Radioaktivitat von Baustoffen

Baumaterialien besitzen generell eine naturliche Radioaktivitat. Sie resultiert im Wesentli – chen aus ihrem Gehalt an Radionucliden der Uran/Radium – und der Thorium-Zerfallsrei – hen sowie an Kalium-40. Dabei weist die spezifische Aktivitat der naturlichen Radionucli­de von Material zu Material grolie Unterschiede auf. Auch innerhalb der Baustoffarten ergibt sich meist eine erhebliche Variationsbreite (Tab. 2.1).

Tabelle 2.1 Spezifische Aktivitat natOrlicher Radionuclide in ausgewahlten Baustoffen

Baustoffe

Ra-226

Th-232

K-40

Granit Tuff, Bims Kalkstein

Naturgips/Anhydrit Kies, Sand, Kiessand Ziegel, Klinker Beton

Kalksandstein,

Porenbeton

100 (30-500)

100 (< 20-200)

24(4-41)

10(2-70)

15(1-39)

48(10-200)

30(7-92)

15(6-80)

120(17-311) 100 (30-300) 5(2-20)

< 5 (2 – 100) 16(1-64) 52(12-200) 23(4-71) 10(1-60)

1000 (600-4000) 1000 (500-2000) 90 (< 40-240)

60 (7-200)

380 (3 – 1200) 700(100-2000) 450 (50-1300) 200(40 – 800)

Angabe: Mittelwert (Bereich); Werte in Bq/kg; [BC 6].

Das durch a-Zerfall aus Radium-226 entstehende Radon-222 (тц2 = 3,823 d) ist aus der Sicht des Strahlenschutzes von besonderem Interesse. Radon (Rn) und seine Folgepro – dukte, die Schwermetalle Polonium und Bismut, senden ebenfalls ionisierend wirkende a – Strahlen aus, die – hohere Rn-Konzentrationen vorausgesetzt – bei inhalativer Aufnahme zu einem erhohten Lungenkrebsrisiko ftihren konnen. Man geht heute davon aus, dass die Rn- Konzentration in geschlossenen Raumen im Durchschnitt vier – bis achtmal hoher ist als im Freien. Die Konzentration von Radon in der Raumluft wird durch die Aktivitatskonzentra-
tion cA angegeben. Sie ist definiert als der Quotient aus der Aktivitat A und dem Volumen V der Luft, angegeben in Becquerel pro m3.

In die Raumluft von Wohnhausem gelangt Radon liber zwei Wege: Aus dem Untergrund der Hauser oder aus radiumhaltigen Baustoffen. Der Rn-Anteil aus den Baustoffen liegt bei max. 30 Bq/m3, speziell aus Betonbauteilen bei 1…5 Bq/m3 [BC 7, 8]. Er ist damit im Falle erhohter Rn-Konzentrationen in der Raumluft zu vemachlassigen. Der Hauptanteil stammt vielmehr aus dem Untergrund, je nach geologischen Verhaltnissen bis zu 90%. Das Ra – donproblem ist somit gegenwartig kein Problem der Baustoffe. Das Edelgas Radon kann sowohl durch Risse und Fugen im Fundament oder durch Kabel – und Rohrdurchfuhrungen in die Kellerraume einstromen als auch durch Diffusions – und Permeations(Konvektions)- Prozesse im Porensystem des Betons in die Innenraumluft gelangen.

In Deutschland existieren bis jetzt keine gesetzlichen Regelungen liber die Strahlenexposi – tion durch Radon in Wohnraumen und Gebauden. Laut Empfehlung der deutschen Strah – lenschutzkommission darf die Rn-Konzentration in geschlossenen Raumen im Jahresmittel einen Richtwert von 250 Bq/m3 nicht liberschreiten (Normalbereich). Bei Werten zwi – schen 250 und 1000 Bq/m3 (Ermessensbereich) sollen einfache MaBnahmen zur Redu – zierung der Rn-Exposition eingeleitet werden, wobei die Moglichkeiten stark von der Situ­ation vor Ort abhangen (Eintrittspfade und Verteilung des Radon, Bauart und – zustand des Hauses). Bei Konzentrationen > 1000 Bq/m3 spricht man vom Sanierungsbereich. Hier miissen aufwandigere MaBnahmen ergriffen werden, um die Rn-Konzentration zu reduzie – ren [BC 9].

Die mittlere Rn-Konzentration in deutschen Wohnungen liegt bei 50 Bq/m3. Vermutlich weisen hochstens 0,3% after Wohngebaude mehr als 1000 Bq/m3 auf. Maximal einige hun – dert Hauser sind mit mehr als 10.000 Bq/m3 belastet, z. B. in den Uranbergbaugebieten der ehemaligen sowjetischen Wismut-AG Schneeberg-Johanngeorgenstadt [BC 9, 10].

Zur Messung des Radon-222 und seiner Folgeprodukte wird in alien Fallen der proportio­nal zur Anzahl der Radonatome stattfindende radioaktive Zerfall genutzt. Folgende Mess – verfahren werden eingesetzt: Ionisationskammem, Halbleiter-Alpha-Spektrometer und Szintillationszellen, sowie Aktivkohle – und Thermolumineszenz-Dosimeter.

Verwendung von Radionucliden. Zahlreiche natlirliche und kiinstliche Radionuclide sind wichtige Hilfsmittel sowohl in der chemischen und biochemischen Forschung (Isotopen- markierung), in der medizinischen Diagnostik und Therapie (Tumorerkennung und -be – handlung, z. B. mit Co-60) als auch in der Baustoff – und Bauwerkspriifung. Zum Beispiel kann mittels Gammaradiographie die Qualitat von SchweiBnahten im Rohrleitungsbau, das Vorhandensein von Rissen in Stahlrohren oder von Schwindungshohlraumen (Lun – kem) in Gusseisen oder Stahl uberpruft werden {zerstorungsfreie Werkstoffprufung). Das Prufmaterial wird der Gammastrahlung einer umschlossenen, punktformigen Strahlungs – quelle ausgesetzt, die ein radioaktives Isotop (z. B. Co-60) enthalt. Bei Materialfehlem tritt eine im Vergleich zum fehlerfreien Material verstarkte y-Strahlung aus, die nach dem Durchgang durch das zu prlifende Material mittels Film oder y-Detektor registriert wird. Die Gammaradiographie wird auch zur Feststellung der Position der Bewehrung im Be ton eingesetzt.

Zur Altersbestimmung kohlenstoffhaltiger historischer und prahistorischer Organismen wird die Radiokohlenstoff-Methode herangezogen (,,Kohlenstoff-Uhrfi4), deren Grund – prinzip kurz beschrieben werden soil: Durch das Auftreffen von Neutronen der kosmischen Strahlung auf das in der Atmosphare befindliche Stickstoffisotop entsteht standig das

radioaktive Kohlenstoffisotop C-14 ((3-Strahler, xm = 5730 Jahre). Das С-14-Isotop wird in der Atmosphare zu C02 oxidiert, deshalb ist das Kohlendioxid der Luft zu einem geringen Anteil radioaktiv. Durch P-Zerfall kann sich aus dem Kohlenstoffisotop lC wieder bilden. Zwischen entstehendem und zerfallendem stellt sich ein Gleichgewicht ein, so dass der Anteil an radioaktivem C02 in der Luft einen konstanten Wert annimmt. Das Kohlenstoffisotop gelangt als radioaktives Kohlendioxid tiber die Photosynthese in die Pflanzen und tiber die Nahrungskette in den tierischen und menschlichen Organismus. Die С-14-Atome konnen tiber den Stoffwechsel und die Atmung den Organismus wieder ver – lassen, ein Teil von ihnen zerfallt jedoch im Organismus. Aus dem Verhaltnis der C-14- zu den stabilen С-12-Kemen (1:10 ) und der Halbwertszeit des Isotops C-14 ergeben sich bei einem lebenden Organismus 15,3 Zerfalle pro Minute pro Gramm Kohlenstoff. In einem lebenden Organismus (Tier, Pflanze) ist der Anteil ^Cim Kohlenstoff gleich groli wie in der Atmosphare. Stirbt ein Lebewesen, kommt der Kohlenstoff-Austausch mit der Atmo­sphare zum Stillstand. Da die С-14-Atome weiter mit konstanter Halbwertszeit zerfallen, sinkt ihr Gehalt im Organismus stetig. Aus dem ^C-Anteil des toten Gewebes, dem bekannten ^C – Anteil des lebenden Organismus und der Halbwertszeit X/2 kann der unge – fahre Zeitpunkt berechnet werden, an dem das Lebewesen gestorben ist.

Die Idee, das Alter von Kalkmorteln mittels der С-14-Methode zu bestimmen, stammt von Delibrias und Labeyrie [BC 11]. Der Erhartungsvorgang der Kalkmortel beruht auf der C02-Aufnahme aus der Atmosphare. Da der Zeitraum des Abbindens des Mortels, bezogen auf die Halbwertszeit von lc relativ kurz ist, kann bei bekanntem ^C – Gehalt des Mor­tels die Bauepoche bestimmt werden. Das ist moglich, da nach der vollstandigen Carbona – tisierung keine C02- und damit auch keine ^C-Aufnahme mehr erfolgt. Aus den ^C – Messungen einer C-haltigen Probe des Alters null und der zu datierenden Probe kann, nach Korrekturen, das ^C – Alter bestimmt werden. Eine routinemaliige Anwendung dieser Me – thode ist gegenwartig noch nicht moglich, da die Messwerte mit zu groBen Fehlem behaftet sind. Ein Problem ist die sehr unterschiedliche Carbonatisierungsdauer.

Da – wie bereits festgestellt wurde – das chemische Verhalten der Elemente hauptsachlich durch die Elektronen bestimmt wird, existiert ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen den stofflichen Veranderungen und den Veranderungen der Elektronenhtille. Genauere Kenntnisse zur Struktur der Elektronenhtille sind deshalb sowohl fur das Verstandnis der chemischen Reaktivitat als auch der chemischen Bindung unerlasslich.