DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-99126-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40281078
تاريخ النشر: 2025-04-25
المؤلف: Mohamed A. Abouelnour وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحليل مواد درع الإشعاع
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثيرات السيليكا النانوية (NS) والميتاكاولين النانوي (NMK) على أداء الخرسانة عالية القوة (HSC) من خلال استبدال الأسمنت البورتلاندي جزئيًا بنسب متفاوتة من هذه المواد النانوية. شملت البحث تصميمًا تجريبيًا من مرحلتين، حيث تم تقييم الخصائص الفيزيائية (مثل الانهيار، والتناسق، وأوقات التصلب)، والخصائص الميكانيكية (قوة الضغط والسحب بعد 28 يومًا)، والخصائص المجهرية (تم تحليلها عبر حيود الأشعة السينية (XRD) والأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)). بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم قدرات الحماية من الإشعاع لمخاليط الخرسانة ضد أشعة غاما والنيوترونات السريعة باستخدام محاكاة مونت كارلو.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن كل من NS وNMK يقللان من الانهيار بسبب زيادة الطلب على الماء وبنية خرسانية أكثر كثافة، حيث أدى الاستخدام المشترك إلى تقليل أكبر من التطبيقات الفردية. أدى دمج NS وNMK إلى تحسينات في قوة الضغط تصل إلى 10.5% و11.7%، على التوالي، مع تحقيق التركيبة المثلى (1% NS + 4% NMK) زيادة بنسبة 14.2% مقارنة بالخليط الضابط. كشفت التحليلات المجهرية أن NS وNMK تعززان تشكيل هيدرات سيليكات الكالسيوم (CSH) وهيدرات ألومينات الكالسيوم (CAH)، مما يساهم في تحسين الخصائص الميكانيكية. علاوة على ذلك، أظهر NMK قدرات حماية من الإشعاع متفوقة، مما يجعله مادة واعدة للتطبيقات في المنشآت النووية والطبية، حيث تكون القوة المحسنة والحماية من الإشعاع أمرين حاسمين.
الطرق
في قسم “الطرق”، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في دراستهم التجريبية، مع التركيز على خصائصها وأهميتها لأهداف البحث. اختيار المواد أمر حاسم، حيث يؤثر مباشرة على النتائج التجريبية وصحة النتائج. يقدم المؤلفون توصيفًا شاملاً لهذه المواد، بما في ذلك خصائصها الفيزيائية والكيميائية، والتي تعتبر ضرورية لفهم سلوكها تحت الظروف التجريبية.
تم تصميم الدراسة التجريبية للتحقيق بشكل منهجي في تأثيرات المواد المختارة على الظواهر ذات الاهتمام. تشمل المنهجية بروتوكولات محددة للتحضير، والاختبار، والتحليل، مما يضمن إمكانية التكرار والدقة. يبرز المؤلفون أهمية نهجهم المنهجي في معالجة أسئلة البحث وتحقيق نتائج موثوقة. بشكل عام، يؤسس هذا القسم أساسًا قويًا للتحليل والنقاش اللاحقين حول النتائج.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن دمج إضافات السيليكا النانوية (NS) والميتاكاولين النانوي (NMK) يؤثر بشكل كبير على قابلية العمل، والتناسق، وأوقات التصلب، وخصائص الحماية من الإشعاع للخرسانة عالية القوة (HSC). أظهر اختبار مخروط الانهيار أن إضافة NS وNMK أدت إلى انخفاض ملحوظ في قيم الانهيار، مما يشير إلى انخفاض قابلية العمل. على وجه التحديد، انخفض الانهيار من 83 مم في الخليط الضابط إلى 69 مم لخليط NS4 (4% NS) وإلى 72 مم لخليط NMK6 (6% NMK)، مما يدل على انخفاضات بنسبة 17% و13%، على التوالي. يُعزى هذا الانخفاض إلى زيادة مساحة سطح المواد النانوية، مما يزيد من الطلب على الماء ويعزز الاحتكاك الداخلي داخل خليط الخرسانة، مما يعيق قابلية التدفق.
علاوة على ذلك، وجدت الدراسة أن إضافة المواد النانوية زادت من الطلب على الماء للحفاظ على التناسق وقللت من أوقات التصلب. أدى الاستخدام المشترك لـ NS وNMK إلى زيادة متطلبات الماء مقارنة باستخدامهما الفردي، مما يبرز تأثيرًا تآزريًا. كما تم تقليل أوقات التصلب، خاصة عند استخدام كلا المادتين النانويتين معًا، بسبب دورهما كمواقع نواة تسرع عملية الترطيب. فيما يتعلق بالحماية من الإشعاع، كانت معاملات التوهين الخطية (LAC) للعينات التي تحتوي على NS وNMK أقل بكثير من تلك الخاصة بالعينة الضابطة، حيث انخفضت القيم من 40.87 سم⁻¹ إلى 0.06 سم⁻¹ عبر نطاق طاقة غاما من 0.015 إلى 15 ميغا إلكترون فولت. أظهرت عينة NMK4 أعلى LAC، مما يُعزى إلى محتواها المتزايد من العناصر الثقيلة، مما يُظهر إمكاناتها كمادة فعالة للحماية من الإشعاع. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن إضافات NS وNMK تعزز أداء HSC في جوانب متعددة، بما في ذلك قابلية العمل، وخصائص الترطيب، وحماية الإشعاع.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل الأسمنت البورتلاندي العادي (CEM I 52.5 N) من شركة بني سويف لخصائصه الفيزيائية والكيميائية والميكانيكية، مما يكشف عن متوسط حجم الجسيمات بحوالي 9 ميكرومتر وتركيب معدني يهيمن عليه مركبات سيليكات الكالسيوم. تم استكشاف دمج الإضافات النانوية، وخاصة السيليكا النانوية (NS) والميتاكاولين النانوي (NMK)، لتعزيز خصائص الخرسانة عالية القوة (HSC). أظهرت NS نقاءً عاليًا يزيد عن 99% من السيليكا، بينما تتكون NMK من أكثر من 90% من مركبات السيليكات والألومينات، مما يشير إلى طبيعتها البوزولانية. قدمت تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية (XRD) وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM) رؤى حول الاختلافات الهيكلية بين NS وNMK، حيث أظهرت NS هيكلًا غير متبلور مناسبًا للتفاعل، بينما أظهرت NMK خصائص بلورية.
شمل البرنامج التجريبي نسبًا متفاوتة من NS وNMK كبدائل للأسمنت في مخاليط الخرسانة، مع التركيز على تحسين نسبة الماء إلى الأسمنت ودمج مادة فائقة البلاستيك لتعزيز قابلية العمل. أشارت النتائج إلى أن كل من NS وNMK حسنت بشكل كبير من قوة الضغط والسحب، مع تحديد نسب الاستبدال المثلى عند 3% لـ NS و4% لـ NMK. أدت تركيبة 1% NS و4% NMK إلى أعلى تحسين في قوة الضغط بنسبة 14.2% مقارنة بالخليط الضابط. تم عزو التحسينات في الخصائص الميكانيكية إلى التأثيرات التآزرية للإضافات النانوية، التي سهلت الكثافة، وقللت من المسامية، وحسنت الترابط بين الواجهات داخل مصفوفة الخرسانة. أكدت تحليلات XRD زيادة تشكيل هيدرات سيليكات الكالسيوم (CSH) في المخاليط التي تحتوي على NS وNMK، مما يتوافق مع تحسينات الأداء الميكانيكي الملحوظة. ومع ذلك، أدى الاستخدام المفرط للمواد النانوية إلى عوائد متناقصة في القوة، مما يبرز أهمية تحسين جرعاتها لتعظيم الفوائد مع تقليل الآثار السلبية.
القيود
تسلط قسم القيود في البحث الضوء على عدة قيود رئيسية تؤثر على النتائج المتعلقة بتحسين خصائص الخرسانة عالية القوة (HSC) من خلال استخدام السيليكا النانوية (NS) والإضافات المعتمدة على المواد النانوية (NMK). أولاً، كانت الدراسة محدودة بنطاق معين من جرعات NS وNMK، مما يترك آثار التركيزات الأعلى والأدنى غير مدروسة. ثانيًا، تم تقييم خصائص الحماية من الإشعاع من خلال المحاكاة، مما يشير إلى الحاجة إلى التحقق التجريبي لتأكيد القابلية العملية. أخيرًا، لم يتم التحقيق في المتانة طويلة الأمد للخرسانة عالية القوة المعدلة بـ NS وNMK تحت ظروف بيئية متنوعة.
لبناءً على هذه النتائج ومعالجة القيود المحددة، يجب أن تعطي الأبحاث المستقبلية الأولوية لتقييم المتانة طويلة الأمد في بيئات بيئية متنوعة، والتحقق من خصائص الحماية من الإشعاع من خلال طرق تجريبية، واستكشاف نطاق أوسع من تركيزات الجرعات، وتقييم الجدوى الاقتصادية وقابلية التوسع للخرسانة عالية القوة المعدلة بـ NS وNMK للتطبيقات في العالم الحقيقي.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-99126-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40281078
Publication Date: 2025-04-25
Author(s): Mohamed A. Abouelnour et al.
Primary Topic: Radiation Shielding Materials Analysis
Overview
This study investigates the effects of nano silica (NS) and nano metakaolin (NMK) on the performance of high-strength concrete (HSC) by partially replacing Portland cement with varying percentages of these nanomaterials. The research involved a two-phase experimental design, where the physical properties (e.g., slump, consistency, setting times), mechanical properties (compressive and tensile strengths at 28 days), and microstructural characteristics (analyzed via X-ray diffraction (XRD) and energy-dispersive X-ray (EDX)) were assessed. Additionally, the radiation shielding capabilities of the concrete mixtures against gamma rays and fast neutrons were evaluated using Monte Carlo simulations.
Key findings indicate that both NS and NMK reduce slump due to increased water demand and a denser concrete structure, with combined use resulting in a more significant reduction than individual applications. The incorporation of NS and NMK led to enhanced compressive strengths of up to 10.5% and 11.7%, respectively, with the optimal combination (1% NS + 4% NMK) achieving a 14.2% increase compared to the control mix. Microstructural analyses revealed that NS and NMK promote the formation of calcium silicate hydrate (CSH) and calcium aluminate hydrate (CAH), contributing to improved mechanical properties. Furthermore, NMK exhibited superior radiation shielding capabilities, making it a promising material for applications in nuclear and medical facilities, where enhanced strength and radiation protection are critical.
Methods
In the “Methods” section, the authors detail the materials used in their experimental study, emphasizing their properties and relevance to the research objectives. The selection of materials is critical, as it directly influences the experimental outcomes and the validity of the findings. The authors provide a comprehensive characterization of these materials, including their physical and chemical properties, which are essential for understanding their behavior under the experimental conditions.
The experimental study is designed to systematically investigate the effects of the chosen materials on the phenomena of interest. The methodology includes specific protocols for preparation, testing, and analysis, ensuring reproducibility and accuracy. The authors highlight the significance of their methodological approach in addressing the research questions and achieving reliable results. Overall, this section establishes a solid foundation for the subsequent analysis and discussion of the findings.
Results
The results of the study indicate that the incorporation of nano-silica (NS) and nano-montmorillonite (NMK) additives significantly affects the workability, consistency, setting times, and radiation shielding properties of high-strength concrete (HSC). The slump cone test revealed that the addition of NS and NMK led to a marked reduction in slump values, indicating decreased workability. Specifically, the slump decreased from 83 mm in the control mix to 69 mm for the NS4 mix (4% NS) and to 72 mm for the NMK6 mix (6% NMK), demonstrating reductions of 17% and 13%, respectively. This reduction is attributed to the increased surface area of the nanomaterials, which raises water demand and enhances internal friction within the concrete mixture, thereby hindering flowability.
Furthermore, the study found that the addition of nanomaterials increased the water demand for maintaining consistency and reduced setting times. The combined use of NS and NMK resulted in a higher water requirement compared to their individual use, highlighting a synergistic effect. The setting times were also reduced, particularly when both nanomaterials were used together, due to their role as nucleation sites that accelerate the hydration process. In terms of radiation shielding, the linear attenuation coefficients (LAC) for the samples containing NS and NMK were significantly lower than those of the control sample, with values dropping from 40.87 cm⁻¹ to 0.06 cm⁻¹ across the gamma energy range of 0.015 to 15 MeV. The NMK4 sample exhibited the highest LAC, attributed to its increased content of heavy elements, demonstrating its potential as an effective radiation shielding material. Overall, the findings suggest that NS and NMK additives enhance the performance of HSC in multiple aspects, including workability, hydration characteristics, and radiation protection.
Discussion
In this study, ordinary Portland cement (CEM I 52.5 N) from Beni-Suef Company was analyzed for its physical, chemical, and mechanical properties, revealing an average particle size of approximately 9 µm and a mineralogical composition dominated by calcium silicate compounds. The incorporation of nano additives, specifically nanosilica (NS) and nano metakaolin (NMK), was explored to enhance the properties of high-strength concrete (HSC). NS exhibited a high purity of over 99% silica, while NMK comprised over 90% silicate and aluminate compounds, indicating its pozzolanic nature. Characterization techniques such as X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) provided insights into the structural differences between NS and NMK, with NS showing an amorphous structure conducive to reactivity, while NMK displayed crystalline characteristics.
The experimental program involved varying percentages of NS and NMK as cement replacements in concrete mixtures, with a focus on optimizing the water-to-cement ratio and incorporating a superplasticizer to enhance workability. Results indicated that both NS and NMK significantly improved compressive and tensile strengths, with optimal replacement ratios identified at 3% for NS and 4% for NMK. The combination of 1% NS and 4% NMK yielded the highest compressive strength improvement of 14.2% over the control mix. The enhancements in mechanical properties were attributed to the synergistic effects of the nano additives, which facilitated densification, reduced porosity, and improved interfacial bonding within the concrete matrix. XRD analysis confirmed increased formation of calcium silicate hydrate (CSH) in mixtures containing NS and NMK, correlating with the observed mechanical performance improvements. However, excessive use of nanomaterials led to diminished returns in strength, underscoring the importance of optimizing their dosage to maximize benefits while minimizing adverse effects.
Limitations
The section on limitations of the research highlights several key constraints that affect the findings regarding the enhancement of high-strength concrete (HSC) properties through the use of nanosilica (NS) and nanomaterial-based additives (NMK). Firstly, the study was limited to a specific range of NS and NMK dosages, which leaves the effects of both higher and lower concentrations unexamined. Secondly, the evaluation of radiation shielding properties was conducted through simulations, indicating a need for experimental validation to confirm practical applicability. Lastly, the long-term durability of NS and NMK-modified HSC under varying environmental conditions was not investigated.
To build upon these findings and address the identified limitations, future research should prioritize the assessment of long-term durability in diverse environmental settings, validate the radiation shielding properties through experimental methods, explore a wider range of dosage concentrations, and evaluate the economic feasibility and scalability of NS and NMK-modified HSC for real-world applications.