DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35471-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41629473
تاريخ النشر: 2026-02-02
المؤلف: Wafaa Soliman وآخرون
الموضوع الرئيسي: الخصائص الهيدروحرارية لمواد البناء
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثيرات المحفزات الحمضية المختلفة—حمض الهيدروكلوريك (HCl)، حمض الكبريتيك (H₂SO₄)، حمض الفوسفوريك (H₃PO₄)، ومزيجها—على الخصائص الحرارية الفيزيائية للطوب المركب المعتمد على الطين المحروق المعدل بالكاولين. الهدف الأساسي هو تعزيز الخصائص العازلة لهذه المواد من خلال تقليل الانتشار الحراري، والسعة الحرارية النوعية، والموصلية الحرارية. تكشف الدراسة أن المعالجة الحمضية تحسن بشكل كبير الخصائص الميكانيكية والحرارية الفيزيائية للطوب، حيث أن المعالجة الحمضية المجمعة تحقق أكبر تحسينات. ومن الجدير بالذكر أن الموصلية الحرارية انخفضت من 0.46 واط/متر كلفن في الطوب غير المعالج إلى 0.44 واط/متر كلفن في تلك المعالجة بحمض H₃PO₄، بينما أظهر المركب الذي يحتوي على جميع الأحماض الثلاثة أقل انتشار حراري عند 0.3724 مم²/ثانية.
تشير النتائج إلى أن المعالجات الحمضية تؤدي إلى زيادة المسامية (29.15-29.47%) وقوة الضغط (11.59-12.33 كغ/سم²) دون المساس بالسلامة الهيكلية. حدد تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) تكوين الموليت والديوبسيد كمرحلتين معدنيتين رئيسيتين، مما يساهم في تعزيز الاستقرار الميكانيكي والمقاومة الحرارية. وجود الموليت يحسن الترابط داخل إطار الألومينوسيليكات، بينما يعزز الديوبسيد أداء العزل بسبب استقراره الحراري. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات المركبات المعتمدة على الكاولين المعالجة حمضياً لتطبيقات البناء الموفرة للطاقة، موصية بمزيد من البحث حول متانتها على المدى الطويل وتوافقها البيئي.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية العمليات خطوة بخطوة المتبعة، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية أجريت لتفسير البيانات.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، والمدة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج. بشكل عام، هذا القسم حاسم لفهم كيفية إجراء البحث ولتقييم موثوقية النتائج المقدمة في الدراسة.
نقاش
تبحث الدراسة في الإعداد الجيولوجي وعمليات التنشيط للكاولين المستخرج من منطقة وادي كلابشة في أسوان، مصر، وتطبيقه في إنتاج الطوب الطيني المعدل حمضياً. الكاولين، الذي تشكل من التجوية الشديدة للصخور الأم الألومينية، يتم تصنيفه بناءً على النسيج ويستخدم جنبًا إلى جنب مع الطين من تكوين القصير. تتضمن عملية التنشيط معالجة الكاولين بأنواع مختلفة من الأحماض (الكبريتيك، الهيدروكلوريك، الفوسفوريك، ومزيج) لتعزيز خصائصه قبل إنتاج الطوب. يتم تشكيل الطوب، المكون من نسب محددة من الطين والماء والكاولين المعالج حمضياً، وتجفيفه وحرقه عند 1100 درجة مئوية لتحسين قوته الميكانيكية وتقليل امتصاص الماء.
تظهر خصائص الطوب من خلال حيود الأشعة السينية (XRD) وتحليل الطيف الكهرومغناطيسي بتقنية تحويل فورييه (FTIR) تغييرات هيكلية كبيرة بعد المعالجة الحمضية، بما في ذلك تحول الكاولينيت إلى مراحل غنية بالسيليكا غير المتبلورة وتكوين الموليت، مما يعزز الاستقرار الحراري والخصائص الميكانيكية. كما تفحص الدراسة السلوك الحراري للطوب المعدل باستخدام تحليل الوزن الحراري (TGA)، مما يشير إلى تحسين العزل الحراري والاستقرار بسبب عملية التنشيط الحمضية. بالإضافة إلى ذلك، يتم تحليل سلوك الانكماش أثناء التجفيف والحرق، مما يظهر أن المعالجة الحمضية تؤدي إلى زيادة الميكرو-مسامية وتقليل التشققات، مما يؤكد الاستقرار الأبعاد للطوب المنتج. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانيات الكاولين المعالج حمضياً في تعزيز أداء الطوب الطيني لتطبيقات البناء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35471-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41629473
Publication Date: 2026-02-02
Author(s): Wafaa Soliman et al.
Primary Topic: Hygrothermal properties of building materials
Overview
This research investigates the effects of various acid activators—hydrochloric acid (HCl), sulfuric acid (H₂SO₄), phosphoric acid (H₃PO₄), and their combinations—on the thermophysical properties of fired clay-based composite bricks modified with kaolin. The primary aim is to enhance the insulating properties of these materials by reducing thermal diffusivity, specific heat capacity, and thermal conductivity. The study reveals that acid treatment significantly improves the mechanical and thermophysical characteristics of the bricks, with the combined acid treatment yielding the most substantial enhancements. Notably, the thermal conductivity decreased from 0.46 W/mK in untreated bricks to 0.44 W/mK in those treated with H₃PO₄, while the composite with all three acids exhibited the lowest thermal diffusivity at 0.3724 mm²/s.
The findings indicate that the acid treatments lead to increased porosity (29.15-29.47%) and compressive strength (11.59-12.33 kg/cm²) without compromising structural integrity. X-ray diffraction (XRD) analysis identified the formation of mullite and diopside as key mineral phases, contributing to enhanced mechanical stability and thermal resistance. The presence of mullite improves bonding within the aluminosilicate framework, while diopside enhances insulation performance due to its thermal stability. Overall, the study highlights the potential of acid-activated kaolin-based composites for energy-efficient construction applications, recommending further research on their long-term durability and environmental compatibility.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the step-by-step processes followed, including any statistical analyses conducted to interpret the data.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the results. Overall, this section is crucial for understanding how the research was conducted and for assessing the reliability of the findings presented in the study.
Discussion
The research investigates the geologic setting and activation processes of kaolin sourced from the Wadi Kalabsha area in Aswan, Egypt, and its application in producing acid-modified clay bricks. The kaolin, formed from intense weathering of aluminous parent rocks, is categorized based on texture and is utilized alongside clay from the Quseir formation. The activation process involves treating kaolin with various acids (sulfuric, hydrochloric, phosphoric, and a mixture) to enhance its properties before brick production. The bricks, composed of specific proportions of clay, water, and acid-activated kaolin, are shaped, dried, and fired at 1100 °C to improve their mechanical strength and reduce water absorption.
Characterization of the bricks through X-ray diffractometry (XRD) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy reveals significant structural changes post-acid treatment, including the transformation of kaolinite into amorphous silica-rich phases and the formation of mullite, which enhances thermal stability and mechanical properties. The study also examines the thermal behavior of the modified bricks using thermogravimetric analysis (TGA), indicating improved thermal insulation and stability due to the acid activation process. Additionally, the shrinkage behavior during drying and firing is analyzed, showing that acid treatment leads to increased micro-porosity and reduced cracking, confirming the dimensional stability of the bricks produced. Overall, the findings highlight the potential of acid-activated kaolin in enhancing the performance of clay bricks for construction applications.