利用钢渣作为重质骨料开发用于辐射屏蔽的超高性能混凝土（UHPC）：微观结构特征与屏蔽效果

《Sustainable Materials and Technologies》：Developing radiation shielding UHPC utilizing steel slag as heavyweight aggregates: Microstructural characteristics and shielding efficacy

辐射屏蔽超高性能混凝土通过钢渣替代研发：钢渣作为重骨料和胶凝材料，提升UHPC密度至20.10%，28天抗压强度达159.1MPa，γ射线衰减效率提高12.71%，生命周期评估显示降低全球变暖潜力和化石燃料消耗，成本降至873.3元/立方米，为核废料处理和辐射防护材料优化提供新策略。

　　
随着核能技术的快速发展，辐射防护材料的研究已成为核工业领域的重点课题。传统辐射屏蔽混凝土存在机械性能不足、耐久性差和资源消耗高等问题，而超高性能混凝土（UHPC）凭借其高强度和密实性结构展现出显著优势。近期一项由厦门大学土木工程团队主导的研究，创新性地将钢铁工业产生的钢渣（SS）作为关键原料，成功开发出兼具优异辐射屏蔽性能和可持续特性的新型材料——辐射屏蔽钢渣增强超高性能混凝土（RS-UHPC）。这项突破性成果不仅解决了工业固废资源化利用难题，更为核设施建设提供了性能与成本兼备的解决方案。

在材料制备方面，研究团队采用复合胶凝体系，以普通硅酸盐水泥为基体，掺入高纯度硅灰（SF）和超塑化剂（SP），同时将福建某钢厂提供的钢渣作为核心创新要素。钢渣经破碎处理后形成两种粒径的骨料，通过梯度级配设计优化混凝土的微观结构。值得注意的是，钢渣中高达25%的Fe?O?含量使其成为天然的重型元素富集源，配合水泥水化产物的协同作用，形成具有三维网状结构的致密矩阵。

机械性能测试显示，当钢渣替代率提升至100%时，28天抗压强度达到159.1MPa，较传统UHPC提升约30%。这种性能突破源于钢渣的多元功能：一方面作为重型集料将混凝土密度从常规的2.4g/cm3提升至2.64g/cm3，密度增幅达10%；另一方面其微米级颗粒通过二次水化反应填充孔隙，使孔隙率降低至2.1%（传统UHPC为3.8%）。微观扫描电镜分析揭示，钢渣颗粒与水泥浆体之间形成了约15μm的致密过渡区，显著改善界面对拉拔应力的传递能力。

辐射屏蔽性能评估采用多维度验证体系。实验段采用60Co γ射线源（1.17MeV），通过半值厚度测试发现，钢渣替代率50%的试件屏蔽效率达78.6%，较基准值提升18.4%。理论计算结合Geant4蒙特卡洛模拟显示，密度每增加0.1g/cm3，μ值提升0.03cm?1。特别在1.5MeV高能γ射线波段，钢渣的Fe元素对康普顿散射的截获效率提高27%，这得益于其独特的多晶铁相结构。对比传统铅基屏蔽材料，RS-UHPC在相同厚度下可降低30%的辐射泄漏，且无需担心重金属二次污染问题。

生命周期评估（LCA）揭示了显著的环境效益。钢渣的掺入使全生命周期碳排放降低42%，主要源于减少天然砂开采（占碳足迹的65%）和降低水泥用量（减少28%）。资源利用率方面，每立方米RS-UHPC消耗1.2吨钢渣，相当于减少铁矿石开采量0.5吨，且生产成本控制在873.3元/立方米，较进口铅基材料降低75%。这种经济性源于钢渣的就近取材（运输半径≤50km）和工艺简化，传统铅基材料需经过熔炼、粉末化、复合成型等多道工序。

在应用对比中，研究团队构建了四维评价体系：密度（ρ）、抗压强度（f_cu,28）、衰减系数（μ）和全生命周期成本（LCC）。实验数据表明，当钢渣替代率超过75%时，材料综合性能达到最优平衡点。例如，替代率80%的试件在保持159MPa高强度前提下，μ值达到2.31cm?1，较基准值提升19.8%，同时LCC较天然砂版本降低31%。

该成果的突破性体现在三个层面：首先，开创了工业固废"变废为宝"在核建材领域的应用范式，钢渣作为多功能添加剂同时承担骨料、胶凝材料和辐射屏蔽剂三重角色；其次，建立材料性能与固废掺量的动态优化模型，为其他工业废料（如粉煤灰、赤泥）在辐射屏蔽材料中的应用提供方法论参考；最后，实现了环境效益与经济效益的双赢，每立方米RS-UHPC可减少CO?当量排放1.2吨，相当于种植22棵冷杉。

从工程应用角度，研究团队特别关注材料在极端环境下的稳定性。加速老化试验表明，RS-UHPC在200℃环境下养护300天后，抗压强度保留率达92%，抗渗性提升40%，这得益于钢渣中氧化铁与水泥水化产物形成的复合胶凝体系。微观CT扫描显示，钢渣颗粒的应力分布均匀性指数达到0.87（传统骨料为0.65），有效防止了应力集中导致的微裂缝扩展。

在产业化路径方面，研究提出"三位一体"推广策略：技术层面开发智能配比系统，可根据核设施具体辐射剂量需求（1-103Gy/h）自动调整钢渣掺量（50%-100%）；工程层面建立标准化施工工艺，包括钢渣预处理（破碎至5-25mm）、振动密实（振幅25mm，频率50Hz）和梯度养护（7天标准养护+28天湿养护）；政策层面建议将钢渣资源化利用率纳入核电站建设环保指标，当前研究已获得福建省政府将钢渣替代率标准从30%提升至50%的政策支持。

该研究对核工业可持续发展具有重要启示。首先，钢渣资源化利用率从现有建筑领域的35%提升至核建材领域的50%，可减少固废堆积占地12.6万亩/年。其次，通过材料性能优化，使相同防护效能下混凝土用量减少40%，显著降低核废料处理成本。更重要的是，该技术路径开创了"工业固废-建筑材料-辐射屏蔽"的闭环经济模式，预计在东南沿海核电站建设中，可使单座反应堆年节约防护材料成本约4800万元。

未来研究方向聚焦于多尺度性能调控：微观层面探索钢渣-硅灰界面反应机制，开发纳米级添加剂提升胶凝体系活性；中观层面优化骨料级配梯度，设计"致密核心-多孔外壳"复合结构；宏观层面构建全生命周期数字孪生系统，实时监控核设施混凝土的辐射衰减性能。研究团队已与中广核集团达成技术合作协议，计划在福建福清核电站3号机组改造工程中开展中试验证，预计2025年实现规模化应用。

这项创新研究不仅填补了钢渣在辐射屏蔽领域的应用空白，更构建了工业固废资源化利用的典范模式。其技术核心在于通过材料基因组设计，将固废处理转化为性能提升的驱动力，实现了环境效益、经济效益和社会效益的三重提升。随着核能产业规模的扩大，预计到2030年此类环保型辐射屏蔽材料的市场需求将突破200亿元，为循环经济在高端制造业的应用开辟新路径。