تقييم الأداء الاحتكاكي والثبات الحراري لمركبات الجيوبوليمر القائمة على الميتاكاولين المدعمة بتركيز عالٍ من TiO2

كتل بناء أقوى وأكثر ديمومة

الخرسانة والطوب موجودان في كل مكان، من المنازل إلى الطرق السريعة، لكن لهما تكلفة بيئية كبيرة وقد يتدهور أداؤهما في ظروف قاسية. تبحث هذه الدراسة في نوع أنظف من المواد الرابطية يُسمى الجيوبوليمر وتوضح كيف أن خلط صبغة بيضاء شائعة، هي ثاني أكسيد التيتانيوم، يمكن أن يجعله أكثر متانة ومقاومة للحرارة وأكثر ملاءمة للاستخدامات المطالبة مثل الأرضيات الصناعية والمعدات ذات درجات الحرارة العالية والبنى التحتية في المناخات القاسية.

نوع جديد من المادة الشبيهة بالحجر

بدلاً من الاعتماد على الأسمنت التقليدي، يبدأ الباحثون بالميتاكاولين، وهو طين مُكرّر غني بالسيليكون والألومنيوم. عندما يُخلط هذا المسحوق بسائل قلوي قوي، يتصلب مكوّنًا شبكة شبيهة بالحجر تُعرف بالجيوبوليمر. تستخدم الجيوبوليمرات بالفعل طاقة أقل وتنتج انبعاثات أقل من أسمنت بورتلاند، لكن لأداء العديد من التطبيقات العملية يجب أن تقاوم أيضًا التآكل والتشقق ودرجات الحرارة العالية. سعى الفريق لمعرفة ماذا سيحدث إذا استُبدِل جزء كبير من الميتاكاولين بمسحوق ثاني أكسيد التيتانيوم—ليس بنسبة صغيرة فقط، بل حتى نصف المادة الصلبة بالوزن.

سد الفراغات

من خلال قياس الكثافة الكلية، والمسام المفتوحة، وكمية الماء التي تمتصها القطع، أظهر المؤلفون أن حبيبات ثاني أكسيد التيتانيوم الدقيقة تعمل كأنها رمل ناعم يُسكب في إسفنجة. مع زيادة كمية المسحوق، أصبحت القطع المتصلبة أثقل بالنسبة لحجمها واحتوت على مسام متصلة أقل وأصغر. انخفض امتصاص الماء بأكثر من ثلث بين الجيوبوليمر العادي والنسخة المحمّلة بثاني أكسيد التيتانيوم، كما تقلصت الفراغات الداخلية التي يمكن أن يصلها الماء. دعمت الصور المجهرية هذه النتائج، كاشفة أن كميات منخفضة إلى متوسطة من الحشو تُملس البنية الداخلية، بينما تخلق المحتويات العالية جدًا مناطق يهيمن عليها جسيمات متكدسة بإحكام ومع ذلك تترك المادة الإجمالية كثيفة إلى حد كبير.

السلوك تحت الحمولة والحرارة

اختبرت الدراسة أيضًا كيفية استجابة القطع عند الضغط والتسخين. أظهرت منحنيات الإجهاد-الانفعال أن إضافة ثاني أكسيد التيتانيوم زادت تدريجيًا من مقاومة الانضغاط، حيث حملت أقوى العينات حوالي ضعف الحمولة التي تحملها الجيوبوليمر غير المعدل قبل الفشل. عند مستوى متوسط واحد، شكّلت تكتلات الجسيمات نقاط ضعف سحقت تدريجيًا، مما منح المادة فشلًا أكثر تدريجيّة وأقل هشاشة. عندما سُخّنت العينات من درجة حرارة الغرفة إلى ما يقرب من 1000 درجة مئوية، فقدت العينات المحتوية على ثاني أكسيد التيتانيوم وزنًا أقل عند درجات الحرارة المنخفضة والمتوسطة، مما يعني أنها احتوت على ماء طليق أقل ومكونات غير مستقرة أقل. عند درجات الحرارة العالية تركت وراءها بقايا صلبة أكثر، بفضل طبيعة جسيمات ثاني أكسيد التيتانيوم المقاومة للحرارة والتكدس الأوثق للشبكة المتصلبة.

انزلاق أكثر نعومة وتآكل أقل

لمحاكاة ظروف مثل احتكاك أجزاء الآلات بالمساند أو احتكاك المركبات بالأرضيات، زلق الباحثون كرة صلبة عبر سطح كل قطعة تحت تحميل. أظهر الجيوبوليمر العادي أعلى احتكاك وأكبر تآكل، حيث قُطع مسار عميق وتكوّن الكثير من الحطام. مع زيادة محتوى ثاني أكسيد التيتانيوم، انخفض كل من الاحتكاك والتآكل، وتقلص عمق وعرض المسارات المتآكلة. عند حوالي 40 إلى 50 بالمئة من الحشو، انخفض معدل التآكل بنحو ثلثي وانخفض مستوى الاحتكاك المستمر من نحو ثلث الحمل العمودي إلى أقل من ذلك. أظهرت مجهرية الأسطح البالية أن السطح المعدّل، بدلاً من أن يتكسر إلى رقائق حادة، طور مسارات أكثر سلاسة مع أخاديد أقل، إذ ساعدت الجسيمات الصلبة في تحمل الحمولة وحماية الرابط الأكثر ليونة أدناه.

ما معنى ذلك للهياكل المستقبلية

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن مسحوقًا أبيض بسيطًا مضافًا بكميات كبيرة يمكن أن يحوّل رابطًا أكثر خضرة بالفعل إلى مادة أكثر متانة وصلابة. من خلال الامتلاء في الفراغات والمقاومة لكل من الحرارة والاحتكاك، يساعد ثاني أكسيد التيتانيوم الجيوبوليمرات على مقاومة التشقق، وتسرب الماء، وتلف السطح. يقترح هذا المزيج من أثر بيئي منخفض وأداء محسّن أن مركبات الجيوبوليمر القائمة على الميتاكاولين المعزَّزة بثاني أكسيد التيتانيوم قد تصبح بدائل جذابة للأسمنت التقليدي في الهياكل عالية الأداء، خصوصًا حيث قد تتلف الخرسانة العادية بسرعة بفعل درجات الحرارة المرتفعة والتآكل الشديد.

الاستشهاد: Hassan, M.A., Awys, S. & Ali Ali EL-Remaily, M.A.EA. Assessment of tribological performance and thermal stability of metakaolin-based geopolymer composites reinforced with high TiO₂ concentration. Sci Rep 16, 16441 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-54064-4

الكلمات المفتاحية: جيوبوليمر, ثاني أكسيد التيتانيوم, مقاومة التآكل, الثبات الحراري, خرسانة مستدامة