Úloha metakaolinu v betonu

(1) Zlepšení pevnosti cementové kaše a malty, vysoká pevnost je jedním z ukazatelů vysoce výkonného betonu. Jedním z hlavních účelů přidání metakaolinu je zlepšení pevnosti cementové malty a betonu.

Poon a kol. (2001) provedli zkoušky pevnosti v tlaku cementových suspenzí s vodním poměrem 0,3, připravených nahrazením portlandského cementu 0-20 % (hmotnostní podíl) kaolinem a křemičitým práškem. Výsledky ukázaly, že pevnost v tlaku cementových suspenzí obsahujících 5 % až 20 % kaolinu byla ve všech stářích vyšší než u referenčního cementu, přičemž cement obsahující 10 % kaolinu vykazoval 20% nárůst pevnosti po 28 a 90 dnech ve srovnání s referenčním cementem. Cement obsahující 5 % až 10 % křemičitého prášku také vykazoval 20% nárůst pevnosti po 28 a 90 dnech ve srovnání s referenčním cementem. Jeho pevnost po 28 dnech a 90 dnech je ekvivalentní kaolinovému cementu, ale jeho počáteční pevnost je nižší než u referenčního cementu. Analýza naznačuje, že to může souviset s výraznou aglomerací použitého křemičitého prášku a jeho nedostatečnou disperzí v cementové suspenzi.

(2) Li Keliang a kol. (2005) studovali vliv teploty kalcinace, doby kalcinace a obsahu SiO2 a A12O3 v kaolinu na aktivitu metakaolinu za účelem zlepšení pevnosti cementového betonu. Vysoce pevný beton a zeminné polymery byly připraveny s použitím metakaolinu. Výsledky ukazují, že při obsahu kaolinu 15 % a vodocementovém poměru 0,4 je pevnost v tlaku po 28 dnech 71,9 MPa. Při obsahu kaolinu 10 % a vodocementovém poměru 0,375 je pevnost v tlaku po 28 dnech 73,9 MPa. Navíc při obsahu metakaolinu 10 % dosahuje jeho index aktivity 114, což je o 11,8 % více než u stejného množství křemíkového prášku. Proto se předpokládá, že metakaolin lze použít k přípravě vysokopevnostního betonu.

Qian Xiaoqian a kol. (2001) studovali vztah mezi axiálním tahovým napětím a deformací betonu s obsahem kaolinu 0, 0,5 %, 10 % a 15 %. Zjistili, že se zvyšujícím se obsahem kaolinu se výrazně zvyšuje maximální deformace axiální pevnosti v tahu betonu a modul pružnosti v tahu zůstává v podstatě nezměněn. Nicméně se výrazně zvýšila pevnost betonu v tlaku a odpovídajícím způsobem se snížil poměr pevnosti v tlaku. Při obsahu kaolinu 15 % dosahuje pevnost v tahu a pevnost v tlaku betonu 128 %, respektive 184 % referenčního betonu.

Cao Zhengliang a kol. (2004) ve své studii o zpevňujícím účinku ultrajemného prášku metakaolinu na beton zjistili, že za stejné tekutosti zvýšila malta obsahující 10 % metakaolinu svou pevnost v tlaku a pevnost v ohybu o 6 % až 8 % po 28 dnech. Počáteční vývoj pevnosti betonu smíchaného s metakaolinem byl výrazně rychlejší než u standardního betonu. Ve srovnání s referenčním betonem má beton obsahující 15 % metakaolinu 84% nárůst axiální pevnosti v tlaku ve 3D a 80% nárůst axiální pevnosti v tlaku po 28d, zatímco statický modul pružnosti má 9% nárůst ve 3D a 8% nárůst ve 28d.

Huang Zhan a kol. (2008) studovali vliv různých poměrů míchání metakaolinu a strusky na pevnost a trvanlivost betonu. Výsledky ukazují, že přidání metakaolinu do struskového betonu zlepšuje jak pevnost, tak trvanlivost betonu. Optimální poměr strusky k cementu je přibližně 3:7, což vede k ideální pevnosti betonu. Rozdíl v klenutí kompozitního betonu je o něco vyšší než u betonu s jednou struskou, a to v důsledku vlivu sopečného popela metakaolinu. Jeho pevnost v tahu za tříštění je vyšší než u referenčního betonu.

Yang Fengling a kol. (2011) použili stejné množství metakaolinu, popílku a strusky jako náhradu cementu a samostatně smíchali metakaolin s popílkem a struskou k přípravě betonu. Byla studována zpracovatelnost, pevnost v tlaku a trvanlivost betonu. Výsledky ukázaly, že když byl kaolin použit k nahrazení 5 % až 25 % cementu ve stejném množství, pevnost v tlaku betonu ve všech stářích se zlepšila; když byl kaolin použit ve stejném množství k nahrazení 20 % cementu, pevnost v tlaku ve všech stářích je ideální. Pevnost ve 3., 7. a 28. dni je o 26,0 %, 14,3 % a 8,9 % vyšší než u betonu bez přidaného kaolinu. To naznačuje, že u portlandského cementu typu II může přidání metakaolinu zlepšit pevnost připraveného betonu.

Zhang Chengbo a kol. (2012) použili ocelovou strusku, metakaolin a další materiály jako hlavní suroviny pro přípravu geopolymerního cementu, který nahradil tradiční portlandský cement, a dosáhli tak cíle úspory energie, snížení spotřeby a přeměny odpadu na poklad. Výsledky ukázaly, že při obsahu oceli a popílku 20 % dosáhla pevnost zkušebního bloku po 28 dnech velmi vysoké úrovně (95,5 MPa). S rostoucím množstvím přidané ocelové strusky může také hrát určitou roli při snižování smršťování geopolymerního cementu.

Chen Guocan (2010) zvolil technickou cestu „portlandský cement + aktivní minerální přísada + vysoce účinné redukční činidlo vody“, technologii magnetizovaného vodního betonu a konvenční postup přípravy a provedl experimenty s přípravou nízkouhlíkového ultra-vysokopevnostního struskového betonu s použitím místních surovin, jako jsou kamenivo a struska. Výsledky ukazují, že vhodné dávkování metakaolinu je 10 %. Poměr hmotnosti k pevnosti cementu na jednotku hmotnosti ultra-vysokopevnostního struskového betonu je přibližně 4,17krát vyšší než u běžného betonu, 2,49krát vyšší než u vysokopevnostního betonu (HSC) a 2,02krát vyšší než u reaktivního práškového betonu (RPC). Proto je ultra-vysokopevnostní struskový beton připravený s nízkým dávkováním cementu směrem vývoje betonu v éře nízkouhlíkové ekonomiky.

(3) Po přidání kaolinu s mrazuvzdorností do betonu se výrazně zmenší velikost pórů betonu, což zlepšuje cyklus mrazení a tání betonu. Feng Naiqian (2002) zjistil, že při určitém počtu cyklů mrazení a tání je modul pružnosti vzorku betonu s 15% obsahem kaolinu ve stáří 28 dnů výrazně vyšší než u referenčního betonu ve stáří 28 dnů. Kompozitní aplikace metakaolinu a dalších minerálních ultrajemných prášků v betonu může výrazně zlepšit trvanlivost betonu.