蛇纹石与钛铁矿基生物屏蔽混凝土的力学-微观结构-热稳定性及γ射线衰减特性研究

为解决核设施辐射屏蔽材料性能优化问题，埃及与德国合作团队开展蛇纹石(D)、钛铁矿(Il)与白云石基重型混凝土(HWC)的对比研究。通过XRD、TGA/DTG、SEM等技术分析，发现Il混凝土具有最优γ射线屏蔽性能（衰减率较白云石提升271.2%），S混凝土展现最佳高温稳定性，其28天抗压强度(24.10-41.06 MPa)满足建筑规范要求，为核电站生物屏蔽材料选择提供重要数据支撑。

　　

在核能技术迅猛发展的今天，辐射防护已成为全球性课题。从切尔诺贝利到福岛核事故的惨痛教训警示我们，核泄漏释放的γ射线和快中子不仅会引发基因突变，更可能造成跨代际的健康灾难。尤其对于正在建设El-Dabaa核电站（总装机4800 Mwe）的埃及而言，开发高效生物屏蔽材料迫在眉睫。传统白云石混凝土虽广泛使用，但其辐射屏蔽效能有限；而埃及东部沙漠丰富的蛇纹石（含11-16 wt.%结晶水）和钛铁矿（高密度Fe-Ti氧化物）资源，为开发新型屏蔽材料提供了天然优势。

为系统评估本土矿产在辐射防护中的应用潜力，由埃及-德国GE-SEED项目资助的研究团队在《Materials Today Communications》发表重要成果。研究聚焦三种粗骨料（白云石D、蛇纹石S、钛铁矿Il）制备的重型混凝土，通过多尺度表征揭示其力学-屏蔽性能的构效关系。关键技术包括：采用X射线衍射（XRD）分析物相组成，热重-差热分析（TGA/DTG）评估热稳定性，扫描电镜（SEM）观测微观形貌，光学显微镜分析骨料特征；使用¹³⁷
Cs放射源（0.662 MeV）测试γ射线衰减率，并通过热台显微镜研究高温体积稳定性。

材料特性
反射/透射电镜显示：S骨料以纤蛇纹石（antigorite）为主，含磁铁矿/铬铁矿包裹体；Il骨料呈亚自形暗灰色颗粒，致密度显著高于多孔白云石。这种微观差异直接导致Il混凝土具有最高坍落度（工作性）和堆积密度（2.95 g/cm³
），吸水率最低。

力学与热性能
28天抗压强度测试表明，D参照组（41.06 MPa）>S组（32.15 MPa）>Il组（24.10 MPa），但均满足结构混凝土标准。高温实验（300-900°C/2h）揭示关键发现：S混凝土在900°C下强度保留率最高（68%），热膨胀系数最低，归因于蛇纹石中结晶水的逐步脱除形成热稳定相；而Il混凝土因钛铁矿相变出现明显体积不稳定。

辐射屏蔽机制
γ射线衰减测试显示革命性结果：Il混凝土对0.662 MeVγ射线的线性衰减系数μ较D组提升271.2%，较S组提升168.1%。这种优势源于钛铁矿的高电子密度（Fe-Ti协同效应）和Il骨料的低孔隙率。值得注意的是，S混凝土虽γ屏蔽稍逊，但其含有的磁铁矿包裹体和结晶水使其具备潜在中子屏蔽优势，这与Masoud等先前报道吻合。

讨论与展望
该研究首次系统比较埃及特色矿产在生物屏蔽混凝土中的性能差异：Il混凝土凭借卓越γ衰减性能成为电离辐射防护首选，而S混凝土的高温稳定性和中子慢化能力更适合反应堆压力容器周边区域。研究团队特别指出，虽然掺入硼酸可增强中子吸收（如Zayed等研究），但会损害水泥水化，因此建议通过优化S/Il骨料复配比例实现综合屏蔽。这些发现不仅为El-Dabaa核电站建设提供材料选择依据，更开创了"矿物基因"指导辐射屏蔽设计的新思路——通过精准调控蛇纹石（结晶水含量）、钛铁矿（Fe/Ti比）等本土矿产的微观特征，可定制化开发适应不同辐射场景的智能屏蔽材料。

局限性方面，研究未涉及长期辐射暴露下的材料耐久性，且中子屏蔽实验需后续补充。但毫无疑问，这项由Mohamed Kohail、Bastian Raab等学者完成的工作，为发展中国家利用本土资源构建核安全屏障树立了典范。随着核医学、工业辐照等领域的扩展，这种"以矿治辐"的策略或将改写全球辐射防护材料的技术版图。