将钢铁废料作为水泥替代品加入对可持续混凝土力学及辐射屏蔽性能的影响

把钢屑变成更安全的混凝土

现代生活在混凝土和放射技术的支持下运行，从医院到电站均离不开它们。该研究探索了一种方法，使混凝土不仅能再利用钢铁产业的废料，还能更有效地阻挡有害辐射。通过将剩余的钢颗粒和铁矿石引入混凝土，研究人员旨在制造更坚固的建筑和更安全的屏蔽材料，同时减少工业废弃物。

为什么要重新思考混凝土的组成

传统混凝土高度依赖水泥和天然岩石，而这些原料的开采与生产会对环境造成影响。与此同时，钢厂会产生大量废料，如细鳞片、切屑和磨损的制动部件，这些常常被填埋。研究团队提出了一个简单的问题：这些富含铁的重质残余物能否替代部分水泥，将一个处置问题转化为有用的配料，特别是用于需要辐射防护的结构？

用工业剩余物制备测试配比

为此，研究人员制备了十三种不同类型的混凝土。在每种配比中，通常用于混凝土的粗骨料都被钢渣（一种炼钢副产品）替代。随后，他们用四种基于钢的添加剂——废旧制动衬片、轧机鳞片、铁屑和赤铁矿（致密的氧化铁）——按不同量替换水泥。每种添加剂分别以10%、20%和30%三种掺量替代水泥。团队测量了每种新拌混凝土的流动性、硬化后的力学强度，以及在三种典型能量下对伽马射线的阻挡能力，并借助强力显微镜观察混凝土内部微观颗粒的排列情况。

更强、更致密、孔隙更少的混凝土

结果显示，在大多数情况下，掺入钢基添加剂能提高混凝土的强度。28天的抗压和抗拉强度总体上较采用相同水泥和钢渣的对照混凝土有所增加，尤其是使用赤铁矿时表现更明显。一种含10%赤铁矿的配比在强度上取得了较好的平衡，显著提高了两种强度。显微图像解释了原因：这些重质、细小的颗粒填补了水泥颗粒之间的空隙，有助于形成更紧密、更均匀的内部结构。与对照组相比，含钢铁废料的样品孔隙更少且更小，表明材料更致密、不易出现薄弱点。

混凝土如何阻挡辐射

当伽马射线穿过物质时，其一部分能量会被吸收或散射，这一过程称为衰减。科学家们测量了辐射强度在穿过各类混凝土圆盘时的衰减速率。所有含钢废料或赤铁矿的配比都比对照混凝土具有更好的屏蔽性能，这归因于其更高的密度和铁含量。赤铁矿配比再次表现最佳，达到最高的衰减值。实际意义是，由这些重质、富铁的混凝土构成的墙体，能够以比普通混凝土更小的厚度达到相同的防护水平。如预期的那样，更高能量的伽马射线更难被阻挡，但改良配比在所有测试能量下仍优于标准配比。

这对未来建造意味着什么

对非专业读者来说，关键结论是：巧妙利用钢铁废料可以将混凝土转变为更可持续且更具防护性的建筑材料。通过用选定的富铁粉末部分替代水泥，研究发现混凝土可以变得更坚固、更致密且更能阻隔有害辐射，同时有助于减少钢屑进入填埋场。作者强调含10%赤铁矿的配比尤为有前景，但他们也指出，在这类配方广泛用于实际工程之前，仍需进一步研究长期耐久性、成本及在严酷条件下的性能。

引用: Mukhtar, S., Sallam, H.ED.M. & Elsadany, R.A. The effect of steel waste addition as a cement replacement on the mechanical and radiation shielding properties of sustainable concrete. Sci Rep 16, 15036 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-51323-2

关键词: 可持续混凝土, 钢铁废料, 辐射屏蔽, 赤铁矿, 伽马衰减