Utvärdering av tribologisk prestanda och termisk stabilitet hos metakaolinbaserade geopolymersammansättningar förstärkta med hög TiO2‑koncentration

Starkare, mer långlivade byggstenar

Betong och tegel finns överallt, från bostäder till motorvägar, men de medför stora miljöbelastningar och kan försämras i tuffa miljöer. Denna studie undersöker ett renare typ av bindemedel kallat geopolymer och visar hur inblandning av ett vanligt vitt pigment, titandioxid, kan göra det segare, mer värmebeständigt och bättre lämpat för krävande användningar som industrigolv, högtemperaturutrustning och infrastruktur i extrema klimat.

En ny sorts stenlikt material

I stället för att förlita sig på traditionell cement utgår forskarna från metakaolin, en förfinad lera rik på kisel och aluminium. När detta pulver blandas med en starkt alkalisk vätska härdar det till ett stenliknande nätverk som kallas geopolymer. Geopolymerer kräver redan mindre energi och ger upphov till färre utsläpp än portlandcement, men för många praktiska uppgifter måste de också tåla nötning, sprickbildning och höga temperaturer. Gruppen ville undersöka vad som händer om de ersätter en stor del av metakaolinet med titandioxidpulver, inte bara lite, utan upp till hälften av den fasta massan i vikt.

Fyller igen tomrummen

Genom noggranna mätningar av fysikalisk densitet, öppna porer och hur mycket vatten blocken kunde suga upp visade författarna att de små titandioxidkornena fungerar som fin sand hälld i en svamp. När mer pulver tillsattes blev de härdade blocken tyngre i förhållande till volymen och innehöll färre och mindre förbundna porer. Vattenupptaget minskade med mer än en tredjedel mellan den rena geopolymeren och versionen laddad med titandioxid, och de inre hålrummen som vattnet kunde nå krympte också. Mikroskopiska bilder stärkte detta resultat och visade att låga och måttliga mängder fyllmedel slätar ut den interna strukturen, medan mycket höga innehåll skapar områden dominerade av tättpackade partiklar men ändå ger ett övergripande tätt material.

Beteende under belastning och värme

Studien testade också hur blocken reagerar när de pressas och upphettas. Spännings‑deformationskurvor visade att tillsats av titandioxid stadigt ökade tryckhållfastheten, där de starkaste proverna bar ungefär dubbla lasten jämfört med den omodifierade geopolymen innan brott. Vid en mellannivå skapade klumpar av partiklar svaga punkter som krossades gradvis, vilket gav materialet ett mer utdraget, mindre sprött brottförlopp. När proverna upphettades från rumstemperatur till nästan 1000 °C förlorade de med titandioxid mindre vikt vid låga och medelhöga temperaturer, vilket indikerar att de innehöll mindre löst vatten och färre instabila komponenter. Vid höga temperaturer lämnade de dessutom mer fast kvarvarande massa, tack vare titandioxidens värmetåliga natur och den tätare packningen i det härdade nätverket.

Jämnare glidning och mindre slitage

För att efterlikna förhållanden som maskindelar som gnids mot underlag eller fordon som nötter på golv, drog forskarna en hård kula över ytan på varje block under belastning. Den rena geopolymen visade högst friktion och störst slitage, skar ett djupt spår och producerade mycket skräp. När titandioxidinnehållet ökade minskade både friktion och slitage, och spårens djup och bredd krympte. Vid ungefär 40–50 procent fyllmedel sjönk slitaget med cirka två tredjedelar och den konstanta friktionnivån sjönk från ungefär en tredjedel av normallasten till under en tredjedel. Mikroskopi av de slitna ytorna visade att de modifierade ytorna, i stället för att slå sönder i skarpa flisor, utvecklade slätare spår med färre rillor, eftersom de hårda partiklarna hjälpte till att bära lasten och skydda det mjukare bindemedlet under.

Vad detta betyder för framtida konstruktioner

För icke‑specialister är huvudbudskapet att ett enkelt vitt pulver tillsatt i stora mängder kan omvandla ett redan grönare bindemedel till ett mycket segare, mer hållbart material. Genom att packa sig i luckorna och stå emot både värme och nötning hjälper titandioxid geopolymersammansättningar att motstå sprickbildning, vatteninträngning och ytsskador. Denna kombination av lägre miljöpåverkan och förbättrad prestanda tyder på att metakaolinbaserade geopolymersammansättningar berikade med titandioxid kan bli attraktiva alternativ till konventionellt cement i högpresterande konstruktioner, särskilt där höga temperaturer och kraftigt slitage snabbt skulle skada vanlig betong.

Citering: 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

Nyckelord: geopolymer, titanium dioxide, wear resistance, thermal stability, sustainable concrete