将石墨片岩作为混凝土中补充胶凝材料的评估：抗真菌活性、强度、水化、微观结构与辐射屏蔽

为变暖世界带来更清洁的混凝土

混凝土在我们建成环境中随处可见，但其主要成分波特兰水泥的生产会释放大量二氧化碳。本研究探讨一种天然岩石——石墨片岩，是否可部分替代混凝土中的水泥。如果可行，我们可以减少建筑相关的排放，同时获得对有害真菌的抗性，甚至可以微调混凝土在医院和核设施中阻挡辐射的能力。

将常见岩石转化为有用组分

石墨片岩是一种产于埃及东部沙漠的层状变质岩。研究人员将该岩石破碎研磨成细粉，掺入混凝土中，以重量计替代10%或15%的水泥。随后将这些配合比与普通混凝土进行比较，不仅检测强度和耐久性，还考察混凝土在高温、真菌侵袭以及不同类型辐射作用下的表现。由于该片岩的主要矿物密度较低且呈光滑的板片状，研究团队预计它更像是一种填充性的添加剂，而非高度反应性的胶凝替代物。

混凝土内部发生了什么

在显微尺度上，石墨片岩颗粒比水泥颗粒更小，表面积约为水泥颗粒的两倍。这使它们能够嵌入水泥颗粒之间的缝隙，帮助更紧密地填充混合物。然而化学测试显示，片岩本身并未显著参与水泥的硬化反应，而主要表现为惰性填料。在10%替代的配合比中，这种填充效应在一定程度上改善了砂石颗粒周围的内部结构，特别是在常见裂缝起始的薄界面区域。到了15%替代时，益处被问题所抵消：未反应的水泥颗粒增多、孔隙增大以及微裂纹出现，削弱了材料性能。

在强度、真菌与耐火之间的权衡

含有10%石墨片岩的混凝土在早期强度上较普通混凝土有所下降，但随着剩余水泥继续水化，六个月内这一差距有所缩小。相比之下，15%配合比显示出更明显的强度下降。尽管如此，岩粉带来了显著优点：它在800摄氏度的加热下保持稳定，表明掺入该添加剂的混凝土在严重火情下可能表现更好。在独立的培养皿实验中，石墨片岩对几种顽固真菌的生长具有强烈抑制作用，常常比单独的水泥更有效。这种抗真菌行为似乎源自其高表面积与矿物成分，共同对真菌细胞造成应激与损伤。

塑造混凝土的辐射屏蔽特性

由于混凝土常用于保护人员和设备免受辐射，研究团队还测试了新配合比对快中子和伽马射线的屏蔽能力。石墨片岩的加入略微改善了对快中子的阻挡，这是由于其矿物中含有氢、碳等轻元素，能有效减速这些粒子。但相同的添加减少了混凝土的密度并增加了孔隙率，从而削弱了对穿透力更强的伽马射线的阻挡能力。10%配合比在中子屏蔽上只有小幅提升，同时在伽马射线防护上表现出明显损失；而15%配合比在这方面表现更差。

这种新型混凝土的适用场景

总体来看，研究表明石墨片岩在约10%替代水泥的范围内可作为一种多功能矿物添加剂。在该范围内，它有助于减少水泥使用及相关排放，增加具前景的抗真菌和耐火特性，并对中子屏蔽有轻微增强，但代价是伽马射线防护减弱和强度略低。此类混凝土可能最适合非关键结构构件或强调抗真菌与耐火性的特殊应用场景，而不是追求最大强度或顶级辐射屏蔽的用途。通过进一步优化配比与含水量，石墨片岩或可成为制造更智能、更可持续混凝土的有用工具。

引用: Serry, M., Zayed, A.M., Tagyan, A.I. et al. Assessing graphite schist as a supplementary cementitious material in concrete for antifungal activity, strength, hydration, microstructure, and radiation shielding. Sci Rep 16, 12019 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40900-0

关键词: 低碳混凝土, 水泥替代, 抗真菌材料, 辐射屏蔽, 石墨片岩