ZnO.CoO/钡铁氧体核壳纳米结构多功能水泥基材料的力学性能、抗菌效应及辐射屏蔽机制研究

本研究针对工业废渣资源化利用和建筑材料多功能化需求，创新性地通过溶液燃烧法在矿渣表面构建ZnO.CoO和BaFe12O19核壳纳米结构，开发出兼具力学增强（10%掺量下抗压强度提升6-12.5%）、广谱抗菌（对大肠杆菌/金黄色葡萄球菌/白色念珠菌抑制圈达11-26mm）和优异γ射线屏蔽性能（1.333MeV能量下衰减系数提高10.8%）的多功能水泥基材料，为工业固废高值化利用和特种建筑材料开发提供新策略。

　　

随着全球每年4.06亿吨冶金矿渣的堆积和放射性物质在医疗、能源等领域的广泛应用，如何实现工业固废资源化利用并开发兼具结构功能和环境防护特性的建筑材料成为重大挑战。传统水泥材料存在早期强度不足、易滋生微生物等问题，而纳米材料直接添加又面临成本高昂（钴/钡等稀有金属占比33wt%）、分散困难等技术瓶颈。针对这些痛点，埃及住房与建筑国家研究中心（Housing and Building National Research Center, HBNRC）Raw建筑材料技术与加工研究所的Mahmoud Gharieb团队在《Next Materials》发表创新研究，通过核壳结构设计将纳米功能材料与矿渣基体有机结合，开发出"一材多效"的新型水泥基复合材料。

研究团队采用溶液燃烧法（Solution Combustion Method）在矿渣表面分别沉积ZnO.CoO和钡铁氧体纳米薄层（厚度约5%），制备出ZnCo-slag和BaFe-slag两种核壳结构。通过X射线荧光光谱（XRF）和透射电镜（TEM）证实纳米层成功包覆，粒径分布在9-69nm范围。采用标准水泥净浆试验方法（ASTM C187-16）制备含不同比例（5-15%）改性材料的试样，系统评估其力学性能、微观结构（SEM/EDX/XRD/FT-IR）、抗菌活性（抑菌圈法）和γ射线屏蔽性能（NaI(Tl)闪烁探测器）。

力学性能与微观机制
10%掺量的ZnCo-slag和BaFe-slag分别使水泥28天抗压强度提升6.25%和8.3%，优于普通矿渣掺合料。TEM显示纳米片层有效填充孔隙，XRD分析发现钙硅水合物（C-S-H）特征峰（2θ=29.3°）强度增加，FT-IR显示3660cm^-1处Ca(OH)₂峰减弱，证实核壳结构兼具物理填充和化学活化双重作用。但当掺量超过10%时，纳米颗粒团聚导致孔隙率增加，强度出现下降。

抗菌性能
10% ZnCo-slag对大肠杆菌（Escherichia coli）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和白色念珠菌（Candida albicans）的抑制圈直径分别达15mm、17mm和25mm，BaFe-slag则表现更优的真菌抑制效果（26mm）。机理分析表明，纳米材料通过光催化产生 reactive oxygen species (ROS)（如·OH、O₂^·-），破坏微生物细胞膜和DNA复制能力。

辐射屏蔽特性
在1.333MeVγ射线照射下，10% BaFe-slag试样的线性衰减系数（μ）比普通水泥提高30.1%，半值层（HVL）降低至2.69cm。这归因于钡（Ba，Z=56）和铁（Fe，Z=26）的高原子序数增强了光电吸收效应，且纳米结构致密化使材料密度提升至2.69g/cm³。

该研究开创性地通过"工业废渣载体+纳米功能外壳"的核壳设计，突破传统纳米材料在水泥中低掺量（1-2%）的应用限制，实现10%的高掺量稳定应用。所开发材料可同时满足核电站辐射防护、医院抗菌墙面等特殊场景需求，每吨改性矿渣成本仅约10美元，兼具环境效益与经济效益。未来研究可进一步优化核壳结构比例，探索在3D打印建筑构件等新兴领域的应用潜力。