Évaluation des performances tribologiques et de la stabilité thermique de composites géopolymères à base de métakaolin renforcés par une forte concentration de TiO2

Des éléments de construction plus solides et durables

Le béton et la brique sont omniprésents, des habitations aux autoroutes, mais ils impliquent un coût environnemental élevé et peuvent se détériorer en conditions sévères. Cette étude examine un type de liant plus propre appelé géopolymère et montre comment l’incorporation d’un pigment blanc courant, le dioxyde de titane, peut le rendre plus résistant, mieux supporter la chaleur et convenir à des usages exigeants comme les sols industriels, les équipements haute température et les infrastructures en climats extrêmes.

Un nouveau matériau proche de la pierre

Plutôt que de s’appuyer sur le ciment traditionnel, les chercheurs partent du métakaolin, une argile raffinée riche en silicium et en aluminium. Lorsque cette poudre est mélangée à un liquide fortement alcalin, elle durcit en un réseau proche de la pierre appelé géopolymère. Les géopolymères consomment déjà moins d’énergie et émettent moins que le ciment Portland, mais pour de nombreuses applications réelles ils doivent aussi résister à l’usure, aux fissures et aux hautes températures. L’équipe a voulu vérifier ce qui se passe si une grande part du métakaolin est remplacée par de la poudre de dioxyde de titane, pas seulement en petite quantité, mais jusqu’à la moitié de la matière solide en masse.

Comblement des vides

En mesurant soigneusement la densité globale, les pores ouverts et l’absorption d’eau des blocs, les auteurs montrent que les minuscules grains de dioxyde de titane agissent comme du sable fin versé dans une éponge. À mesure que la poudre est ajoutée, les blocs durcis deviennent plus lourds pour leur volume et présentent moins de pores connectés et de plus petite taille. L’absorption d’eau a diminué de plus d’un tiers entre le géopolymère simple et la version chargée en TiO2, et les vides internes accessibles à l’eau se sont également réduits. Des images microscopiques confirment ces résultats, révélant que des teneurs faibles et modérées en charge homogénéisent la structure interne, tandis que des contenus très élevés forment des zones dominées par des particules fortement compactées qui rendent néanmoins le matériau globalement très dense.

Comportement sous charge et chaleur

L’étude a aussi testé la réponse des blocs lorsqu’ils sont comprimés et chauffés. Les courbes contrainte–déformation montrent que l’ajout de dioxyde de titane augmente régulièrement la résistance en compression, les échantillons les plus résistants supportant environ deux fois la charge du géopolymère non modifié avant de céder. À un niveau intermédiaire, des agrégats de particules créent des points faibles qui s’écrasent progressivement, produisant une rupture plus progressive et moins fragile. Lorsqu’on chauffe les échantillons de la température ambiante à près de 1 000 °C, ceux contenant du TiO2 perdent moins de masse à basses et moyennes températures, ce qui indique la présence de moins d’eau libre et de composants instables. À haute température, ils laissent davantage de résidu solide, grâce à la nature thermorésistante des particules de TiO2 et au empaquetage plus serré du réseau durci.

Glissement plus fluide et moins d’usure

Pour simuler des conditions comme des pièces de machines frottant contre des supports ou des véhicules roulant sur des sols, les chercheurs ont fait glisser une bille dure sur la surface de chaque bloc sous charge. Le géopolymère simple présentait le frottement le plus élevé et l’usure la plus importante, creusant une piste profonde et produisant beaucoup de débris. À mesure que la teneur en TiO2 augmentait, le frottement et l’usure ont chuté, et la profondeur et la largeur des sillons usés ont diminué. Autour de 40 à 50 pour cent de charge, le taux d’usure a diminué d’environ deux tiers et le niveau de frottement stable est passé d’environ un tiers de la charge normale à moins d’un tiers. L’observation microscopique des surfaces usées montre que, au lieu de se fragmenter en éclats tranchants, les surfaces modifiées développent des pistes plus lisses avec moins de rainures, les particules dures contribuant à porter la charge et protégeant le liant plus tendre en dessous.

Ce que cela implique pour les structures futures

Pour les non-spécialistes, le message clé est qu’une poudre blanche simple ajoutée en forte proportion peut transformer un liant déjà plus écologique en un matériau bien plus résistant et durable. En comblant les vides et en résistant à la chaleur et au frottement, le dioxyde de titane aide les géopolymères à mieux résister aux fissures, à la pénétration d’eau et aux dommages de surface. Cette combinaison d’impact environnemental réduit et de performances améliorées suggère que les composites géopolymères à base de métakaolin enrichis en dioxyde de titane pourraient devenir des alternatives attractives au ciment conventionnel dans les structures haute performance, en particulier là où les hautes températures et l’usure intensive endommageraient rapidement le béton ordinaire.

Citation: 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

Mots-clés: géopolymère, dioxyde de titane, résistance à l’usure, stabilité thermique, béton durable