Mechanical and protective properties of cement mortar modified with nanomagnetite under high temperature conditions

openaccess, Vol. 644 (04) 2026 / piątek, 24 kwietnia, 2026

Właściwości mechaniczne i osłonowe zaprawy cementowej, modyfikowanej nanomagnetytem, w wysokiej temperaturz

(Open Access)

DOI: 10.15199/33.2026.04.01

citation/cytuj: Horszczaruk E., Brzozowski P. Mechanical and protective properties of cement mortar modified with nanomagnetite under high temperature conditions. Materiały Budowlane. 2026. Volume 644. Issue 04. Pages 1-6. DOI: 10.15199/33.2026.04.01

The aim of this study was to investigate the effect of nanomagnetite admixture on the mechanical and shielding properties of cement mortar under high temperature conditions. In the event of nuclear facility failures (e.g., related to cooling water leakage), temperatures above 300°C are observed. Because cement paste loses its properties at temperatures of 600-800°C, testing was conducted only up to 800°C. This paper presents the results of tests on cement mortars whose composition was modified with the addition of 5% (by weight of cement) of commercial magnetite nanostructures. Cubic concrete samples with sides of 50 mm were subjected to oven heating at temperature of 300°C, 450°C, 600°C and 800°C. The heating and cooling rate was 1°C/min, and themaximumheating temperature was maintained for 1 hour. After the cooling process was completed, the samples were irradiated with gamma rays emitted by a cesium isotope for 1 hour. The linear gamma radiation attenuation coefficient μ was determined. Comparative tests were also conducted for the reference mortar without the nanomodifier. Samples with nanomagnetite showed a slight improvement in the attenuation coefficient and a significant improvement in compressive strength over the tested temperature range.

Celem badań było sprawdzenie, jak wpływa domieszka nanomagnetytu na właściwości mechaniczne i osłonowe zaprawy cementowej w warunkach wysokiej temperatury. W przypadku awarii obiektów nuklearnych (np. związanych z wyciekiem wody chłodzącej) występuje temperatura powyżej 300°C.Wzwiązku z tym, że zaczyn cementowy traci właściwości w temperaturze 600 – 800°C, badania prowadzono tylko do temperatury 800°C.Wartykule przedstawiono wyniki badań zaprawy cementowej, której skład zmodyfikowano dodatkiem nanocząstek Fe3O4 w ilości 5% w stosunku do masy cementu. Próbki betonowe w kształcie sześcianów o boku 50mmpoddawano wygrzewaniu w piecu w temperaturze: 300; 450; 600 i 800°C. Szybkość nagrzewu i studzenia próbek wynosiła 1°C/min, a temperatura maksymalna wygrzewania utrzymywana była przez godzinę. Po zakończeniu procesu studzenia próbki poddawano naświetlaniu promieniami gamma emitowanymi przez izotop cezu, przez godzinę. Wyznaczono liniowy współczynnik tłumienia promieniowania gamma μ. W celach porównawczych przeprowadzono również badanie zaprawy referencyjnej bez nanomodyfikatora. W przypadku próbek z nanomagnetytem uzyskano nieznaczną poprawę współczynnika tłumienia oraz znaczną poprawę wytrzymałości na ściskanie w badanym zakresie temperatury.
nanomagnetite; gamma radiation; high temperature; compressive strength of the cement mortar.

nanomagnetyt; promieniowanie gamma; wysoka temperatura; wytrzymałość na ściskanie zaprawy cementowej.
  1. Oto B, Gür A, Kavaz E, Çakır T, Yaltay N. Determination of gamma and fast neutron shielding parameters ofmagnetite concretes. Progress in Nuclear Energy. 2016; t. 92, s. 71 – 80.
  2. Zalegowski K, Piotrowski T, Garbacz A, Adamczewski G. Relation between microstructure, technical properties and neutron radiation shielding efficiency of concreto. Construction and Building Materials. 2020; t. 235, s. 117389.
  3. Oto B, Yıldız N, Korkut T, Kavaz E. Neutron shielding qualities and gamma ray buildup factors of concretes containing limonite ore, Nuclear Enginieering and Design. 2015; t. 293, s. 166 – 175.
  4. Almeida Junior TA, Nogueirab MS,Vivoloc V, Potiensc MPA, Camposc LL.Mass attenuation coefficients of X-rays in different barite concrete used in radiation protection as shielding against ionizing radiation. Radiation Physics and Chemistry. 2017; t. 140, s. 349 – 354.
  5. El-KhayattA. Calculation of photon shielding properties for some neutron shielding materials. Nuclear Science and Techniques. 2017; t. 28, s. 28 – 69.
  6. Khalaf MA, Ban CC, Ramli M, Ahmed NM, Sern LJ, Khaleel HA. Physicomechanical and gamma-ray shielding properties of high-strength heavyweight concrete containing steel furnace slag aggregate. Journal of Building Engineering. 2020; t.30, s. 101306.
  7.  PN-EN 197-1:2012 Cement – Część 1. Skład, wymagania i kryteria zgodności dotyczące cementów powszechnego użytku.
  8. Horszczaruk E, Brzozowski P, Sikora P, Cendrowski K, Mijowska E. The Effect of Nanomagnetite on the Shielding Properties of Cementitious Composites. Advances in Construction Materials and System. Vol. 2: proceedings of International Conference, Chennai, Sep 3 – 8, 2017.
  9.  Horszczaruk E, Łukowski P, Seul C. Influence of Dispersing Method on the Quality of Nano-Admixtures Homogenization in Cement Matrix. Materials. 2020; t. 13, s. 1 – 14.
  10.  PN-EN 12390-3:2019. Badania betonu – Część 3: Wytrzymałość na ściskanie próbek do badań.
  11.  Ma Q, Guo R, Zhao Z, Lin Z, He K. Mechanical properties of concrete at high temperature. A review. Construction and Building Materials. 2015; t. 93, s. 371 – 383.
  12.  Horszczaruk E, Sikora P, Cendrowski K, Mijowska E. The effect of elevated temperature on the properties of cement mortars containing nanosilica and heavyweight aggregates. Construction and BuildingMaterials. 2017; t. 137, s. 420 – 431.
prof. dr hab. inż. Elżbieta Horszczaruk, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
ORCID: 0000-0003-0840-5048
dr inż. Piotr Brzozowski, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
ORCID: 0000-0003-4146-9203

prof. dr hab. inż. Elżbieta Horszczaruk, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
ORCID: 0000-0003-0840-5048

Correspondence address: elzbieta.horszczaruk@zut.edu.pl

Full paper:

DOI: 10.15199/33.2026.04.01

Article in PDF file

Received: 30.12.2025 / Artykuł wpłynął do redakcji: 30.12.2025 r.
Revised: 02.02.2026 / Otrzymano poprawiony po recenzjach: 02.02.2026 r.
Published: 22.04.2026 / Opublikowano: 22.04.2026 r.