Uloga metakaolina u betonu

(1) Poboljšanje čvrstoće cementne kaše i morta, visoka čvrstoća jedan je od pokazatelja visokoučinkovitog betona. Jedna od glavnih svrha dodavanja metakaolina je poboljšanje čvrstoće cementnog morta i betona.

Poon i suradnici (2001.) proveli su ispitivanja tlačne čvrstoće cementnih suspenzija s omjerom vode i cementa od 0,3, pripremljenih zamjenom portland cementa s 0-20% (maseni udio) kaolina i silicijevog praha. Rezultati su pokazali da je tlačna čvrstoća cementnih suspenzija koje sadrže 5% do 20% kaolina bila veća od tlačne čvrstoće referentnog cementa u svim starostima, pri čemu je cement koji sadrži 10% kaolina pokazao 20%-tno povećanje čvrstoće nakon 28 i 90 dana u usporedbi s referentnim cementom. Cement koji sadrži 5% do 10% silicijevog praha također je pokazao 20%-tno povećanje čvrstoće nakon 28 i 90 dana u usporedbi s referentnim cementom. Njegova čvrstoća nakon 28 dana i 90 dana jednaka je čvrstoći kaolinskog cementa, ali njegova rana čvrstoća niža je od referentnog cementa. Analiza sugerira da bi to moglo biti povezano s jakom aglomeracijom korištenog silicijevog praha i nedovoljnom disperzijom u cementnoj suspenziji.

(2) Li Keliang i suradnici (2005.) proučavali su utjecaj temperature kalcinacije, vremena kalcinacije te sadržaja SiO2 i A12O3 u kaolinu na aktivnost metakaolina u poboljšanju čvrstoće cementnog betona. Visokočvrsti beton i polimeri tla pripremljeni su korištenjem metakaolina. Rezultati pokazuju da kada je sadržaj kaolina 15% i omjer vode i cementa 0,4, tlačna čvrstoća nakon 28 dana iznosi 71,9 MPa. Kada je sadržaj kaolina 10% i omjer vode i cementa 0,375, tlačna čvrstoća nakon 28 dana iznosi 73,9 MPa. Štoviše, kada je sadržaj metakaolina 10%, njegov indeks aktivnosti doseže 114, što je 11,8% više od iste količine silicijevog praha. Stoga se vjeruje da se metakaolin može koristiti za pripremu visokočvrstog betona.

Qian Xiaoqian i suradnici (2001.) proučavali su odnos aksijalnog vlačnog naprezanja i deformacije betona s udjelom kaolina od 0, 0,5%, 10% i 15%. Otkrili su da se s povećanjem udjela kaolina vršna deformacija aksijalne vlačne čvrstoće betona značajno povećava, a modul vlačne elastičnosti ostaje u osnovi nepromijenjen. Međutim, tlačna čvrstoća betona značajno se povećava, a omjer tlačne čvrstoće odgovarajuće se smanjuje. Kada je udio kaolina 15%, vlačna i tlačna čvrstoća betona iznose 128% odnosno 184% referentnog betona.

Cao Zhengliang i suradnici (2004.) su u svojoj studiji o učinku jačanja ultrafinog praha metakaolina na beton otkrili da je, pri istoj fluidnosti, mort koji sadrži 10% metakaolina povećao svoju tlačnu čvrstoću i čvrstoću na savijanje za 6% do 8% nakon 28 dana. Rani razvoj čvrstoće betona pomiješanog s metakaolinom bio je znatno brži nego kod standardnog betona. U usporedbi s referentnim betonom, beton koji sadrži 15% metakaolina ima 84% povećanje aksijalne tlačne čvrstoće u 3D i 80% povećanje aksijalne tlačne čvrstoće u 28d, dok statički modul elastičnosti ima 9% povećanje u 3D i 8% povećanje u 28d.

Huang Zhan i suradnici (2008.) proučavali su utjecaj različitih omjera miješanja metakaolina i troske na čvrstoću i trajnost betona. Rezultati pokazuju da dodatak metakaolina u beton od troske poboljšava i čvrstoću i trajnost betona. Optimalni omjer troske i cementa je oko 3:7, što rezultira idealnom čvrstoćom betona. Razlika u luku kompozitnog betona nešto je veća nego kod betona s jednom troskom, zbog učinka vulkanskog pepela metakaolina. Njegova vlačna čvrstoća cijepanjem veća je od one kod referentnog betona.

Yang Fengling i suradnici (2011.) koristili su jednake količine metakaolina, letećeg pepela i troske kao zamjenu za cement te su odvojeno miješali metakaolin s letećim pepelom i troskom za pripremu betona. Proučavana je obradivost, tlačna čvrstoća i trajnost betona. Rezultati su pokazali da je tlačna čvrstoća betona u svim dobnim skupinama, kada se kaolin koristio za zamjenu od 5% do 25% cementa u jednakim količinama, poboljšana; tlačna čvrstoća u svakoj dobnoj skupini je idealna kada se kaolin koristio u jednakim količinama za zamjenu 20% cementa. Čvrstoća u svakoj dobnoj skupini je 26,0%, 14,3% i 8,9% veća od čvrstoće betona bez dodatka kaolina. To ukazuje na to da za portland cement tipa II, dodatak metakaolina može poboljšati čvrstoću pripremljenog betona.

Zhang Chengbo i suradnici (2012.) koristili su čeličnu trosku, metakaolin i druge materijale kao glavne sirovine za pripremu geopolimernog cementa koji zamjenjuje tradicionalni portland cement, postižući cilj uštede energije, smanjenja potrošnje i pretvaranja otpada u blago. Rezultati su pokazali da je, kada je sadržaj čelika i sadržaj letećeg pepela bio 20%, čvrstoća ispitnog bloka nakon 28 dana dosegla vrlo visoku razinu (95,5 MPa). Kako se količina dodane čelične troske povećava, ona također može igrati određenu ulogu u smanjenju skupljanja geopolimernog cementa.

Chen Guocan (2010.) usvojio je tehnički put „Portland cement + aktivni mineralni dodatak + visokoučinkovito sredstvo za smanjenje vode“, tehnologiju magnetiziranog vodenog betona i konvencionalni postupak pripreme te proveo eksperimente pripreme niskougljičnog betona od kamene zgure ultra visoke čvrstoće koristeći lokalno nabavljene sirovine poput kamena i zgure. Rezultati pokazuju da je odgovarajuća doza metakaolina 10%. Omjer mase i čvrstoće doprinosa cementa po jedinici mase betona od kamene zgure ultra visoke čvrstoće oko je 4,17 puta veći od običnog betona, 2,49 puta veći od betona visoke čvrstoće (HSC) i 2,02 puta veći od reaktivnog praškastog betona (RPC). Stoga je beton od kamene zgure ultra visoke čvrstoće pripremljen s niskom dozom cementa smjer razvoja betona u eri niskougljične ekonomije.

(3) Nakon dodavanja kaolina otpornog na mraz u beton, veličina pora betona se znatno smanjuje, što poboljšava ciklus smrzavanja i odmrzavanja betona. Feng Naiqian (2002.) je otkrio da je pod određenim brojem ciklusa smrzavanja i odmrzavanja, modul elastičnosti uzorka betona s udjelom kaolina od 15% u dobi od 28 dana znatno veći od modula elastičnosti referentnog betona u dobi od 28 dana. Kompozitna primjena metakaolina i drugih mineralnih ultrafinih prahova u betonu može znatno poboljšati trajnost betona.