt đất luôn bị chiếu xạ (bao gồm chiếu xạ ngoài và chiếu xạ trong) bởi các nguồn phóng xạ tự nhiên và nhân tạo với liều trung bình khoảng 2,96 mSv/năm; trong đó có đến 2,42 mSv/năm (khoảng 82%) gây ra do các đồng vị phóng xạ tự nhiên [63]. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên chủ yếu gây ra liều chiếu lên người là các đồng vị phóng xạ trong các chuỗi urani, thori và K-40. Tia bức xạ phát ra từ các đồng vị này gây nên chiếu ngoài đến người, liều này đóng góp khoảng 31% vào liều chiếu do các đồng vị phóng xạ tự nhiên. Bên cạnh đó, trong số các đồng vị của chuỗi urani có radon, là chất khí phóng xạ xả vào không khí, gây nên chiếu trong rất nguy hại do việc hít thở radon và con cháu của nó, liều này đóng góp khoảng 54% vào liều chiếu do các đồng vị phóng xạ tự nhiên [63]. Vật liệu xây dựng phần lớn được chế tạo từ đất, đá lấy ở bề mặt trái đất, do đó nó cũng chứa một lượng phóng xạ tự nhiên nhất định. Đánh giá độ phóng xạ tự nhiên trong vật liệu xây dựng, đánh giá liều chiếu đối với con người, v.v…nhằm giảm thiểu liều chiếu, bảo vệ sức khỏe cộng đồng là một vấn đề đã và đang được thế giới rất quan tâm nghiên cứu. Trên thế giới các vấn đề trên đã được nghiên cứu phát triển khá toàn diện theo các hướng sau đây: Xác định hoạt độ các đồng vị U, Th, K-40 trong các loại vật liệu xây dựng; xác định mức nồng độ khí radon trong và ngoài nhà ở, đo xả radon trong hầm mỏ, khí đất và nước bằng các kỹ thuật hạt nhân như đo radon bằng phương pháp hấp thụ trên than hoạt tính, phương pháp dùng detector vết hạt nhân chất rắn (SSNTD),v.v...; đo suất xả radon từ đất, vật liệu xây dựng, v.v... vào môi trường; đánh giá sự đóng góp liều do radon vào liều bức xạ tự nhiên; cử chỉ khí radon theo thời gian; nghiên cứu vận chuyển radon bằng phương pháp thống kê số học; áp dụng các mô hình tính toán nồng độ radon từ các nguồn xả, v.v... Ngoài ra, radon cũng được nghiên cứu sử dụng như một chỉ thị cho một số quá trình môi trường, như dự báo động đất, v.v… Việc đo đạc nồng độ khí radon trong nhà do ảnh hưởng bởi công nghiệp và khai khoáng đã được nghiên cứu và phát triển từ rất lâu. Sự ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người khi ở mức cao về nồng độ radon trong nhà đã được phát hiện ở Châu Âu và Châu Mỹ làm nhận thức của dân chúng về mức nguy hại do radon trong nhà ở ngày càng trở nên sâu sắc. Ngày nay người ta đã biết rằng radon chính là nguồn nguy hại đóng góp lớn nhất từ sự chiếu xạ tự nhiên lên dân chúng và nó được xem là nguồn chính gây nên ung thư phổi do bức xạ tự nhiên (UNSCEAR 1988, 1993). Theo Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA) của Mỹ, khí phóng xạ radon là nguồn nguy hại gây chết hàng vạn người hàng năm ở Mỹ do ung thư phổi chỉ sau khói thuốc lá. Hầu hết khí radon khuếch tán vào nhà từ đất, đá của nền đất và vật liệu xây dựng theo các vết nứt của nền đất; các mối tiếp giáp trong xây dựng; các vết nứt của tường; lỗ hổng từ các ống dẫn; khoảng trống bên trong các vách tường; v.v…Nồng độ trung bình của khí radon trong nhà ở khoảng 40Bq/m3 và ở ngoài trời khoảng 10Bq/m3 (UNSCEAR-1993). Giá trị nồng độ radon trong nhà ở được khuyến cáo theo tiêu chuẩn của Mỹ là 150Bq/m3; theo EU, ICRP, WHO, Úc và Israel là 200Bq/m3. EPA đã nghiên cứu và đưa ra các tài liệu về quy phạm và hướng dẫn như sau: (1) Các nghiên cứu về liều do radon trong nhà ở và ảnh hưởng của chúng đến sức khỏe dân chúng (EPA Assessment of Risks from Radon in Homes, EPA 402-R-3003); (2) Hướng dẫn về bảo vệ bức xạ do radon trong nhà ở; các phương pháp đo đạc, đánh 10 giá nồng độ khí radon trong nhà ở; các khuyến cáo đối với các bước xử lý tiếp theo; hướng dẫn về liều bức xạ do radon (Citizen's Guide to Radon - The guide to protecting yourself and your family from radon, EPA 402-K02-006); (3) Hướng dẫn cho các cá nhân, tổ chức mua bán nhà, thanh tra về lĩnh vực liên quan tới khí radon trong nhà (Home Buyer's and Seller's Guide to Radon, EPA 402-K-00-008); (4) Hướng dẫn cho các cá nhân, tổ chức có nhu cầu đo đạc và đánh giá nồng độ radon trong nhà và mức khuyến cáo về nồng độ radon (Consumer's Guide to Radon Reduction, EPA 402-K-92-003); (5) Hướng dẫn cho các tổ chức xây nhà có kiến thức về các biện pháp giảm thiểu radon trong nhà cho những công trình xây dựng mới (Building Radon Out: A Step-by-Step Guide on How to Build Radon-Resistant Homes, EPA 402-K-01002); (6) Tài liệu hướng dẫn cung cấp các thông tin cơ bản về các biện pháp giảm thiểu cho các công trình xây dựng dân dụng (Buying a New Home: How to Protect Your Family From Radon, EPA 402-F-98-008); (7) Sổ tay hướng dẫn cung cấp các thông tin, khuyến cáo, và hướng dẫn kỹ thuật cho các tổ chức cung ứng dịch vụ đo đạc sử dụng các phương pháp đo radon và con cháu của chúng (Indoor Radon and Radon Decay Product Measurement Device Protocols, EPA 402-R-92-004); (8) Sổ tay hướng dẫn kỹ thuật cho các phương pháp đo nồng độ radon trong nhà ở (Protocols for Radon and Radon Decay Product Measurements in Homes, EPA 402-R-93-003), v.v… Ở Việt Nam, trước đây tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân (NCHN), nồng độ con cháu radon, thoron trong không khí phòng làm việc ở các điều kiện thông gió khác nhau và ngoài trời đã được đo đạc. Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân (KHKTHN) đã có những khảo sát về nồng độ radon trong không khí hầm mỏ và trong một số kiểu nhà ở Hà Nội. Viện KHKTHN, Viện NCHN, Trung tâm Kỹ thuật Hạt nhân Tp. HCM đã tiến hành sơ bộ xác định hàm lượng các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong một vài loại vật liệu xây dựng, trong đó có đánh giá về suất xả khí radon từ vật liệu xây dựng. Viện KHKTHN đã có những nghiên cứu về xây dựng tiêu chuẩn cơ sở cho phương pháp ghi đo khí phóng xạ radon trong nhà ở. Viện Vật liệu Xây dựng, Bộ Xây dựng đã có nghiên cứu về Dự thảo tiêu chuẩn Hoạt độ phóng xạ tự nhiên trong vật liệu xây dựng và nồng độ khí radon trong nhà ở. Như đã nói trên, ở Việt Nam các số liệu về nồng độ radon trong các loại nhà khác nhau, số liệu về liều bức xạ do radon gây ra, số liệu về suất xả radon từ vật liệu xây dựng, v.v…còn ít và rời rạc. Việc đo đạc độ phóng xạ khí radon trong nhà ở để đánh giá liều chiếu đối với con người hướng tới việc xây dựng tiêu chuẩn phóng xạ đối với radon trong nhà, v.v…nhằm giảm thiểu liều chiếu, bảo vệ sức khỏe cộng đồng là vấn đề đã và đang được thế giới rất quan tâm nghiên cứu, do đó việc tiến hành đề tài nghiên cứu này là một nhu cầu cần thiết để góp phần khắc phục các hạn chế nói trên. Với các lý do trên, đề tài “Nghiên cứu xác định độ phóng xạ tự nhiên trong các loại vật liệu xây dựng chủ yếu và bước đầu đánh giá liều chiếu do chúng gây ra” đã được phê duyệt và thực hiện trong 2 năm (4/2007-4/2009), với kinh phí 350,0 triệu đồng. Đề tài đặt ra với các mục tiêu sau: Cung cấp số liệu về hàm lượng các đồng vị phóng xạ tự nhiên họ Urani, họ Thori và K40 trong các loại vật liệu xây dựng chính. Bước đầu đánh giá liều chiếu trong nhà do các đồng vị phóng xạ tự nhiên nói trên gây ra. 11 Cung cấp cơ sở khoa học kỹ thuật cho dự án Tổng điều tra và Đánh giá liều chiếu dân chúng trong nhà ở Việt nam do vật liệu xây dựng. Tạo cơ sở khoa học để tiến đến xây dựng TCVN về mức nồng độ radon trong nhà nhằm giảm thiểu liều chiếu trong nhà. Để đạt các mục tiêu trên, các nội dung nghiên cứu ứng dụng và triển khai thực nghiệm sau đây đã được tiến hành, đó là: - Chuẩn hoá các phương pháp xác định độ phóng xạ tự nhiên của các loại vật liệu xây dựng chủ yếu: phương pháp phân tích phổ gamma; phương pháp đo suất xả khí Rn; các phương pháp đo nồng độ Rn trong không khí nhà ở, phương pháp đo suất liều gamma chiếu ngoài. - Thiết kế lấy mẫu và thu góp 120 mẫu các loại vật liệu xây dựng chính. - Xác định hàm lượng các đồng vị phóng xạ U-238, Ra-226, Th-232, K-40 và suất xả khí Rn của các mẫu vật liệu xây dựng đã thu góp. - Khảo sát nồng độ Rn và suất liều hấp thụ trong không khí của một số kiểu nhà tiêu biểu tại các vùng chọn lọc. - Nghiên cứu xác lập mối tương quan nguồn - liều chiếu ngoài trong nhà cho một số mô hình xây dựng tiêu biểu - Áp dụng các kỹ thuật thống kê tiên tiến để xử lý số liệu thực nghiệm thu nhận được. 12 PHẦN I. TỔNG QUAN Để có thể giới hạn các nội dung trong nghiên cứu của đề tài, phần này trình bày tóm lược một số vấn đề liên quan đến nghiên cứu xác định độ phóng xạ tự nhiên trong các loại vật liệu xây dựng chủ yếu và bước đầu đánh giá liều chiếu do chúng gây ra. 1.1. CÁC LOẠI VẬT LIỆU XÂY DỰNG VÀ TÍNH CHẤT CỦA CHÚNG [46,60]. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói chung, ngành vật liệu xây dựng cũng đã phát triển từ thô sơ đến hiện đại, từ giản đơn đến phức tạp, chất lượng vật liệu ngày càng được nâng cao. Ở Việt Nam ngành công nghiệp vật liệu xây dựng đã phát triển nhanh chóng; từ những vật liệu xây dựng truyền thống như gạch, ngói, đá, cát, xi măng, ngày nay ngành vật liệu xây dựng Việt Nam đã bao gồm hàng trăm chủng loại vật liệu khác nhau. Có rất nhiều nhà máy mới trên khắp ba miền như xi măng Bút Sơn (1,6 triệu tấn/năm), xi măng Hải Phòng (1,4 triệu tấn/năm), xi măng Sao Mai (3,6 triệu tấn/năm), xi măng Nghi Sơn (2,27 triệu tấn/năm), v.v… Về gốm sứ xây dựng có nhà máy ceramic Hữu Hưng, Thanh Thanh, Thạch Bàn, Việt Trì, Đà Nẵng, Đồng Tâm, Taicera ShiJar, v.v... Năm 1992, chúng ta mới sản xuất được 160 nghìn m2 loại ceramic tráng men ốp tường, đến nay đã cung cấp cho thị trường hơn 30 triệu m2 các loại. Các sản phẩm vật liệu trang trí hoàn thiện như đá ốp lát thiên nhiên, sản xuất từ đá cẩm thạch, đá hoa cương, sơn silicat, vật liệu chống thấm, vật liệu làm trần, vật liệu lợp đã được phát triển với tốc độ cao. Dự kiến đến năm 2010 sản xuất được 40-45 triệu tấn xi măng; 40-50 triệu m2 gạch men lát nền, ốp tường; 4-5 triệu sản phẩm sứ vệ sinh với phụ kiện đồng bộ; 80-90 triệu m2 kính xây dựng các loại; 18-20 tỷ viên gạch; 30-35 triệu m2 tấm lợp; 35- 40 triệu m3 đá xây dựng; 2 triệu m2 đá ốp lát; 50 nghìn tấm cách âm, cách nhiệt, vật liệu mới, vật liệu tổng hợp. Phân loại vật liệu xây dựng: Theo bản chất, vật liệu xây dựng được phân ra 3 loại chính sau đây: (1) Vật liệu vô cơ, gồm các loại vật liệu đá thiên nhiên, các loại vật liệu nung, các chất kết dính vô cơ, bê tông, vữa và các loại vật liệu đá nhân tạo không nung khác; (2) Vật liệu hữu cơ, gồm các loại vật liệu gỗ, tre, các loại nhựa, các loại chất dẻo, sơn, vecni, v.v... ; (3) Vật liệu kim loại, gồm các loại vật liệu và sản phẩm bằng gang, thép, kim loại màu và hợp kim. Theo nguồn gốc, vật liệu xây dựng vô cơ được phân ra 2 nhóm chính: vật liệu đá nhân tạo và vật liệu đá thiên nhiên. Vật liệu đá nhân tạo là một nhóm vật liệu rất phong phú và đa dạng, chúng được phân thành 2 nhóm phụ: vật liệu đá nhân tạo không nung và vật liệu đá nhân tạo nung. Phân loại tính chất của vật liệu xây dựng: Vật liệu cấu tạo đặc rất phổ biến trong xây dựng như bê tông nặng, gạch ốp lát, gạch silicat. Vật liệu cấu tạo rỗng có thể là những vật liệu có những lỗ rỗng lớn như bê tông khí, bê tông bọt, chất dẻo tổ ong hoặc những vật liệu có những lỗ rỗng bé. Vật liệu có cấu tạo dạng sợi, như gỗ, các sản phẩm có từ bông khoáng và bông thủy tinh, tấm sợi gỗ ép, v.v... 13 Vật liệu có cấu trúc dạng lớp, như đá phiến ma, diệp thạch sét, v.v... là vật liệu có tính dị hướng. Vật liệu hạt rời như cốt liệu cho bê tông, vật liệu dạng bột (xi măng, bột vôi sống) có các tính chất và công dụng khác nhau tùy theo thành phần độ lớn và trạng thái bề mặt hạt. Trong nghiên cứu này, chủ yếu tập trung vào các loại vật liệu xây dựng đóng góp nhiều nhất vào cấu trúc nhà ở của dân chúng, bao gồm: Vật liệu đá thiên nhiên: Đá thiên nhiên có hầu hết ở khắp mọi nơi trong vỏ trái đất, đó là những khối khoáng chất chứa một hay nhiều khoáng vật khác nhau. Bằng cách gia công cơ học đá thiên nhiên, vật liệu đá thiên nhiên được chế tạo và do đó tính chất cơ bản của vật liệu đá thiên nhiên giống tính chất của đá gốc. Tính chất cơ lý chủ yếu cũng như phạm vi ứng dụng của vật liệu đá thiên nhiên được quyết định bởi điều kiện hình thành và thành phần khoáng vật của chúng. Căn cứ vào điều kiện hình thành và tình trạng địa chất có thể chia đá tự nhiên làm ba nhóm: Đá mác ma, đá trầm tích và đá biến chất. Đá mác ma Đá mác ma được tạo thành do các khối silicat nóng chảy từ lòng trái đất xâm nhập lên phần trên của vỏ hoặc phun trào lên mặt đất. Do vị trí và điều kiện nguội của các khối mác ma khác nhau nên cấu tạo và tính chất của chúng cũng khác nhau. Đá mác ma được phân ra hai loại là xâm nhập và phún xuất. Thành phần khoáng vật của đá mác ma rất phức tạp nhưng có một số khoáng vật quan trọng nhất, quyết định tính chất cơ bản của đá đó là thạch anh, fenspat và mica. Thạch anh (SiO2) tồn tại ở dạng kết tinh trong suốt hoặc màu trắng và trắng sữa, khối lượng riêng 2,65g/cm3; fenspat gồm fenspat kali: K2O.Al2O3.6SiO2 (octocla), fenspat natri: Na2O.Al2O3.6SiO2 (plagiocla), fenspat canxi: CaO.Al2O3.2SiO2. Fenspat có khối lượng riêng 2,55-2,76 g/cm3; mica là những alumôsilicát ngậm nước rất dễ tách thành lớp mỏng, khối lượng riêng 2,76 - 2,72 g/cm3. Một số loại đá mác ma thường dùng làm vật liệu xây dựng: Đá granite (đá hoa cương): là một loại đá mácma xâm nhập phổ biến có thành phần axít. Granite có cấu trúc hạt trung tới thô, khi có các tinh thể lớn hơn chiếm ưu thế trong đá thì gọi là cấu trúc porphia hay nổi ban. Granite có màu hồng đến xám tối hoặc thậm chí màu đen, tùy thuộc vào thành phần hóa học và khoáng vật cấu tạo nên đá. Các khối granite lộ ra trên mặt đất ở dạng khối và có xu hướng tròn cạnh khi bị phong hóa. Hầu hết granite có cấu tạo khối, cứng và xù xì, và được sử dụng rộng rãi để làm đá xây dựng như: tấm ốp, lát, đá khối xây móng, tường, trụ cho các công trình, đá dăm để chế tạo bê tông v.v.... Tỷ trọng riêng trung bình là 2,75 g/cm3. Granite xuất phát từ tiếng Latinh là granum, nghĩa là hạt để nói đến cấu trúc hạt thô của đá kết tinh. Đá gabrô: là loại đá đặc, khối lượng riêng 2,0 - 3,5 g/cm3, được sử dụng làm đá dăm, đá tấm để lát mặt đường và ốp các công trình. Đá bazan: Là loại đá nặng nhất trong các loại đá mác ma, khối lượng riêng 2,9-3,5 g/cm3 được sử dụng làm đá dăm, đá tấm lát mặt đường hoặc tấm ốp. 14 Ngoài các loại đá đặc ở trên, trong xây dựng còn sử dụng tro núi lửa, cát núi lửa, đá bọt, túp dung nham, v.v... Tro núi lửa thường dùng ở dạng bột màu xám, những hạt lớn hơn gọi là cát núi lửa. Thành phần của tro và cát núi lửa chứa nhiều SiO2 ở trạng thái vô định hình. Tro núi lửa là nguyên liệu phụ gia dùng để chế tạo xi măng và một số chất kết dính vô cơ khác. Đá bọt là loại đá rất rỗng được tạo thành khi dung nham nguội lạnh nhanh trong không khí. Các viên đá bọt có khối lượng riêng trung bình 0,8 g/cm3, đây là loại đá nhẹ. Cát núi lửa và đá bọt thường được dùng làm cốt liệu cho bê tông nhẹ. Đá trầm tích Đá trầm tích được tạo thành trong điều kiện nhiệt động học của vỏ trái đất thay đổi. Các loại đất đá khác nhau do sự tác động của các yếu tố nhiệt độ, nước và các tác dụng hóa học mà bị phong hóa vỡ vụn. Sau đó chúng được gió và nước cuốn đi rồi lắng đọng lại thành từng lớp. Dưới áp lực và trải qua các thời kỳ địa chất chúng được gắn kết lại bằng các chất keo kết thiên nhiên tạo thành đá trầm tích. Căn cứ vào điều kiện tạo thành, đá trầm tích được chia làm 3 loại: Đá trầm tích cơ học - là sản phẩm phong hóa của nhiều loại đá có trước, ví dụ như: cát, sỏi, đất sét v.v... ; Đá trầm tích hóa học - do khoáng vật hòa tan trong nước rồi lắng đọng tạo thành, ví dụ: đá thạch cao, đôlômit, magiezit v.v...; Đá trầm tích hữu cơ - do một số động vật trong xương chứa nhiều chất khoáng khác nhau, sau khi chết chúng được liên kết với nhau tạo thành đá trầm tích hữu cơ, ví dụ: đá vôi, đá vôi sò, đá điatômit. Thành phần khoáng vật của đá trầm tích như sau: Nhóm oxyt Silic bao gồm: Ôpan (SiO2. 2H2O), Chan xedon (SiO2); nhóm cacbonat bao gồm: canxit (CaCO3), khối lượng riêng 2,7 g/cm3; Đôlômít [CaMg(CO3)2], khối lượng riêng 2,8g/cm3; Magiêzít (MgCO3), khối lượng riêng 3,0 g/cm3; nhóm các khoáng sét bao gồm: Caolinit (Al2O3.2SiO2.2H2O), khối lượng riêng 2,6g/cm3; Montmorialonit ( 4SiO2.Al2O3.nH2O) là khoáng chủ yếu của đất sét; nhóm sunfat bao gồm: thạch cao (CaSO4.2H2O), khối lượng riêng 2,3g/cm3; Anhyđrít (CaSO4), khối lượng riêng 3,0g/cm3. Một số loại đá trầm tích thường dùng: Cát, sỏi: Là loại đá trầm tích cơ học, được khai thác trong thiên nhiên sử dụng để làm vữa, bê tông, v.v... Đất sét: Là loại đá trầm tích có độ dẻo cao khi nhào trộn với nước, là nguyên liệu để sản xuất gạch, ngói, xi măng. Thạch cao: Được sử dụng để sản xuất chất kết dính bột thạch cao xây dựng. Đá vôi có hai loại là đá vôi rỗng và đá vôi đặc. Đá vôi rỗng gồm có đá vôi vỏ sò, thạch nhũ, loại này có khối lượng riêng 0,8- 1,8 g/cm3. Các loại đá vôi rỗng thường dùng để sản xuất vôi hoặc làm cốt liệu cho bê tông nhẹ. Đá vôi đặc bao gồm đá vôi canxit và đá vôi đôlômit. Đá vôi can xít có màu trắng hoặc xanh, vàng, khối lượng riêng 2,2 -2,6 g/cm3. Đá vôi đặc thường dùng để chế tạo đá khối xây tường, xây móng, sản xuất đá dăm và là nguyên liệu quan trọng để sản xuất vôi, xi măng. Đá vôi đôlômit là loại đá đặc, màu đẹp, được dùng để sản xuất tấm lát, ốp, đá dăm. 15 Đá biến chất Đá biến chất được hình thành từ sự biến tính của đá mác ma, đá trầm tích do tác động của nhiệt độ cao hay áp lực lớn. Đá biến chất được hình thành từ sự biến tính của đá mácma, đá trầm tích, thậm chí cả từ đá biến chất có trước, do sự tác động của nhiệt độ, áp suất cao (nhiệt độ lớn hơn 150 đến 200 °C và áp suất khoảng trên 1500 bar) và các chất có hoạt tính hoá học, gọi là quá trình biến chất. Trong quá trình biến chất do tác động của áp lực và sự tập hợp nhiều loại kết tinh nên đá biến chất thường rắn chắc hơn đá trầm tích; nhưng đá biến chất từ đá mácma thì do cấu tạo dạng phiến mà tính chất cơ học của nó kém đá mácma. Các đá biến chất chiếm phần lớn trong lớp vỏ của Trái đất và được phân loại dựa trên cấu tạo, và thành phần hóa học và khoáng vật. Một số loại đá biến chất thường dùng: Đá marble (đá cẩm thạch): là một loại đá biến chất từ đá vôi có cấu tạo không phân phiến. Thành phần chủ yếu của nó là canxit (dạng kết tinh của cacbonat canxi, CaCO3). Nó thường được sử dụng để trang trí trong các tòa nhà và một số dạng ứng dụng khác. Đá hoa tinh khiết màu trắng là kết quả biến chất từ đá vôi tinh khiết. Các đặc điểm vân và viền có nhiều màu sắc khác nhau của đá hoa thường do các tạp chất như sét, bột, cát, ôxít sắt, hoặc đá phiến silic tạo nên, các loại này là những hạt hoặc các lớp nguyên thủy có mặt trong đá vôi. Màu xanh lục thường do sự có mặt của xecpentin, tạo ra từ đá vôi giàu magiê hoặc dolomit có chứa tạp chất silica. Các loại tạp chất khác nhau được di chuyển và tái kết tinh bởi áp suất và nhiệt độ cao của quá trình biến chất. Vật liệu gốm xây dựng: Vật liệu nung hay gốm xây dựng là loại vật liệu được sản xuất từ nguyên liệu chính là đất sét bằng cách tạo hình và nung ở nhiệt độ cao. Do quá trình biến đổi lý, hóa trong khi nung nên vật liệu gốm xây dựng có tính chất khác hẳn so với nguyên liệu ban đầu. Sản phẩm gốm xây dựng rất đa dạng về chủng loại và tính chất. Theo công dụng vật liệu gốm được chia ra: Vật liệu xây: Các loại gạch đặc, gạch 2 lỗ, gạch 4 lỗ. Vật liệu lợp: Các loại ngói. Vật liệu lát: Tấm lát nền, lát đường, lát vỉa hè. Vật liệu ốp: Ốp tường nhà, ốp cầu thang, ốp trang trí. Sản phẩm kỹ thuật vệ sinh: Chậu rửa, bồn tắm, bệ xí. Sản phẩm cách nhiệt, cách âm: Các loại gốm xốp. Sản phẩm chịu lửa: Gạch samốt, gạch đi nát. Nguyên liệu chính để sản xuất vật liệu nung là đất sét. Ngoài ra tùy thuộc vào yêu cầu của sản phẩm và tính chất của đất sét mà có thể dùng thêm các loại phụ gia cho phù hợp. Đất sét: Thành phần chính của đất sét là các khoáng alumôsilicát ngậm nước (nAl2O3.mSiO2.pH2O) chúng được tạo thành do fenspát bị phong hóa. Tùy theo điều kiện của từng môi trường mà các khoáng tạo ra có thành phần khác nhau, khoáng caolinit 16 2SiO2.Al2O3.2H2O và khoáng montmôrilonit 4SiO2.Al2O3.nH2O là hai khoáng quyết định những tính chất quan trọng của đất sét như độ dẻo, độ co, độ phân tán, khả năng chịu lửa v.v... Ngoài ra trong đất sét còn chứa các tạp chất vô cơ và hữu cơ như thạch anh (SiO2), cacbonat (CaCO3, MgCO3), các hợp chất sắt Fe(OH)3, FeS2, tạp chất hữu cơ ở dạng than bùn, v.v... các tạp chất đều ảnh hưởng đến tính chất của đất sét. Tính chất chủ yếu của đất sét bao gồm tính dẻo khi nhào trộn với nước, sự co thể tích dưới tác dụng của nhiệt và sự biến đổi lý hóa khi nung. Chính nhờ có sự thay đổi thành phần khoáng vật trong quá trình nung mà sản phẩm gốm có tính chất khác hẳn tính chất của nguyên liệu ban đầu. Sau khi nung, thành phần khoáng cơ bản của vật liệu gốm là mulit 3Al2O3.2SiO2 (A3S2) đây là khoáng làm cho sản phẩm có cường độ cao và bền nhiệt. Các vật liệu phụ: Để cải thiện tính chất của đất sét cũng như tính chất của sản phẩm, trong quá trình sản xuất người ta có thể sử dụng một số loại vật liệu phụ sau: Vật liệu pha vào đất sét nhằm giảm độ dẻo, giảm độ co khi sấy và nung, thường dùng là bột samốt, đất sét nung non, cát, tro nhiệt điện. Phụ gia cháy như mùn cưa, bã giấy, các thành phần này có tác dụng làm tăng độ rỗng của sản phẩm gạch và giúp cho quá trình gia nhiệt đồng đều hơn. Phụ gia tăng dẻo như các loại đất sét có độ dẻo cao như cao lanh đóng vai trò là chất tăng dẻo cho đất sét. Phụ gia hạ nhiệt độ nung có tác dụng hạ thấp nhiệt độ kết khối làm tăng nhiệt độ và độ đặc của sản phẩm, phụ gia hạ nhiệt độ nung thường dùng là fenspát, pecmatit, canxit đôlomit. Men là lớp thủy tinh lỏng phủ lên bề mặt của sản phẩm, bảo vệ sản phẩm, chống lại tác dụng của môi trường. Men dùng để sản xuất vật liệu gốm rất đa dạng, có màu và không màu, trắng và đục, bóng và không bóng, có loại dùng cho đồ sứ (men sứ) có loại dùng sản phẩm sành (men sành) và có loại men trang trí v.v...vì vậy việc chế tạo men là rất phức tạp. Một số loại sản phẩm thông dụng: Gạch xây là loại vật liệu gốm phổ biến thông dụng nhất, nguyên liệu dùng sản xuất gạch là đất sét. Nguyên liệu dùng sản xuất ngói là đất sét có độ dẻo cao, dễ chảy; đất không chứa tạp chất cacbonat. Trong sản xuất ngói có thể dùng 15 - 25% phụ gia cát, 10 - 20% phụ gia samốt. Nguyên liệu chủ yếu trong sản xuất gạch gốm ốp lát là loại đất sét chất lượng cao. Về thành phần khoáng, đất sét tốt nhất là caolinit-thuỷ mica (hàm lượng mica lớn, thạch anh thấp), các loại đất sét caolinit-montmôrilonit (hàm lượng montmôrilonit tới 20%, hàm lượng thạch anh nhỏ) cũng là nguyên liệu để sản xuất sản phẩm sứ vệ sinh cao cấp và gạch gốm ốp lát. Ngoài đất sét, trường thạch cũng là nguyên liệu thiết yếu đóng vai trò là chất chảy. Ở nước ta, đã có trên 40 cơ sở sản xuất gạch ốp lát với tổng công suất hơn 80 triệu m2/năm đều sử dụng đất sét trong nước như Hải Dương, Quảng Ninh, Hà Bắc, Phú Thọ, Lào Cai, Hà Tây, Thanh Hoá, Đồng Nai, Sông Bé, v.v... bằng công nghệ tiên tiến (nung nhanh 1 lần) của Tây Ban Nha, Italia, CHLB Đức, v.v… Các loại gạch xây: (1) Gạch thẻ: Có kích thước 220×105×60 mm, khối lượng riêng 2,5 2,7g/cm3, được sử dụng rộng rãi để xây tường, cột, móng, ống khói, lát nền; (2) Gạch có lỗ rỗng tạo hình: Các loại gạch này có khối lượng riêng nhỏ hơn 1,6 g/cm3; (3) Gạch nhẹ: là tên 17 gọi chung cho các loại gạch có khối lượng riêng thấp hơn gạch thẻ và gạch có lỗ rỗng tạo hình. Loại gạch này được chế tạo bằng cách thêm vào đất sét một số phụ gia dễ cháy như: mùn cưa, than bùn, than cám. Khi nung ở nhiệt độ cao, các chất hữu cơ này bị cháy để lại nhiều lỗ rỗng nhỏ trong viên gạch. Khối lượng riêng của loại gạch này khoảng 1,2-1,3 g/cm3; (4) Gạch chịu lửa: sản xuất từ đất sét phổ biến nhất là gạch samốt. Gạch ốp lát: Gạch ốp lát bao gồm nhiều loại với các công dụng khác nhau có thể có men hoặc không có men. Gạch gốm granite: Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất gốm granite bao gồm đất sét, cao lanh, fenfpat, thạch anh. Hỗn hợp trên được nghiền kỹ dưới dạng hồ lỏng cho thật nhuyễn, tiếp theo hỗn hợp được sấy khô và dùng máy ép áp lực lớn (400kG/cm2) để tạo hình sản phẩm. Sản phẩm được nung ở nhiệt độ 1220 - 1280oC với thời gian của mỗi chu kỳ nung từ 60 - 70 phút. Granite là loại gạch đồng chất (từ đáy đến bề mặt viên gạch cùng chất liệu), độ bóng của gạch là do mài chứ không phải tráng men như gạch gốm sứ tráng men. Gạch lát đất sét nung: Cũng là loại gạch được sản xuất từ đất sét, tạo hình bằng phương pháp dẻo, không có phụ gia và được nung chín. Gạch này thường dùng lát lớp trên của mái bê tông cốt thép hoặc lát nền nhà. Ngói đất sét: là loại vật liệu lợp phổ biến trong các công trình xây dựng, thường có các loại ngói vẩy cá, ngói có gờ và ngói bò. Các loại sản phẩm khác Ngoài những loại sản phẩm đã nêu ở trên, vật liệu nung còn nhiều loại sản phẩm khác được sử dụng trong xây dựng. Sản phẩm sành dạng đá: Đây là sản phẩm có cường độ cao, độ đặc lớn cấu trúc hạt bé, chống mài mòn tốt, chịu được tác dụng của axít, chúng được dùng khá rộng rãi trong xây dựng công nghiệp, hóa học và các công trình khác. Keramzit: gồm những hạt tròn hay bầu dục được sản xuất bằng cách nung phồng đất sét dễ chảy đồng nhất về thành phần và tính chất, có độ phân tán cao, có thành phần hoá học: Al2O3: 15-22%; SiO2: 50-60%; Fe2O3:6-12%; MgO+CaO:3-6%. Keramzit được dùng làm cốt liệu nhẹ cho bê tông nhẹ. Chúng có 2 loại: cát (cỡ hạt nhỏ hơn 5mm) và sỏi keramzit (các cỡ hạt 5÷10; 10÷20; 20÷30; 30÷40mm). Chất kết dính vô cơ: Chất kết dính vô cơ là loại vật liệu thường ở dạng bột, khi nhào trộn với nước hoặc các dung môi khác thì tạo thành loại hồ dẻo, dưới tác dụng của quá trình hóa lý tự nó có thể rắn chắc và chuyển sang trạng thái đá. Do khả năng này của chất kết dính vô cơ mà người ta sử dụng chúng để gắn các loại vật liệu rời rạc (cát, đá, sỏi) thành một khối đồng nhất trong công nghệ chế tạo bê tông, vữa xây dựng, gạch silicat, các vật liệu đá nhân tạo không nung và các sản phẩm xi măng amiăng. Căn cứ vào môi trường rắn chắc, chất kết dính vô cơ được chia làm 3 loại: (1) Chất kết dính vô cơ rắn trong không khí: loại chất kết dính chỉ có thể rắn chắc và giữ được cường độ lâu dài trong môi trường không khí như vôi, thạch cao, thủy tinh lỏng, chất kết dính magie. Theo thành phần hoá học chúng được chia thành 4 nhóm: Vôi rắn trong không khí (thành phần chủ yếu là CaO); chất kết dính magie (thành phần chủ yếu là MgO); chất kết dính 18