《Applied Radiation and Isotopes》：Granite-Waste as a Sustainable Lead-Free X-ray Shielding Concrete: Effect of Composition on the Strength and Ability to Counter X-ray
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花岗岩废料掺量（0-80wt%）对胶凝复合材料X射线衰减及力学性能的影响研究表明，掺量增加使密度（1.14-1.22g/cm3）和50keV衰减系数（0.228-0.519cm?1）提升，但抗压强度在20%时达峰值（52.91kg/cm2），之后下降，证实机械性能与屏蔽性能存在负相关。花岗岩废料可作为可持续X射线屏蔽材料，SG20适合机械-屏蔽平衡应用，高掺量版本适用于非结构屏蔽场景。
Muhammad Nur Nasyrah R、Ardiansyah Ardiansyah、Ali Hamed Alomari、Heryanto Heryanto、Bualkar Abdullah、Muhammad Khalis Abdul Karim、Dahlang Tahir
印度尼西亚马卡萨尔哈苏努丁大学物理系，邮编90245
摘要：
本研究探讨了在实验室规模的水泥基复合材料中加入花岗岩废料的方法，以开发用于诊断X射线的无铅屏蔽材料，并评估了相关的机械性能权衡。准备了五种不同成分的复合材料（SG00-SG80；花岗岩含量为0-80%），并养护了28天。使用西门子Multimobil 2.5便携式X射线系统在40、44和50 keV（10 mAs）下测量了X射线衰减率，并用校准的RaySafe X2 Survey传感器记录了入射/透射剂量。计算了线性衰减系数（μ）、质量衰减系数（μ/ρ）、半值层（HVL）、十分值层（TVL）和平均自由路径（MFP），并与NIST XCOM数据进行了对比。随着花岗岩含量的增加，密度从1.1433 g/cm3升高到1.2203 g/cm3。在50 keV下，μ从SG00的0.228 cm?1增加到SG80的0.519 cm?1，而HVL从3.051 cm减少到1.334 cm，表明较高比例的花岗岩能够提供更好的屏蔽效果。抗压强度在SG20时达到最佳值（52.91 kg/cm2），而在更高花岗岩含量下则下降（SG80时为5.23 kg/cm2）。在50 keV下的相关性分析显示，抗压强度与μ呈负相关（r = -0.927），与HVL/TVL/MFP呈正相关（r约为0.89），证实了组成对强度和屏蔽性能之间存在权衡。实验得到的衰减结果与NIST XCOM数据吻合良好，但在50 keV时存在轻微偏差，这可能是由于宽束多色效应所致。这些发现表明花岗岩废料是一种有前景的可持续骨料，适用于低能量X射线屏蔽，其中SG20组合在机械性能和屏蔽效果之间达到了平衡，而更高比例的花岗岩则适用于非结构屏蔽应用。
引言
长期以来，混凝土因其结构坚固性、易于浇筑和高机械强度而被公认为主要的屏蔽材料。许多研究表明，传统混凝土以及添加了高密度骨料（如重晶石）的混合物可以有效屏蔽伽马射线和中子射线，满足医疗设施、核实验室和核电站等高风险环境的需求（Durak等人，2022年；Ahmad等人，2024年；Aita等人，2024年；Daungwilailuk等人，2022年）。随着可持续性议程的推进，环保材料越来越多地被应用于辐射屏蔽混凝土的设计中。此外，关于混凝土基材料衰减特性的研究也强调了骨料选择和密度对屏蔽效率的重要性（Akkurt等人，2006年；Sa?lam和Cetin，2025年；Shi等人，2024年；WAHEED和Iskender Akkurt，2025年）。
最近的综述指出，屏蔽混凝土的发展目标是在机械韧性和衰减能力两方面同时满足要求，重点转向高性能和超高性能混凝土以及可持续的重型复合材料（Anunike等人，2025年；Kanagaraj等人，2023年；Onaizi等人，2024年）。在混凝土生产中，骨料选择和配合比设计是直接影响其机械和功能特性的关键因素。尽管混凝土作为结构材料具有许多优点，但它仍容易因环境因素、温度波动和长期辐照而产生内部裂纹（Alfonso等人，2024年；Aygün等人，2021年）。
因此，在辐照条件下的耐久性至关重要，因为长期辐照会改变辐射传输、内部微观结构和传输特性，需要设计出既能抵抗辐射又能抵抗降解的混凝土混合物（Jó?wiak-Nied?wiedzka等人，2024年；Zhou等人，2024年）。因此，同时提升强度和辐射耐受性的性能改进策略已成为现代建筑材料开发的核心。在开发过程中，功能材料创新（包括重型骨料、工业废料和纳米颗粒）被用来增强混凝土吸收辐射的能力，同时保持其结构强度（Fathy等人，2024年；Gu Li等人，2023年；Gunoglu和Akkurt，2021年；Otoo等人，2023年）。
这种方法符合现代基础设施在辐射环境下的效率和安全性要求（Onaizi等人，2024年）。特别是，诸如磁铁矿或蛇纹石等重型骨料以及纳米级添加剂被证明可以密实微观结构，改善界面过渡区（ITZ），减少有效孔隙率，并增强光子与材料的相互作用，从而在不显著牺牲强度的情况下降低HVL和TVL（Aminsharei等人，2024年；Chen等人，2024年；El-Sadany等人，2023年；Sayyed等人，2024年）。
根据可持续性议程，各种回收骨料（包括金属废料、温石棉、钢渣和回收玻璃）也被证明可以提高混凝土的密度并改善其辐射吸收和衰减特性（Aliyah等人，2023年；Mahmoud等人，2023年；Onaizi等人，2024年；Tamayo等人，2022年；Zayed等人，2024年）。这些应用对于需要既有效又环保的屏蔽材料的医疗设施和高风险工业环境尤为重要（Echeweozo等人，2021年；Onaizi等人，2024年）。相关研究还表明，回收的水泥基和建筑材料也表现出良好的衰减性能（AYDIN等人，2025年；Betul Cetin和Betul Sezer，2025年；Nuray Kutu，2026年）。这些研究结果与C臂和CT实践中的临床剂量管理和辐射安全报告一致（Hussein Majid和Mawada M. Funjan，2025年；Nasser Khidhr Alhazmi等人，2026年；?zlen等人，2024年；Soyal和Sar?han，2025年；Vural等人，2025年）。
在替代骨料中，花岗岩废料因其高可用性、低成本和较小的环境足迹而脱颖而出。将其加入混凝土中可以提高机械性能，并可能增强对电离辐射的屏蔽效果（Abdalla等人，2022年；Al-Naggar等人，2026年；Elsafi等人，2025年；Mahmoud等人，2024年；Saxena等人，2021年）。然而，尽管在伽马射线和中子屏蔽方面的研究正在扩展，但针对诊断X射线范围的系统证据仍然有限。衰减系数（μ、μ/ρ）以及HVL、TVL和MFP强烈依赖于能量，因此进行特定能量的评估是必要的（Alsufyani等人，2024年；Onaizi等人，2024年）。也有针对无铅合金、玻璃系统和涂层材料的类似低能量屏蔽评估（Betul Cetin等人，2025年；Emik?nel和Akkurt，2025年；Morad Kh. Hamad，2025年；Seher Polat等人，2026年）。
复合材料的制备（实验室规模）
屏蔽试样的制备过程遵循Ardiansyah等人（2022年）的方法。粘合剂是从当地建材商店购买的商用水泥基砂浆。黑色花岗岩砂通过国家在线市场从当地供应商处获取，供应商报告的颗粒密度为2.65-2.75 g/cm3，按原样使用。这些材料被制备成实验室用水泥基花岗岩复合材料，而非结构混凝土。
结构和机械性能分析
图2a显示了不同成分的混凝土-花岗岩复合材料的X射线衍射（XRD）图案。结果表明，将水泥与花岗岩混合会影响花岗岩的衍射峰。在SG20和SG40样品中，接近2θ ≈ 44°的衍射峰向较低角度移动，当花岗岩含量≥60%时（如SG60和SG80所示），衍射峰又回到初始位置。衍射峰向较低角度移动表明晶格参数发生了膨胀。
结论
研究证实，花岗岩废料是一种可行的可持续骨料，适用于低能量X射线屏蔽混凝土。通过部分替代水泥（重量占比最高达80%），我们获得了1.22 g·cm3的混凝土密度——比普通混凝土高出约6-7%，这直接增强了光子的衰减效果。在40–50 keV的诊断能量范围内，所有富含花岗岩的混合物都显示出比对照组更好的屏蔽性能。在50 keV时，含花岗岩最多的组合...
局限性
尽管研究结果令人鼓舞，但仍存在一些局限性需要承认。首先，X射线衰减测试使用的是宽束、未经过滤的移动X射线源，这意味着射线具有多能量特性，导致显著的散射。这种条件可能导致射线硬化和次级辐射的积累，偏离了理想的窄束、单能量假设。因此，测得的衰减系数和HVL值可能与实际情况略有差异。
未来工作
基于这项初步研究，建议开展以下几项后续研究，以进一步理解和推广花岗岩废料混凝土在辐射屏蔽中的应用：（1）改进射线几何形状和光谱特性：后续实验应采用窄束几何形状，并使用适当的X射线过滤或单能量源以减少射线硬化，从而更直接地与理论衰减系数进行比较。
作者贡献声明
Ardiansyah Ardiansyah：撰写原始稿件、进行形式分析、概念构思。
Muhammad Nur Nasyrah R：撰写原始稿件、制定方法论、进行形式分析、概念构思。
Bualkar Abdullah：撰写原始稿件、制定方法论、概念构思。
Heryanto Heryanto：验证结果、概念构思。
Muhammad Khalis Abdul Karim：概念构思。
Dahlang Tahir：撰写稿件、审稿与编辑、监督工作、进行形式分析、概念构思。
Ali Alomari：撰写原始稿件。
未引用的参考文献
Cetin等人，2025年；Cetin和Sezer，2025年；Sariyer和Y?ld?r?m，2026年；Sar?yer，2025a；Hussein和Funjan，2025年；Hamad，2025年；Alhazmi等人，2026年；Polat等人，2026年；WAHEED和Akkurt，2025年。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
数据可用性
本研究生成或分析的所有数据和材料均包含在本文中。
资助声明
本研究工作由沙特阿拉伯的Umm Al-Qura大学资助，授予编号为26UQU4300274GSSR02的资助。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢沙特阿拉伯的Umm Al-Qura大学通过编号为26UQU4300274GSSR02的资助支持了这项研究工作。
