高二氧化钛浓度增强的偏高岭土基地质聚合物复合材料的摩擦学性能与热稳定性评估

更坚固、更持久的构件

混凝土和砖石随处可见，从住宅到高速公路，但它们伴随较大的环境代价，并可能在恶劣条件下退化。本研究考察了一种更环保的胶结材料——地质聚合物，并展示了将一种常见白色颜料二氧化钛掺入其中如何使其更坚韧、更耐高温，并更适合工业地面、高温设备及极端气候下的基础设施等苛刻用途。

一种新型类石材料

研究人员没有依赖传统水泥，而是以偏高岭土为起始材料，这是一种富含硅和铝的精炼黏土。当这种粉末与强碱性液体混合时，会硬化成一种类石网络，称为地质聚合物。与波特兰水泥相比，地质聚合物已能降低能耗和排放，但在许多实际应用中还需抵抗磨损、开裂及高温。研究团队着手考察：若用二氧化钛粉末替代偏高岭土的大部分——不仅是少量，而是高达固体物质重量的一半——会发生什么。

填补空隙

通过精确测量体积密度、连通孔隙率以及试块的吸水量，作者表明微小的二氧化钛颗粒就像向海绵中倒入的细砂。随着粉末量增加，硬化试块单位体积质量变大，连通孔隙也变少且更小。相比未改性的地质聚合物，掺有二氧化钛的版本吸水率下降了三分之一以上，水可到达的内部空腔也缩小。显微图像支持了这些发现：低到中等含量的填料使内部结构更为致密平滑，而极高含量则形成以紧密堆积颗粒为主的区域，仍使整体材料相当致密。

载荷与高温下的行为

研究还测试了试块在挤压和加热时的响应。应力—应变曲线表明，加入二氧化钛会稳步提高抗压强度，强度最高的样品在破坏前所能承受的载荷约为未改性地质聚合物的两倍。在某一中等掺量下，颗粒团聚形成了逐步压碎的薄弱区域，使材料表现出更渐进、较不脆性的破坏模式。当样品从室温加热到接近1000摄氏度时，含二氧化钛的样品在低到中温下失重较少，表明它们含有较少的游离水分和不稳定成分。在高温下，这些样品留下了更多的固体残留物，这得益于二氧化钛颗粒的耐热特性和硬化网络的更紧密堆积。

更平滑的滑动与更低的磨损

为了模拟机械零件与支撑件的摩擦或车辆碾过地面的情形，研究者在每块试样表面在一定载荷下滑动一颗硬球。未改性的地质聚合物表现出最高的摩擦和最大磨损，切出深深的沟槽并产生大量碎屑。随着二氧化钛含量增加，摩擦和磨损均下降，磨损沟槽的深度和宽度减小。在约40%至50%填料含量时，磨损率下降约三分之二，稳定摩擦系数也从约正常载荷的三分之一降至更低。磨损表面的显微观察显示，改性表面不是破碎成锋利的碎片，而是形成更平滑的磨痕、沟槽更少，因为硬颗粒分担了载荷并保护了下面较软的胶结基体。

对未来结构的意义

对非专业读者而言，关键信息是：一种大量添加的简单白色粉末可以把本已更环保的胶结材料转变为更加坚固、更耐久的材料。通过填充空隙并抵御热和摩擦，二氧化钛有助于地质聚合物抵抗开裂、渗水和表面损伤。这种较低环境影响与改进性能的结合表明，富含二氧化钛的偏高岭土基地质聚合物复合材料可能成为高性能结构的有吸引力替代品，尤其是在高温和重度磨损会迅速损害普通混凝土的场合。

引用: 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

关键词: 地质聚合物, 二氧化钛, 耐磨性, 热稳定性, 可持续混凝土