对Pb?O?和GNP增强水泥在辐射屏蔽应用中的研究

《Applied Radiation and Isotopes》：Investigation of Pb 2O 3 and GNP enhanced cement for radiation shielding applications

本研究将纳米Pb?O?和石墨烯纳米片分别按1.25%-5%掺入水泥中，通过SEM、FTIR、XRD分析其结构，发现掺量为5%时，有效原子序数Zeff最高提升27%，等效原子序数Zeq在150-1500 keV范围内提升26%，同时降低曝光 buildup因子（EBF）达390%和能量吸收 buildup因子（EABF）达550%。经对比，掺5%的复合水泥CGPb5在辐射屏蔽性能上优于普通混凝土、玄武岩-磁铁矿混凝土等其他类型。

　　

G.B. Hiremath | Manjunath Gangadhar | N.R. Banapurmath | Sourabh Gurav | Ashok M. Sajjan | N.H. Ayachit | N.M. Badiger

印度胡巴利KLE技术大学高等科学学院，邮编580031

摘要

纳米Pb?O?和石墨烯纳米片被加入到水泥复合材料中，以探究其作为辐射屏蔽材料的有效性。改性后的水泥样品通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等技术进行了制备和表征。弯曲强度测试表明，加入GNP可以提高水泥的机械性能。Pb的浓度从1.25%增加到5%，在100 keV的能量下，Zeff值提高了多达27%。随着Pb含量从1.25%增加到5%，在150至1500 keV的能量范围内，等效原子数（Zeq）增加了多达26%。此外，在100-600 keV范围内，Pb含量从1.25%增加到5%时，EBF和EABF值分别降低了多达390%和550%。对制备的掺杂水泥在各种混凝土类型中的效果进行了评估，结果显示CGPb5的表现与其他混凝土类型相当。CGPb5的Zeff值与其他混凝土相似，除了OR类型外。此外，随着Pb含量从1.25%增加到5%，热中子和快中子的平均衰减因子（MAF）也有所下降。这些发现表明，CGPb5相比其他混凝土类型具有更优越的辐射屏蔽性能。

引言

核技术在满足全球能源需求、减少碳排放和促进可持续发展方面发挥了关键作用。然而，这些优势伴随着辐射暴露的风险。当个人或生物体受到来自核电站、医疗设备等来源的电离辐射时，就会发生辐射暴露（Arici等人，2016；Hussein Majid和Mawada M. Funjan，2025）。了解辐射暴露的影响对于保护公众健康和安全至关重要，因为它存在重大风险。核辐射暴露的潜在影响可能包括恶心、皮肤灼伤、呕吐，甚至在更严重的情况下导致癌症（?zlen等人，2024；Vural等人，2025）。核辐射与DNA的相互作用，无论是直接的还是间接的，都可能导致突变，最终可能引发癌症（Tyagi等人，2020）。 减少核辐射暴露的三种主要策略是屏蔽、距离和时间隔离。其中，使用辐射屏蔽材料被认为是保护公众、工人和环境免受辐射有害影响的最有效方法（Bijanu等人，2021）。在文献研究中，人们正在寻找安全的辐射屏蔽材料。包括玻璃（Hila等人，2022；Kaur等人，2021；Ravangvong等人，2022；Sayyed等人，2021；Singh等人，2014b，2014a）、聚合物（Al-Buriahi等人，2021；More等人，2021；Singh等人，2015；Thulasi等人，2021）、合金（Almuqrin等人，2021；Saleh等人，2022；Sathish等人，2021）以及某些类型的岩石（Khan等人，2023）在内的多种物质，都在被研究其作为有效屏蔽材料的潜力。 混凝土因其强度、耐久性和易于使用而成为广泛青睐的建筑材料。当加入高原子数掺杂剂后，它可以提供更好的伽马辐射防护（Kanagaraj等人，2024）。这种特殊的混凝土被应用于各种场所，包括X射线实验室、核电站和原子研究机构。它在医疗保健领域也发挥着重要作用，特别是在放射治疗室和核医学设施中（Tyagi等人，2020）。基于混凝土的辐射屏蔽材料对于小型核反应堆的安全运行至关重要，这些反应堆作为生产低碳能源的有效且经济的解决方案正受到关注。这些混凝土屏蔽材料不仅提供结构完整性，还能防止反应堆运行过程中释放的伽马射线和中子。为了可持续的未来，进一步改进这些基于混凝土的屏蔽材料是必要的，因为适当的辐射防护对于小型核反应堆的成功部署至关重要。 Tochaikul等人（2024）研究了掺有BaSO?和Bi?O?的波特兰水泥复合材料，发现含有较高浓度这些添加剂的复合材料对X射线和伽马射线的防护效果更强。同时，Mahmoud等人（2025）研究了温度对使用废花岗岩和大理石制成的混凝土性能的影响。他们的研究表明，含有适量这些废弃材料的混合物比标准对照组表现出更好的抗辐射性能。在另一项研究中，Kilicoglu等人（2023）利用MATLAB研究了不同类型水泥对用于核屏蔽的重混凝土的影响。他们的发现表明，含有铝酸钙水泥（CAC）的混凝土样品具有更优异的伽马辐射屏蔽能力。质量衰减系数（MAC）、有效原子数（Zeff）、等效原子数（Zeq）、暴露积累因子（EBF）和能量吸收积累因子（EABF）等关键因素对于理解伽马射线与各种材料的相互作用至关重要。同样，中子与材料的相互作用也可以通过质量衰减因子（MAF）进行分析。 在本研究中，纳米Pb?O?和GNP以1.25%至5%的重量百分比加入到水泥中。目的是评估它们在屏蔽伽马射线和中子辐射方面的有效性。将所得样品与几种类型的混凝土进行比较，包括普通混凝土（OR）、赤铁矿-蛇纹石（HS）、钛铁矿-褐铁矿（IL）、玄武岩-磁铁矿（BM）、钛铁矿（IT）、钢屑（SS）和钢-磁铁矿（SM），以评估它们作为辐射屏蔽材料的潜力。

材料与方法

获得了纯度分别为99.9%和99.5%的石墨烯纳米片（GNP）和Pb?O?纳米粉，其尺寸分别为0至10纳米和20至30纳米。最初，这些纳米颗粒通过探针超声处理分散在一个小时中，以防止聚集。与传统的波特兰水泥基体不同，Pb?O?和GNP以1.25%、2.5%、3.75%和5%的重量比例加入，如表1所示。

结果与讨论

图2展示了合成的CGPb样品的XRD图谱。这些图谱表明，所有样品都保持了水泥典型的晶体结构，主要对应于碳酸钙相。随着GNP和Pb?O?浓度的增加，峰强度略有降低，这表明由于GNP和Pb?O?的分散作用，结晶度降低，非晶性质增强。

结论

通过同时加入等重百分比的GNP和Pb?O?（各1.25 wt%-5 wt%），制备了水泥复合材料，并使用SEM、FTIR和XRD等技术对其进行了表征。弯曲强度测试采用三点弯曲法进行，结果表明，加入GNP可以提高水泥的强度和变形性能。伽马辐射屏蔽参数，包括MAC、Zeff、Zeq、EBF和EABF也得到了改善。

作者贡献声明

G. B. Hiremath：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据分析、概念化。 N. R. Banapurmath：数据分析。 Manjunath Gangadhar：资源支持。 Ashok M. Sajjan：数据分析。 Sourabh Gurav：资源支持。 N. M. Badiger：撰写——审稿与编辑、监督、方法论。 N. H. Ayachit：可视化支持。

未引用参考文献

Hiremath等人，2026；Sariyer和Y?ld?r?m，2026；Hiremath等人，2024；Hiremath等人，2024；Hiremath等人，2025；Hiremath等人，2025；Hiremath等人，2024；Hussein和Funjan，2025。

数据可用性声明

相关研究数据包含在本文档的正文中。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

资助

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。

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。