Mechanical Performance and High-Energy Photon Attenuation of a Slag-Based Geopolymer Concrete Incorporating Calcined Brezina Dam Sediments

建筑材料带来了沉重的环境代价，不仅在于制造它们所需的能量，还在于它们产生的废弃物。为了解决这一问题，科学家们转向了地聚合物混凝土，这是一种通过使用工业副产品和当地矿物质来替代传统水泥胶凝剂的建筑材料。地聚合物混合物不再通过煅烧石灰石来制造水泥（这一过程会释放大量的二氧化碳），而是使用诸如颗粒状高炉矿渣（一种来自钢铁生产的残渣）等材料，并通过化学溶液将其活化，从而将所有成分结合在一起。这种方法提供了一种在构建坚固结构的同时实现废物再利用的方法。除了支撑建筑物，人们对能够安全阻挡医疗和技术设施中高能辐射的材料也有着日益增长的需求。寻找一种既坚固又能在利用当地废弃物的同时有效阻挡辐射的材料，是可持续工程领域的一个重要目标。

阿尔及利亚的研究人员开展了一项测试，旨在研究一种特定的当地废弃物是否可以实现这一双重用途。他们将目光投向了沉积在布雷齐纳大坝（Brezina Dam）底部的沉积物。随着时间的推移，大坝会积累淤泥和沙子，这可能会成为一个管理难题。团队收集了这些沉积物，将其干燥、研磨成细粉，并进行高温加热以改变其化学性质。随后，他们将这种煅烧后的沉积物与颗粒状高炉矿渣、硅粉、砂和砾石混合，并使用由硅酸钠和氢氧化钠组成的液体混合物来触发硬化过程。其目标是观察可以使用多少大坝沉积物来替代其他成分而不削弱混凝土的强度，以及由此产生的材料是否能有效阻挡高能光子（即用于癌症治疗的辐射束所组成的粒子）。

团队制作了四种不同版本的混凝土混合物。其中一个版本完全不含大坝沉积物，作为基准。其他三个版本通过替换不同比例的硅粉来加入煅烧后的沉积物，具体是在胶凝材料部分使用 10%、20% 或 30% 的沉积物。为了确保材料能够正确硬化，研究人员将新鲜混凝土放入烤箱中，在不同的温度和不同的时间下进行加热。他们通过挤压直至破碎并测量其能承受多大力量的方式，来测试硬化块体的强度。他们还观察了材料的密度，因为密度通常在材料阻挡辐射的能力方面起着作用。

结果表明，沉积物的含量和加热方案至关重要。含有 10% 和 20% 沉积物的混合物表现通常优于不含沉积物或含有最高量 30% 沉积物的版本。表现最佳的是含有 10% 沉积物的混合物，该样本在 80 摄氏度下加热了 10 小时。这个特定样本达到了 58.41 兆帕的抗压强度，这是衡量其在失效前能承受多少压力的指标。含有 20% 沉积物的混合物在相同条件下也表现良好，达到了 55.50 兆帕。相比之下，含有 30% 沉积物的混合物最弱且密度最低，这表明添加过多的坝体材料破坏了混凝土的结构。研究人员发现，较长的加热时间通常会导致更强的混凝土，但仅限于一定范围内，且必须严格控制特定温度。

为了了解这种新混凝土阻挡辐射的能力，研究人员并没有使用真实的辐射源（因为在实验室中使用真实辐射源既危险又难以精确测量），而是使用了一个强大的计算机模拟程序来模拟高能光子束穿过材料的过程。他们模拟了一束类似于现代医用直线加速器所使用的光束。计算机计算了辐射在强度下降到其原始值一半时（即半值层测量）以及下降到十分之一时（即十值层）所能穿透的深度。对于含有 10% 沉积物的地聚合物混合物，模拟显示其半值层为 9.94 厘米，十值层为 27.19 厘米。

这些模拟数值与标准混凝土非常接近，标准混凝土的半值层为 10.11 厘米。这表明，这种由当地大坝沉积物制成的新型地聚合物混凝土，在阻挡辐射方面的效率几乎可以与目前用于医院和技术设施的常规混凝土相媲美。然而，模拟也显示，一种含有钡（一种常添加到屏蔽材料中的重元素）的特种混凝土表现更好，其降低辐射所需的距离要短得多。研究强调，尽管该地聚合物混合物很有前景，但辐射结果完全基于计算机模型。研究人员强调，这些发现是初步的，需要通过现实世界的实验来确认该材料在实际应用中是否真的如模拟所示那样有效。

这项工作凸显了阿尔及利亚乃至全球可持续建筑的发展路径。通过将当地的环境挑战——大坝中沉积物的堆积——转化为有用的建筑组件，研究人员证明了废物可以被转化为高性能材料。这种混凝土足以用于结构用途，并展示了与标准建筑材料相当的模拟辐射屏蔽能力。然而，从实验室走向施工现场仍需更多步骤。团队指出，辐射数据需要实验验证，并且需要关于该材料长期耐久性和环境影响的更详细信息。目前，这项研究是一个坚实的概念验证，表明工业矿渣与煅烧大坝沉积物的混合物可以创造出一种既具有机械强度，又潜在具备屏蔽高能辐射能力的混凝土。