Valutazione delle prestazioni tribologiche e della stabilità termica di compositi geopolimerici a base di metacaolino rinforzati con alta concentrazione di TiO2

Elementi da costruzione più forti e duraturi

Il calcestruzzo e i mattoni sono ovunque, dalle abitazioni alle autostrade, ma comportano un elevato impatto ambientale e possono degradarsi in condizioni severe. Questo studio analizza un tipo di legante più pulito chiamato geopolimero e mostra come l’aggiunta di un comune pigmento bianco, il biossido di titanio, possa renderlo più resistente, più stabile al calore e adatto a impieghi gravosi come pavimentazioni industriali, attrezzature ad alta temperatura e infrastrutture in climi estremi.

Un nuovo materiale simile alla pietra

Invece di affidarsi al cemento tradizionale, i ricercatori partono dal metacaolino, un’argilla raffinata ricca di silicio e alluminio. Quando questa polvere viene miscelata con un liquido fortemente alcalino, indurisce formando una rete simile a pietra chiamata geopolimero. I geopolimeri richiedono già meno energia e producono meno emissioni rispetto al cemento Portland, ma per molti impieghi reali devono anche resistere all’usura, alla fessurazione e alle alte temperature. Il team ha voluto verificare cosa succedesse sostituendo una larga parte del metacaolino con polvere di biossido di titanio, non solo in piccola quantità, ma fino a metà del materiale solido in peso.

Riempire gli spazi

Misurando con cura la densità apparente, i pori aperti e la quantità d’acqua assorbita dai blocchi, gli autori hanno mostrato che i minuscoli granuli di biossido di titanio si comportano come sabbia fine versata in una spugna. All’aumentare della polvere aggiunta, i blocchi induriti diventavano più pesanti rispetto al loro volume e contenevano pori connessi meno numerosi e più piccoli. L’assorbimento d’acqua è diminuito di oltre un terzo tra il geopolimero puro e la versione caricata di TiO2, e anche le cavità interne raggiungibili dall’acqua si sono ridotte. Immagini microscopiche hanno confermato questi risultati, rivelando che basse e moderate quantità del carico lisciavano la struttura interna, mentre contenuti molto elevati generavano regioni dominate da particelle strettamente compatte che comunque rendevano il materiale complessivamente molto denso.

Comportamento sotto carico e calore

Lo studio ha anche testato come si comportano i blocchi quando vengono compressi e riscaldati. Le curve sforzo–deformazione hanno mostrato che l’aggiunta di biossido di titanio aumentava gradualmente la resistenza a compressione, con i campioni più resistenti in grado di sostenere all’incirca il doppio del carico rispetto al geopolimero non modificato prima della rottura. A un livello intermedio, aggregati di particelle hanno creato punti deboli che si schiacciavano progressivamente, conferendo al materiale una rottura più graduale e meno fragile. Quando i campioni sono stati riscaldati dalla temperatura ambiente fino a quasi 1000 °C, quelli con TiO2 hanno perso meno massa a basse e medie temperature, indicando la presenza di meno acqua libera e componenti instabili. Alle alte temperature hanno lasciato più residuo solido, grazie alla natura termoresistente del biossido di titanio e al più fitto impaccamento della rete indurita.

Scorrimento più fluido e minore usura

Per simulare condizioni come parti meccaniche che sfregano su supporti o veicoli che consumano pavimenti, i ricercatori hanno fatto scorrere una sfera dura sulla superficie di ogni blocco sotto carico. Il geopolimero puro ha mostrato il massimo attrito e la maggiore usura, scavando una traccia profonda e producendo molti detriti. Con l’aumento del contenuto di biossido di titanio, sia l’attrito sia l’usura sono diminuiti, e la profondità e la larghezza delle tracce usurate si sono ridotte. Intorno al 40–50 percento di filler, la velocità di usura è calata di circa due terzi e il livello di attrito di regime è sceso da circa un terzo del carico normale a meno di un terzo. La microscopia delle superfici consumate ha mostrato che, invece di frantumarsi in schegge affilate, le superfici modificate sviluppavano tracciati più lisci con meno solchi, poiché le particelle dure contribuivano a sostenere il carico e a proteggere il legante più morbido sottostante.

Cosa significa per le strutture future

Per i non specialisti, il messaggio chiave è che una semplice polvere bianca aggiunta in grande quantità può trasformare un legante già più ecologico in un materiale molto più resistente e durevole. Riempendo gli interstizi e resistendo sia al calore sia all’abrasione, il biossido di titanio aiuta i geopolimeri a opporsi a fessurazione, penetrazione d’acqua e danni superficiali. Questa combinazione di minore impatto ambientale e prestazioni migliorate suggerisce che i compositi geopolimerici a base di metacaolino arricchiti con biossido di titanio potrebbero diventare alternative interessanti al cemento convenzionale in strutture ad alte prestazioni, in particolare dove alte temperature e forte usura danneggerebbero rapidamente il calcestruzzo ordinario.

Citazione: 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

Parole chiave: geopolimero, biossido di titanio, resistenza all’usura, stabilità termica, calcestruzzo sostenibile