掺入棕榈仁壳灰和杜姆棕榈壳灰的混凝土的物理力学性能及辐射屏蔽性能

《Annals of Nuclear Energy》：Physico-mechanical and radiation shielding properties of concrete incorporated with palm kernel shell ash and doum palm shell ash

　　

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  添加4.5%的棕榈仁壳灰（PKS4.5）和枣椰子壳灰（DPS4.5）后，混凝土的密度和抗压强度得到了提升。
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  C-PKS4.5混凝土的密度达到了2.32 g/cm3，抗压强度为36.08 MPa。
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  C-DPS4.5混凝土的密度最高（2.377 g/cm3），抗压强度也最高（38.45 MPa）。
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  C-DPS4.5在2.506 MeV的能量下表现出更好的光子屏蔽性能，达到了97.74%的RPE（辐射阻止系数）。

引言

对可靠且高效能源的需求持续增长，以支持社会发展。来自核裂变或核聚变的能源是化石燃料发电的潜在替代方案（Velasquez等，2021年）。除了发电，核能在农业、医疗保健和科学研究中也有多种应用，尤其是在涉及无损检测和X射线成像的领域（Wajid等，2025年；Iliyasu等，2017年）。然而，在核裂变过程中会释放出核辐射，并伴随着巨大的能量（Schulz-Ertner等，2006年；Apte和Bhide，2024年）。核裂变产生的辐射包括带电粒子（如α粒子、β粒子和电子）以及不带电粒子（如光子和中子），这些粒子可以与物质相互作用并沉积足够的能量，导致电离或激发，可能改变DNA结构并诱发细胞突变（Gurbani等，2025年）。长时间暴露在低能量光子中会导致环境中的辐射污染，使受影响地区不适合人类和动物居住。为了减少过度暴露于光子辐射的风险，通常更倾向于使用有效的辐射屏蔽材料，而不仅仅是依赖于“尽可能低”的（ALARA）指南中规定的时间和距离原则，因为这些方法有时并不实用（Baudin等，2024年；Daubner等，2022年）。

铅（Pb）长期以来因其高密度和原子序数而被用作有效的辐射屏蔽材料，因为这些特性有助于高效地衰减光子。然而，其较差的机械性能和毒性限制了其应用，特别是在需要环保和更安全屏蔽材料的情况下（Iliyasu等，2025年）。也提出了新型材料，如地质聚合物和高密度玻璃。不过，这些材料对机械损伤的抵抗力较低，在高温下容易出现裂纹。因此，需要制造适用于高辐射风险环境的高密度混凝土，这可以通过使用高密度骨料或掺入重金属（如WO?（Nikbin等，2019年；Tekin等，2017年）和Bi?O?（El-Nahal等，2021年；Sikora等，2021年）以及矿物（包括赤铁矿（Ramadan等，2024年）、磁铁矿（Malidarreh等，2025年）、重晶石（Al-Ghamdi等，2022年；Ahmad等，2024年）来实现。先前的研究表明，混凝土的辐射屏蔽性能取决于其密度、元素组成和光子能量（Azzaoui等，2025年；Awadeen等，2024年）。实验和蒙特卡洛方法被广泛用于评估混凝土的辐射屏蔽性能。一项基于GEANT4的研究调查了将赤铁矿、二氧化钛、褐铁矿和菱铁矿掺入混凝土的效果，发现与标准混凝土和一些重质混凝土相比，含有最高有效原子序数的混合物具有更好的光子衰减效果（Aygün等，2021年）。另一项实验和XCOM研究通过用泥岩部分替代普通混凝土中的粗骨料，改善了其物理、机械和光子屏蔽性能。泥岩含量从0增加到40 wt%时，混凝土密度从2.05 g/cm3增加到2.30 g/cm3，机械强度也得到了提升。在0.662 MeV的能量下，线性衰减系数从0.146增加到0.160 cm?1（Aita等，2024年）。混凝土衰减光子辐射的能力取决于密度、元素组成和光子能量等多种因素（Azzaoui等，2025年；Awadeen等，2024年）。一项研究使用GEANT4模拟和Phy-X/PSD评估了磁铁矿-蛇纹石混凝土复合材料的辐射和屏蔽性能，结果表明增加磁铁矿含量可以提高有效原子序数并增强光子衰减效果，但会降低中子衰减效果，25%的磁铁矿含量被认为是最佳值。GEANT4的结果与Phy-X/PSD的计算结果吻合度较高，最大偏差为2.03%（Liu等，2026年）。然而，这些材料相对昂贵，因此需要寻找低成本且易于获得的替代品用于辐射屏蔽应用。在低成本材料中，据报道农业废弃物（如稻壳灰（RHA）可以提高混凝土的光子衰减效果（Plando等，2023年；Alrowaili等，2024年；Wongwan等，2026年；Mahmoud等，2025年）。同样，添加粉煤灰的混凝土也能增强光子衰减能力（Frahat等，2024年；Külek?i，2021年）。例如，在高强度混凝土（HSC）中，使用10%的稻壳灰和20%的甘蔗渣灰作为部分水泥替代品，重点研究了它们的机械性能、微观结构和辐射屏蔽性能。研究显示，这两种农业灰烬的火山灰反应促进了水泥的水化作用，分别使抗压强度提高了12.42%和8.66%，抗拉强度分别提高了7.84%和3.92%。扫描电子显微镜（SEM）观察证实了微观结构的改善，XRD分析显示钙硅酸盐水合物（C-S-H）的形成，证明了农业灰烬的火山灰贡献（Azzam等，2025年）。一种基于磁铁矿的混凝土通过添加15%的稻草灰、3%的聚乙烯、0.3%的硼酸和纳米二氧化硅以及一种广泛使用的水减剂来改善其机械性能，以适应辐射屏蔽应用。结果表明，15%的稻草灰提高了抗压强度，这归因于火山灰反应和填充效应；而0.3%的硼酸改性磁铁矿提高了热中子吸收能力，这归因于硼（特别是1?B同位素）的高热中子吸收截面（Azzam等，2025年）。

最近的研究表明，大多数农业废弃物灰烬具有火山灰性质，可以部分替代水泥，因为它们含有反应性的二氧化硅、氧化铝和氧化铁。尽管已经研究了高达10%或更多的替代比例，但这会在机械性能和光子屏蔽效果之间产生权衡。基于先前的研究结果，本研究中使用了4.5%的替代比例作为基础水平，以增强混凝土的性能同时保持其结构完整性和可加工性。尽管有这些研究，但关于农业废弃物灰烬的元素组成、结构完整性和光子衰减之间的关系仍然关注不足。因此，本研究探讨了用枣椰子壳灰和棕榈仁壳灰控制性地替代4.5%水泥对混凝土物理机械性能和光子屏蔽效果的影响，作为可持续的辐射屏蔽材料。

像棕榈仁壳灰和枣椰子壳灰这样的果实外壳因其结构强度而受到认可，并含有不同的元素，包括Si、Fe、Al、Ca、Mg、Zn以及某些微量重金属（如Cd、W和Sr）（Alkafri，2023年；Oyedeji等，2022年）。这些矿物元素可以改善混凝土的微观结构、机械强度和有效原子序数，从而提高光子衰减性能。另一个优点是减少了废弃物，因为果实外壳通常作为农业废弃物被丢弃，可能导致甲烷排放，加剧全球变暖。将果实外壳回收成有价值的 products 可以有效缓解环境影响，并为农民创造额外的收入来源。在本研究中，研究了掺有棕榈仁壳灰和枣椰子壳灰的普通混凝土作为潜在的屏蔽材料。选择普通混凝土作为基准，因为据报道它具有有效的强度（Hoque等，2020年；Mahzuz和Hasan，2020年）和更好的光子辐射屏蔽效果（Zeyad等，2022年；Khan等，2020年）。所制备混凝土的辐射衰减性能通过MCNP5模拟程序和Phy-X/PSD进行了评估。

章节片段

材料与方法

普通混凝土的配比为普通波特兰水泥、细骨料（沙子）和粗骨料（砾石）1:1.25:2.5，水灰比为0.5，参考Mohammed（2017年）。

使用的细骨料来自尼日利亚索科托的Gwadabawa河岸，为中等粒度的沙子，通过3.5毫米筛子的筛选率为100%，干密度为1.813 g/cm3。所使用的砾石粒径为5厘米，平均密度为...

物理机械性能

利用阿基米德原理测得的混凝土密度，添加4.5%棕榈仁壳灰（C-PKS4.5）后的混凝土密度从2.25 g/cm3增加到2.32 g/cm3；添加4.5%枣椰子壳灰（C-DPS4.5）后的混凝土密度最高，达到2.377 g/cm3。棕榈仁壳灰和枣椰子壳灰中的Fe?O?和SiO?等矿物促进了火山灰反应，这种反应产生了致密且稳定的化合物...

结论

本研究展示了棕榈仁壳灰（PKS）和枣椰子壳灰（DPS）作为可持续且有效的添加剂，能够提升普通混凝土的物理、机械和光子屏蔽性能。将4.5%的PKS和DPS掺入混凝土混合物中后，密度、抗压强度和弹性模量得到了提升。添加4.5%的PKS灰和DPS灰使抗弯强度显著提高，提高了3.19%

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢Nourah bint Abdulrahman大学研究者支持项目（编号：PNURSP2026R26）以及沙特阿拉伯利雅得的Nourah bint Abdulrahman大学的支持。

Usman Iliyasu|Saifullahi Abdullahi|Anas Shehu|M.S.M. Sanusi|M.S. Al-Buriahi|Khadijah Mohammedsaleh Katubi