Оценка трибологических характеристик и термической стабильности геополимерных композитов на основе метакаолина, армированных высоким содержанием TiO2

Более прочные и долговечные строительные блоки

Бетон и кирпич повсюду — от домов до автомагистралей, но они имеют значительный экологический след и могут хуже переносить суровые условия. В этом исследовании рассматривается более чистый тип вяжущего — геополимер — и показано, как добавление распространённого белого пигмента, диоксида титана, может сделать его прочнее, более термостойким и лучше подходящим для ответственных применений, таких как промышленные полы, оборудование при высоких температурах и инфраструктура в экстремальных климатах.

Новый тип камнеподобного материала

Вместо традиционного цемента исследователи исходят из метакаолина — очищенной глины, богатой кремнием и алюминием. При смешивании этого порошка с сильно щёлочным раствором он затвердевает, образуя камнеподобную сетку, называемую геополимером. Геополимеры уже требуют меньше энергии и выделяют меньше выбросов, чем портландцемент, но для многих реальных задач они также должны сопротивляться износу, растрескиванию и высоким температурам. Команда решила проверить, что произойдёт, если заменить значительную часть метакаолина порошком диоксида титана — не немного, а до половины твердой фазы по массе.

Заполнение пустот

Тщательно измеряя объёмную плотность, открытые поры и степень водопоглощения блоков, авторы показали, что крошечные зерна диоксида титана ведут себя как мелкий песок, засыпанный в губку. По мере увеличения количества порошка затвердевшие блоки становились тяжелее при том же объёме и содержали меньше и более мелкие связанные поры. Водопоглощение снизилось более чем на треть между чистым геополимером и версией с диоксидом титана, а внутренние пустоты, доступные воде, также уменьшились. Микроскопические изображения подтвердили эти наблюдения: низкие и умеренные добавки наполнителя сглаживают внутреннюю структуру, тогда как очень большие содержания создают области, доминируемые плотно упакованными частицами, что всё ещё делает материал в целом довольно плотным.

Поведение под нагрузкой и при нагреве

Также исследовали, как блоки реагируют на сжатие и нагрев. Кривые «напряжение—деформация» показали, что добавление диоксида титана последовательно увеличивает прочность на сжатие: самые прочные образцы выдерживали примерно вдвое большую нагрузку по сравнению с немодифицированным геополимером до разрушения. При одном промежуточном содержании слипшиеся частицы создавали слабые участки, которые крошились постепенно, придавая материалу более постепенный, менее хрупкий характер разрушения. При нагреве образцов от комнатной температуры почти до 1000 °C образцы с диоксидом титана теряли меньше массы при низких и средних температурах, что указывает на меньшее содержание свободной воды и нестойких компонентов. При высоких температурах они оставляли больше твердого остатка благодаря термостойкости частиц диоксида титана и более плотной упаковке затвердевшей сетки.

Более плавное скольжение и меньший износ

Чтобы смоделировать условия, такие как трение деталей машин о опоры или движение транспортных средств по полу, исследователи прокатывали твёрдый шар по поверхности каждого блока под нагрузкой. Чистый геополимер демонстрировал наибольшее трение и максимальный износ, вырезая глубокий канал и производя много обломков. По мере увеличения содержания диоксида титана и трение, и износ уменьшались, а глубина и ширина изношенных канав сокращались. При содержании наполнителя примерно 40–50 % скорость износа упала примерно на две трети, а установившийся уровень трения снизился с порядка одной трети нормальной нагрузки до менее чем трети. Микроскопия изношенных поверхностей показала, что модифицированные поверхности, вместо раскалывания на острые осколки, формировали более гладкие канавки с меньшим числом борозд, поскольку твёрдые частицы брали на себя нагрузку и защищали более мягкое вяжущее под ними.

Что это значит для будущих конструкций

Для широкой аудитории ключевая мысль такова: простой белый порошок, введённый в больших количествах, может превратить и без того более экологичное вяжущее в значительно более прочный и долговечный материал. Заполняя пустоты и выдерживая воздействие как высокой температуры, так и трения, диоксид титана помогает геополимерам сопротивляться трещинообразованию, проникновению воды и повреждению поверхности. Такое сочетание сниженного воздействия на окружающую среду и улучшенных эксплуатационных свойств делает геополимерные композиты на основе метакаолина, обогащённые диоксидом титана, привлекательной альтернативой обычному цементу в конструкциях с высокими эксплуатационными требованиями, особенно там, где высокие температуры и сильный износ быстро выводят из строя обычный бетон.

Цитирование: 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

Ключевые слова: геополимер, диоксид титана, износостойкость, термическая стабильность, устойчивый бетон