הערכה של ביצועי חיכוך ויציבות תרמית של קומפוזיטים גאופולימריים מבוססי מטאקאלין מחוזקים בריכוז גבוה של TiO2

בלוקים בנייה חזקים ועמידים לאורך זמן

בטון ובלוקים נמצאים בכל מקום, מבתים לכבישים בין-עירוניים, אך הם מייצרים עלות סביבתית גבוהה ועשויים להיפגע בתנאים קשים. המחקר בוחן סוג נקשר נקי יותר הנקרא גאופולימר ומדגים כיצד ערבוב פיגמנט לבן נפוץ, דו-תחמוצת הטיטניום, יכול להפוך אותו לחסון יותר, עמיד בחום ומתאים לשימושים תובעניים כגון רצפות תעשייתיות, ציוד בטמפרטורות גבוהות ותשתיות באקלימים קיצוניים.

חומר חדש דמוי-אבן

במקום להסתמך על מלט מסורתי, החוקרים מתחילים במטאקאלין, חרסינה משופרת עשירה בסיליקון ואלומיניום. כאשר אבקה זו מעורבבת בנוזל בסיסי חזק, היא מתקשה לרשת דמוי-אבן הנקראת גאופולימר. גאופולימרים כבר צורכים פחות אנרגיה ויוצרים פליטות מופחתות בהשוואה למלט פורטלנד, אך עבור משימות מעשיות רבות הם חייבים גם לעמוד בפני שחיקה, סדיקה וטמפרטורות גבוהות. הצוות ביקש לבדוק מה יקרה אם יחליפו חלק גדול מהמטאקאלין באבקת דו-תחמוצת טיטניום — לא מעט, אלא עד למחצית מהחומר המוצק לפי משקל.

מילוי הרווחים

על ידי מדידה מדוקדקת של צפיפות הדגימה, נקבוביות פתוחה וכמות המים שהבלוקים יכולים לספוג, המחברים הראו שהגרגירים הזעירים של דו-תחמוצת הטיטניום פועלים כמו חול דק שנשפך לתוך ספוג. ככל שנוספו יותר אבקה, הבלוקים המתקשים הפכו כבדים יותר לנפחם וכילו פחות וסדקים מחוברים וקטנים יותר. ספיגת המים ירדה ביותר משליש בין הגאופולימר הבסיסי לגרסה העשירה ב-TiO2, והחללים הפנימיים שאליהם יכול היה להגיע המים הצטמצמו גם הם. תמונות מיקרוסקופיות חיזקו ממצאים אלה, והראו שכמויות נמוכות ובינוניות של המילוי מאטמות את המבנה הפנימי, בעוד שתכולות גבוהות מאוד יוצרות אזורים רוויים חלקיקים שעדיין משאירים את החומר בצפיפות כללית גבוהה.

התנהגות בעומס ובחום

המחקר בדק גם כיצד הבלוקים מתנהגים בעת לחיצה וחימום. עקומות מאמץ-מתיחה (stress–strain) הראו שהוספת דו-תחמוצת הטיטניום הגדילה בעקביות את חוזק הלחיצה, כאשר הדגימות החזקות נשאו בערך פי שניים מהעומס של הגאופולימר הבלתי-משוכלל לפני כשל. ברמת ביניים אחת, גושים של חלקיקים יצרו נקודות תורפה שנמעכו בהדרגה, מה שנתן לחומר כשל יותר מדורג ופחות שביר. כאשר הדגימות הושמו בחימום מטמפרטורת החדר לכמעט 1000 מעלות צלזיוס, אלה עם TiO2 איבדו פחות מסה בטמפרטורות נמוכות ובינוניות, כלומר הכילו פחות מים חופשיים ורכיבים לא יציבים. בטמפרטורות גבוהות נותרו יותר שרידי מוצק, הודות לטבע העמיד בחום של חלקיקי ה-TiO2 ולאריזה הצפופה יותר של הרשת המתקשה.

החלקה חלקה ושחיקה מופחתת

כדי לדמות תנאים כגון חלקי מכונה המשייפים נגד תומכים או כלי רכב החורקים על רצפות, החוקרים החלקו כדור קשה על פני כל בלוק תחת עומס. הגאופולימר הבסיסי הציג את החיכוך והבלאי הגבוהים ביותר, חיתך חריץ עמוק ויצר שפע של שברי חומר. עם עליית תכולת דו-תחמוצת הטיטניום, גם החיכוך וגם השחיקה ירדו, ועומק ורוחב החריצים המצולקים הצטמצמו. בסביבות 40–50 אחוז מילוי, קצב השחיקה ירד בכשני שלישים והחיכוך היציב ירד מרמה של כ-שליש מעומס הרגיל לתחתית שליש. מיקרוסקופיה של המשטחים ששחוקים הראתה שבמקום להיסדק לפתיתים חדים, המשטחים המותאמים פיתחו חריצים חלקים יותר עם פחות חריצים, שכן החלקיקים הקשים סייעו לשאת את העומס והגנו על המטריצה הרכה מתחתיהם.

מה המשמעות לעתיד המבנים

עבור קהל שאינו מומחה, המסר המרכזי הוא כי אבקה לבנה פשוטה המוספת בכמויות גדולות יכולה להפוך נקשר שכבר ידידותי יותר לסביבה לחומר הרבה יותר חסון ועמיד. על ידי מילוי הרווחים ועמידה בחום ובחיכוך, דו-תחמוצת הטיטניום עוזרת לגאופולימרים להתנגד לסדיקה, לחדירת מים ולנזק פני השטח. השילוב הזה של השפעה סביבתית נמוכה וביצועים משופרים מרמז כי קומפוזיטים גאופולימריים מבוססי מטאקאלין מועשרים ב-TiO2 עשויים להפוך לאלטרנטיבה אטרקטיבית למלט קונבנציונלי במבנים בעלי דרישות ביצועים גבוהות, במיוחד במקומות שבהם טמפרטורות גבוהות ושחיקה כבדה היו מפגעים בבטון רגיל במהירות.

ציטוט: 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

מילות מפתח: גאופולימר, די-תחמוצת הטיטניום, התנגדות לשחיקה, יציבות תרמית, בטון בר-קיימא