Rola metakaolinu w betonie

(1) Poprawa wytrzymałości zaczynu cementowego i zaprawy. Wysoka wytrzymałość jest jednym ze wskaźników betonu o wysokiej wytrzymałości. Jednym z głównych celów dodawania metakaolinu jest poprawa wytrzymałości zaprawy cementowej i betonu.

Poon i in. (2001) przeprowadzili testy wytrzymałości na ściskanie zaczynów cementowych o wskaźniku woda-cement 0,3, przygotowanych przez zastąpienie cementu portlandzkiego 0-20% (ułamek masowy) kaolinu i proszku krzemionkowego. Wyniki pokazały, że wytrzymałość na ściskanie zaczynów cementowych zawierających od 5% do 20% kaolinu była wyższa niż cementu referencyjnego we wszystkich okresach przydatności, przy czym cement zawierający 10% kaolinu wykazał 20% wzrost wytrzymałości po 28 i 90 dniach w porównaniu z cementem referencyjnym. Cement zawierający od 5% do 10% proszku krzemionkowego również wykazał 20% wzrost wytrzymałości po 28 i 90 dniach w porównaniu z cementem referencyjnym. Jego wytrzymałość po 28 i 90 dniach jest równoważna wytrzymałości cementu kaolinowego, ale jego wczesna wytrzymałość jest niższa niż cementu referencyjnego. Analiza sugeruje, że może to być związane z silną aglomeracją użytego proszku krzemionkowego i niewystarczającą dyspersją w zaczynie cementowym.

(2) Li Keliang i in. (2005) badali wpływ temperatury kalcynacji, czasu kalcynacji oraz zawartości SiO2 i A12O3 w kaolinie na aktywność metakaolinu w poprawie wytrzymałości betonu cementowego. Wysokowytrzymały beton i polimery gruntowe przygotowano przy użyciu metakaolinu. Wyniki pokazują, że przy zawartości kaolinu wynoszącej 15% i wskaźniku wodno-cementowym 0,4, wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach wynosi 71,9 MPa. Przy zawartości kaolinu wynoszącej 10% i wskaźniku wodno-cementowym 0,375, wytrzymałość na ściskanie po 28 dniach wynosi 73,9 MPa. Ponadto, przy zawartości metakaolinu wynoszącej 10%, jego wskaźnik aktywności osiąga 114, co jest wartością o 11,8% wyższą niż w przypadku tej samej ilości proszku krzemionkowego. Dlatego uważa się, że metakaolin może być stosowany do przygotowywania betonu o wysokiej wytrzymałości.

Qian Xiaoqian i in. (2001) badali zależność między osiowym naprężeniem rozciągającym a odkształceniem betonu o zawartości kaolinu 0, 0,5%, 10% i 15%. Stwierdzili, że wraz ze wzrostem zawartości kaolinu, szczytowe odkształcenie wytrzymałości na rozciąganie betonu znacznie wzrosło, a moduł sprężystości przy rozciąganiu pozostał zasadniczo niezmieniony. Jednakże, wytrzymałość betonu na ściskanie znacznie wzrosła, a współczynnik wytrzymałości na ściskanie odpowiednio spadł. Przy zawartości kaolinu 15%, wytrzymałość betonu na rozciąganie i ściskanie wynosiły odpowiednio 128% i 184% betonu referencyjnego.

Cao Zhengliang i in. (2004) w swoich badaniach nad wpływem ultradrobnego proszku metakaolinu na wzmocnienie betonu stwierdzili, że przy tej samej płynności zaprawa zawierająca 10% metakaolinu zwiększyła swoją wytrzymałość na ściskanie i zginanie o 6% do 8% po 28 dniach. Wczesny wzrost wytrzymałości betonu z dodatkiem metakaolinu był znacznie szybszy niż betonu standardowego. W porównaniu z betonem wzorcowym, beton zawierający 15% metakaolinu charakteryzuje się 84% wzrostem wytrzymałości na ściskanie osiowe w trzech wymiarach i 80% wzrostem wytrzymałości na ściskanie osiowe w 28 wymiarach, podczas gdy statyczny moduł sprężystości (SES) wzrósł o 9% w trzech wymiarach i o 8% w 28 wymiarach.

Huang Zhan i in. (2008) badali wpływ różnych proporcji mieszania metakaolinu i żużla na wytrzymałość i trwałość betonu. Wyniki pokazują, że dodatek metakaolinu do betonu żużlowego poprawia zarówno jego wytrzymałość, jak i trwałość. Optymalny stosunek żużla do cementu wynosi około 3:7, co zapewnia idealną wytrzymałość betonu. Różnica w łuku betonu kompozytowego jest nieco większa niż betonu żużlowego, ze względu na wpływ popiołu wulkanicznego metakaolinu. Jego wytrzymałość na rozciąganie przy rozłupaniu jest wyższa niż betonu referencyjnego.

Yang Fengling i in. (2011) użyli równych ilości metakaolinu, popiołu lotnego i żużla do zastąpienia cementu, a następnie oddzielnie zmieszali metakaolinu z popiołem lotnym i żużlem do przygotowania betonu. Zbadano urabialność, wytrzymałość na ściskanie i trwałość betonu. Wyniki wykazały, że użycie kaolinu w równych ilościach w celu zastąpienia 5% do 25% cementu poprawiło wytrzymałość betonu na ściskanie w każdym wieku; użycie kaolinu w równych ilościach w celu zastąpienia 20% cementu poprawiło wytrzymałość na ściskanie w każdym wieku. Wytrzymałość w 3d, 7d i 28d jest odpowiednio o 26,0%, 14,3% i 8,9% wyższa niż w betonie bez dodatku kaolinu. Wskazuje to, że w przypadku cementu portlandzkiego typu II dodatek metakaolinu może poprawić wytrzymałość przygotowanego betonu.

Zhang Chengbo i in. (2012) wykorzystali żużel stalowniczy, metakaolin i inne materiały jako główne surowce do przygotowania cementu geopolimerowego, który miał zastąpić tradycyjny cement portlandzki, osiągając cel oszczędzania energii, redukcji zużycia i przekształcania odpadów w skarb. Wyniki pokazały, że przy zawartości stali i popiołu lotnego na poziomie 20%, wytrzymałość bloku testowego po 28 dniach osiągnęła bardzo wysoki poziom (95,5 MPa). Wraz ze wzrostem ilości dodawanego żużla stalowniczego, może on również odgrywać pewną rolę w zmniejszaniu skurczu cementu geopolimerowego.

Chen Guocan (2010) zastosował metodę techniczną „cement portlandzki + aktywna domieszka mineralna + wysokowydajny środek redukujący zawartość wody”, technologię betonu z wodą namagnesowaną oraz konwencjonalny proces przygotowania, a następnie przeprowadził eksperymenty z niskoemisyjnym betonem z żużla kamiennego o ultrawysokiej wytrzymałości, wykorzystując lokalnie pozyskiwane surowce, takie jak kamienie i żużel. Wyniki wskazują, że odpowiednia dawka metakaolinu wynosi 10%. Stosunek masy do wytrzymałości cementu na jednostkę masy betonu z żużla kamiennego o ultrawysokiej wytrzymałości jest około 4,17 razy większy niż w przypadku zwykłego betonu, 2,49 razy większy niż w przypadku betonu o wysokiej wytrzymałości (HSC) i 2,02 razy większy niż w przypadku betonu z reaktywnym proszkiem (RPC). Dlatego też beton z żużla kamiennego o ultrawysokiej wytrzymałości, przygotowywany z użyciem cementu o niskiej dawce, jest kierunkiem rozwoju betonu w erze gospodarki niskoemisyjnej.

(3) Po dodaniu mrozoodpornego kaolinu do betonu, wielkość porów betonu ulega znacznemu zmniejszeniu, co poprawia cykl zamrażania i rozmrażania betonu. Feng Naiqian (2002) stwierdził, że po określonej liczbie cykli zamrażania i rozmrażania, moduł sprężystości próbki betonu z 15% zawartością kaolinu po 28 dniach jest znacznie wyższy niż modułu sprężystości betonu referencyjnego po 28 dniach. Kompozytowe zastosowanie metakaolinu i innych mineralnych proszków ultradrobnoziarnistych w betonie może znacznie poprawić jego trwałość.