Ocena właściwości tribologicznych i stabilności termicznej kompozytów geopolimerycznych na bazie metakaolinu wzmacnianych wysokim stężeniem TiO2

Mocniejsze, trwalsze elementy budowlane

Beton i cegła są wszędzie — w domach i na autostradach — lecz wiążą się z dużym obciążeniem dla środowiska i mogą ulegać uszkodzeniom w surowych warunkach. W tym badaniu przyjrzano się czystszemu rodzajowi spoiwa, zwanemu geopolimerem, i pokazano, jak dodanie powszechnego białego pigmentu, dwutlenku tytanu, może uczynić go bardziej odpornym, lepiej znoszącym wysokie temperatury i lepiej nadającym się do wymagających zastosowań, takich jak posadzki przemysłowe, urządzenia wysokotemperaturowe czy infrastruktura w ekstremalnych klimatach.

Nowy rodzaj kamienopodobnego materiału

Zamiast polegać na tradycyjnym cemencie, badacze zaczynają od metakaolinu, oczyszczonej gliny bogatej w krzem i glin. Gdy ten proszek miesza się z silnie alkalicznym płynem, utwardza się w kamienopodobną sieć zwaną geopolimerem. Geopolimery już zużywają mniej energii i wytwarzają mniej emisji niż cement portlandzki, lecz w wielu zastosowaniach muszą też opierać się ścieraniu, pękaniu i wysokim temperaturom. Zespół postanowił sprawdzić, co się stanie, jeśli zastąpi dużą część metakaolinu proszkiem dwutlenku tytanu — nie tylko niewielką ilością, lecz nawet do połowy masy fazy stałej.

Wypełnianie szczelin

Poprzez staranne pomiary gęstości objętościowej, porów otwartych i zdolności do wchłaniania wody autorzy wykazali, że drobne ziarna dwutlenku tytanu działają jak drobny piasek wsypany do gąbki. W miarę dodawania proszku utwardzone bloki stawały się cięższe w przeliczeniu na objętość i zawierały mniej oraz mniejsze połączone pory. Wchłanianie wody spadło o ponad jedną trzecią między czystym geopolimerem a wersją wzbogaconą TiO2, a wewnętrzne puste przestrzenie dostępne dla wody również zmniejszyły się. Obrazy mikroskopowe potwierdziły te obserwacje, ukazując, że niskie i umiarkowane ilości wypełniacza wygładzają strukturę wewnętrzną, podczas gdy bardzo wysokie zawartości tworzą rejony zdominowane przez ściśle upakowane cząstki, co nadal daje ogólnie dość gęsty materiał.

Zachowanie pod obciążeniem i w wysokiej temperaturze

W badaniu sprawdzono też, jak próbki reagują na ściskanie i ogrzewanie. Krzywe naprężenie–odkształcenie pokazały, że dodatek dwutlenku tytanu systematycznie zwiększa wytrzymałość na ściskanie, a najsilniejsze próbki przenosiły w przybliżeniu dwukrotnie większe obciążenie niż niemodyfikowany geopolimer przed zniszczeniem. Przy jednym pośrednim stężeniu zlepki cząstek tworzyły miejsca słabsze, które kruszyły się stopniowo, nadając materiałowi bardziej łagodne, mniej kruchłe zachowanie przy zniszczeniu. Gdy próbki podgrzewano od temperatury pokojowej do prawie 1000°C, te z dwutlenkiem tytanu traciły mniej masy w niskich i średnich temperaturach, co oznaczało, że zawierały mniej luźnej wody i mniej niestabilnych składników. W wysokich temperaturach pozostawiały więcej stałego osadu, dzięki odporności termicznej cząstek TiO2 i ściślejszemu upakowaniu utwardzonej sieci.

Gładsze ślizganie i mniejsze zużycie

Aby naśladować warunki, takie jak tarcie elementów maszyn o podpory czy ścieranie pojazdów o posadzki, badacze przesuwali twardą kulkę po powierzchni każdej próbki pod obciążeniem. Czysty geopolimer wykazał największe tarcie i najintensywniejsze zużycie, tworząc głęboki ślad i generując dużo odłamków. Wraz ze wzrostem zawartości dwutlenku tytanu zarówno tarcie, jak i zużycie maleły, a głębokość i szerokość śladów ubytków zmniejszały się. Przy około 40–50% wypełniacza szybkość zużycia spadła o około dwie trzecie, a ustalony poziom tarcia zmniejszył się z około jednej trzeciej obciążenia normalnego do poniżej jednej trzeciej. Mikroskopia zużytych powierzchni wykazała, że zamiast kruszenia się na ostre odłamki, zmodyfikowane powierzchnie tworzyły gładsze ślady z mniejszą ilością rowków, ponieważ twarde cząstki pomagały przenosić obciążenie i chronić miększe spoiwo pod spodem.

Co to oznacza dla przyszłych konstrukcji

Dla osób niebędących specjalistami kluczowy wniosek jest taki, że prosty biały proszek dodany w dużych ilościach może zamienić już bardziej ekologiczne spoiwo w znacznie twardszy, trwalszy materiał. Wypełniając luki i odporne na działanie zarówno wysokiej temperatury, jak i tarcia, dwutlenek tytanu pomaga geopolymerom opierać się pękaniu, wnikaniu wody i uszkodzeniom powierzchni. To połączenie niższego wpływu na środowisko i lepszych właściwości sugeruje, że kompozyty geopolimeryczne na bazie metakaolinu wzbogacone TiO2 mogą stać się atrakcyjną alternatywą dla konwencjonalnego cementu w konstrukcjach o wysokich wymaganiach, szczególnie tam, gdzie wysokie temperatury i intensywne zużycie szybko uszkodziłyby zwykły beton.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: geopolimer, dwutlenek tytanu, odporność na ścieranie, stabilność termiczna, zrównoważony beton