Evaluación del rendimiento tribológico y la estabilidad térmica de composites geopoliméricos a base de metacaolín reforzados con alta concentración de TiO2

Bloques de construcción más fuertes y duraderos

El hormigón y el ladrillo están en todas partes, desde viviendas hasta autopistas, pero su uso tiene un elevado coste ambiental y pueden deteriorarse en condiciones severas. Este estudio estudia un tipo de aglutinante más limpio llamado geopolímero y muestra cómo la incorporación de un pigmento blanco común, dióxido de titanio, puede hacerlo más resistente, mejorar su comportamiento frente al calor y adaptarlo mejor a usos exigentes como suelos industriales, equipos a alta temperatura e infraestructuras en climas extremos.

Un nuevo tipo de material parecido a la piedra

En lugar de depender del cemento tradicional, los investigadores parten de metacaolín, una arcilla refinada rica en silicio y aluminio. Cuando este polvo se mezcla con un líquido fuertemente alcalino, se endurece formando una red similar a la piedra llamada geopolímero. Los geopolímeros ya consumen menos energía y generan menos emisiones que el cemento Portland, pero para muchas aplicaciones reales también deben resistir el desgaste, las grietas y las altas temperaturas. El equipo se propuso ver qué ocurría si reemplazaban una gran parte del metacaolín por polvo de dióxido de titanio, no solo una pequeña cantidad, sino hasta la mitad del material sólido en peso.

Rellenando las grietas

Midiendo con cuidado la densidad aparente, los poros abiertos y la cantidad de agua que los bloques podían absorber, los autores mostraron que los diminutos granos de dióxido de titanio actúan como una arena fina vertida en una esponja. A medida que se añadía más polvo, los bloques endurecidos se volvían más pesados para su tamaño y contenían poros conectados más pequeños y menos numerosos. La absorción de agua se redujo en más de un tercio entre el geopolímero puro y la versión cargada con dióxido de titanio, y los huecos internos accesibles al agua también disminuyeron. Imágenes microscópicas confirmaron esto, revelando que cantidades bajas y moderadas del relleno alisan la estructura interna, mientras que contenidos muy altos generan regiones dominadas por partículas muy compactadas que aun así dejan el material en conjunto bastante denso.

Comportamiento bajo carga y calor

El estudio también examinó cómo responden los bloques al ser comprimidos y calentados. Las curvas esfuerzo-deformación mostraron que añadir dióxido de titanio aumentó de forma constante la resistencia a la compresión, siendo las muestras más fuertes capaces de soportar aproximadamente el doble de carga que el geopolímero sin modificar antes de fallar. En un nivel intermedio, los aglomerados de partículas crearon puntos débiles que se aplastaron gradualmente, produciendo una rotura más progresiva y menos frágil. Cuando las muestras se calentaron desde temperatura ambiente hasta casi 1.000 °C, aquellas con dióxido de titanio perdieron menos masa a bajas y medias temperaturas, lo que indica que contenían menos agua libre y menos componentes inestables. A altas temperaturas dejaron más residuo sólido, gracias a la naturaleza resistente al calor del dióxido de titanio y al empaquetamiento más compacto de la red endurecida.

Deslizamiento más suave y menor desgaste

Para simular condiciones como piezas de maquinaria rozando soportes o vehículos desplazándose sobre suelos, los investigadores deslizaron una bola dura por la superficie de cada bloque bajo carga. El geopolímero sin aditivo mostró la fricción más alta y el mayor desgaste, cortando una traza profunda y produciendo muchos detritos. A medida que aumentó el contenido de dióxido de titanio, tanto la fricción como el desgaste disminuyeron, y la profundidad y anchura de las trazas de desgaste se redujeron. Alrededor de un 40–50 % de relleno, la tasa de desgaste cayó aproximadamente dos tercios y el nivel de fricción en régimen estable descendió desde cerca de un tercio de la carga normal hasta menos de un tercio. La microscopía de las superficies desgastadas mostró que, en lugar de fracturarse en astillas afiladas, las superficies modificadas desarrollaron trazas más suaves con menos ranuras, ya que las partículas duras ayudaron a soportar la carga y protegieron el aglutinante más blando subyacente.

Qué significa esto para las estructuras futuras

Para quienes no son especialistas, el mensaje clave es que un polvo blanco sencillo, añadido en grandes cantidades, puede convertir un aglutinante ya más ecológico en un material mucho más resistente y duradero. Al rellenar los huecos y resistir tanto el calor como la fricción, el dióxido de titanio ayuda a que los geopolímeros resistan la formación de grietas, la penetración de agua y el daño superficial. Esta combinación de menor impacto ambiental y mejor rendimiento sugiere que los composites geopoliméricos a base de metacaolín enriquecidos con dióxido de titanio podrían convertirse en alternativas atractivas al cemento convencional en estructuras de alto rendimiento, especialmente donde las altas temperaturas y el fuerte desgaste dañarían rápidamente el hormigón corriente.

Cita: 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

Palabras clave: geopolímero, dióxido de titanio, resistencia al desgaste, estabilidad térmica, hormigón sostenible