Glass Physics and ChemistryGlass Physics and ChemistryФизика и химия стекла0132-66513034-6134The Russian Academy of Sciences69666610.7868/S3034613425040068ArticlesСтатьиResearch ArticleМеханическая прочность геополимеров на основе алюмосиликатов подгруппы каолинита с различной морфологией частицМеханическая прочность геополимеров на основе алюмосиликатов подгруппы каолинита с различной морфологией частицAlekseevA. A.АлексеевА. А.AlikinaY. A.АликинаЮ. А.morozowa_u_a@mail.ruBrazovskayaE. Y.БразовскаяЕ. Ю.GolubevaO. Y.ГолубеваО. Ю.Branch of the National Research Center 'Kurchatov Institute' - PIANФилиал НИЦ “Курчатовский институт”– ПИЯФ15102025514VOL 51, NO4 (2025)ТОМ 51, №4 (2025)44945720112025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://jdigitaldiagnostics.com/0132-6651/article/view/696666

Исследованы закономерности формирования геополимерных материалов на основе алюмосиликатов подгруппы каолинита (Al2Si2O5(OH)4 · nH2O) с различной морфологией частиц на примере природного пластинчатого каолинита и нанотрубчатого галлуазита в условиях их щелочной активации. Установлено, что прочность на сжатие образцов на основе галлуазита может в 1.4 раза превышать прочность образцов на основе каолинита и достигать 85 МПа. Исследования методом рентгеновской дифракции и электронной микроскопии показали различия в фазовом составе и морфологии получаемых образцов в зависимости от природы исходного прекурсора. Образцы на основе нанотрубчатого галлуазита геополимеризуются в широком диапазоне отношений SiO2/Al2O3, что приводит к высоким значениям механической прочности. Пластинчатый каолинит может перекристаллизовываться в условиях щелочной активации в цеолиты со структурами А и Y, что, соответственно, снижает механическую прочность образцов.

Исследованы закономерности формирования геополимерных материалов на основе алюмосиликатов подгруппы каолинита (Al2Si2O5(OH)4 · nH2O) с различной морфологией частиц на примере природного пластинчатого каолинита и нанотрубчатого галлуазита в условиях их щелочной активации. Установлено, что прочность на сжатие образцов на основе галлуазита может в 1.4 раза превышать прочность образцов на основе каолинита и достигать 85 МПа. Исследования методом рентгеновской дифракции и электронной микроскопии показали различия в фазовом составе и морфологии получаемых образцов в зависимости от природы исходного прекурсора. Образцы на основе нанотрубчатого галлуазита геополимеризуются в широком диапазоне отношений SiO2/Al2O3, что приводит к высоким значениям механической прочности. Пластинчатый каолинит может перекристаллизовываться в условиях щелочной активации в цеолиты со структурами А и Y, что, соответственно, снижает механическую прочность образцов.

геополимерыкаолинитгаллуазитнанотрубкимеханическая прочностьИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-19-00076, https://rscf.ru/project/25-19-00076/Blanco I., Catauro M. Geopolymers–Design, Preparation, and Applications // Polymers. 2022. V. 14. Nо 5. P. 853.Аликина Ю.А., Алексеев А.А., Голубева О.Ю. Геополимерные материалы: проблемы, достижения и перспективы // Журнал прикладной химии. 2024. Т. 97. № 2. С. 114–131.Castillo H., Collado H., Droguett T., Sánchez S., Vesely M., Garrido P., Palma S. Factors Affecting the Compressive Strength of Geopolymers: A Review // Minerals. 2021. V. 11. P. 1317.Khawaji M. Hydration, Microstructure, and Properties of Fly Ash–Based Geopolymer: A Review // Materials Science-Poland. 2023. V. 41. No 2. P. 263–287.Churchman G.J., Pasbakhsh P. Natural mineral nanotubes: properties and applications.1st. ed. Florida: CRC Press, 2015. P. 498.Joussein E., Petit S., Churchman J., Theng B., Righi D., Delvaux B. Halloysite clay minerals – a review // Clay Miner. 2005. V. 40. P. 383–426.Yuan P., Thill A., Bergaya F. Nanosized Tubular Clay Minerals: Halloysite and Imogolite. Amsterdam: Elsevier, 2016. P. 778.Wan Q., Rao F., Song S., León-Patiño C.A. Geothermal clay-based geopolymer binders: Synthesis and microstructural characterization // Appl. Clay Sci. 2017. V. 146. P. 223–229.Chairunnisa N., Haryanti N.H., Nurwidayati R., Pratiwi A.Y., Arnandha Y., Saputra Y., Hazizah N. Characteristics of fly ash as a constituent material for geopolymer // J. Phys. Conf. Ser. 2023. V. 2623. No 1. ID012005.Medri V., Fabbri S., Dedecek J., Sobalik Z., Tvaruzkova Z., Vaccari A. Role of the morphology and the dehydroxylation of metakaolins on geopolymerization // Appl. Clay Sci. 2010. V. 50. No 4. P. 538–545.Ma J., Zhang H., Wan D., Wang H., Chen G. Rheological properties of cement paste containing ground fly ash based on particle morphology analysis // Crystals. 2022. V. 12. ID524.Wypych G. Physical properties of fillers and filled materials, in: G.B.T.-H. of F. (Fourth E. Wypych (Ed.) // ChemTec Publishing. 2016. P. 303–371.Vallittu P.K. High-aspect ratio fillers: Fiber-reinforced composites and their anisotropic properties // Dent. Mater. 2015. V. 31. P. 1–7.Ghosh D., Jin G.B. High aspect ratio Na–Co-oxide ceramic filler composites with novel electrical and dielectric properties // Compos. Commun. 2024. V. 48. ID: 101904.Ishizuka F., Jin Kim H., Kuchel R.P., Yao Y., Chatani S., Niino H., Zetterlund P.B. Polymeric nanocomposites based on high aspect ratio polymer fillers: Simultaneous improvement in tensile strength and stretchability // Eur. Polym. J. 2022. V. 169. ID: 111134.Ghosh M., Karmakar D., Basu S., Jha S.N., Bhattacharyya D., Gadkari S.C., Gupta S.K. Effect of size and aspect ratio on structural parameters and evidence of shape transition in zinc oxide nanostructures // J. Phys. Chem. Solids. 2014. V. 75. P. 543–549.Kaze C.R., Alomayri T., Hasan A., Tome S., Lecomte-Nana G.L., Nemaleu J.G.D., Tchakoute H.K., Kamseu E., Melo U.C., Rahier H. Reaction kinetics and rheological behaviour of meta-halloysite based geopolymer cured at room temperature: Effect of thermal activation on physicochemical and microstructural properties // App. Clay Sci. 2020. V. 196. ID: 105773.He J., Zhang J., Yu Y., Zhang G. The strength and microstructure of two geopolymers derived from metakaolin and red mud-fly ash admixture: A comparative study // Constr. Build. Mater. 2012. V. 30. P. 80–91.Kaze C.R., Nana A., Lecomte-Nana G.L., Deutou J.G., Kamseu E., Melo U.C., Andreola F., Leonelli C. Thermal behaviour and microstructural evolution of metakaolin and meta-halloysite-based geopolymer binders: a comparative study // J. Therm. Anal. Calorim. 2022. Р. 1–17.Zhang B., Yu T., Guo H., Chen J., Liu Y., Yuan P. Effect of the SiO2/Al2O3 molar ratio on the microstructure and properties of clay-based geopolymers: a comparative study of kaolinite-based and halloysite-based geopolymers // Clays Clay Miner. 2022. V. 70. No 6. P. 882–902.Zhang B., Guo H., Yuan P., Li Y., Wang Q., Deng L., Liu D. Geopolymerization of halloysite via alkali-activation: Dependence of microstructures on precalcination // Appl. Clay Sci. 2020. V. 185. ID: 105375.Yuan J., He P., Jia D., Yang C., Zhang Y., Yan S., Yang Z., Duan X., Wang S., Zhou Y. Effect of curing temperature and SiO2/K2O molar ratio on the performance of metakaolin-based geopolymers. // Ceram. Int. 2016. V. 42. No 14. P. 16184–16190.Zhang Z., Wang H., Yao X., Zhu Y. Effects of halloysite in kaolin on the formation and properties of geopolymers // Cem. Concr. Compos. V. 34. No 5. P. 709–715.