Rolul metacaolinului în beton

(1) Îmbunătățirea rezistenței pastei de ciment și a mortarului, rezistența ridicată fiind unul dintre indicatorii betonului de înaltă performanță. Unul dintre principalele scopuri ale adăugării de metacaolin este de a îmbunătăți rezistența mortarului de ciment și a betonului.

Poon și colab. (2001) au efectuat teste de rezistență la compresiune pe suspensii de ciment cu un raport apă-ciment de 0,3, preparate prin înlocuirea cimentului Portland cu 0-20% (fracție masică) caolin și pulbere de silice. Rezultatele au arătat că rezistența la compresiune a suspensiilor de ciment care conțin 5% până la 20% caolin a fost mai mare decât cea a cimentului de referință la toate vârstele, cimentul care conține 10% caolin prezentând o creștere cu 20% a rezistenței la 28 și 90 de zile comparativ cu cimentul de referință. Cimentul care conține 5% până la 10% pulbere de silice a prezentat, de asemenea, o creștere cu 20% a rezistenței la 28 și 90 de zile comparativ cu cimentul de referință. Rezistența sa la 28d și 90d este echivalentă cu cea a cimentului de caolin, dar rezistența sa inițială este mai mică decât cea a cimentului de referință. Analizele sugerează că acest lucru ar putea fi legat de aglomerarea severă a pulberii de siliciu utilizate și de dispersia insuficientă în suspensia de ciment.

(2) Li Keliang și colab. (2005) au studiat efectele temperaturii de calcinare, timpului de calcinare și conținutului de SiO2 și A12O3 din caolin asupra activității metacaolinului pentru a îmbunătăți rezistența betonului de ciment. Polimeri de beton și sol de înaltă rezistență au fost preparați folosind metacaolin. Rezultatele arată că, atunci când conținutul de caolin este de 15%, iar raportul apă-ciment este de 0,4, rezistența la compresiune la 28 de zile este de 71,9 MPa. Când conținutul de caolin este de 10%, iar raportul apă-ciment este de 0,375, rezistența la compresiune la 28 de zile este de 73,9 MPa. Mai mult, când conținutul de metacaolin este de 10%, indicele său de activitate ajunge la 114, ceea ce este cu 11,8% mai mare decât aceeași cantitate de pulbere de siliciu. Prin urmare, se consideră că metacaolinul poate fi utilizat pentru prepararea betonului de înaltă rezistență.

Qian Xiaoqian și colab. (2001) au studiat relația efort-deformare axială la tracțiune a betonului cu un conținut de caolin de 0, 0,5%, 10% și 15%. Aceștia au descoperit că odată cu creșterea conținutului de caolin, deformarea maximă a rezistenței axiale la tracțiune a betonului a crescut semnificativ, iar modulul de elasticitate la tracțiune a rămas practic neschimbat. Cu toate acestea, rezistența la compresiune a betonului a crescut semnificativ, iar raportul rezistenței la compresiune a scăzut corespunzător. Când conținutul de caolin este de 15%, rezistența la tracțiune și rezistența la compresiune a betonului sunt de 128%, respectiv 184% față de betonul de referință.

Cao Zhengliang și colab. (2004) au constatat în studiul lor privind efectul de întărire al pulberii ultrafine de metacaolin asupra betonului că, sub aceeași fluiditate, mortarul care conține 10% metacaolin și-a crescut rezistența la compresiune și rezistența la încovoiere cu 6% până la 8% după 28 de zile. Dezvoltarea inițială a rezistenței betonului amestecat cu metacaolin a fost semnificativ mai rapidă decât cea a betonului standard. Comparativ cu betonul de referință, betonul care conține 15% metacaolin are o creștere de 84% a rezistenței axiale la compresiune 3D și o creștere de 80% a rezistenței axiale la compresiune 28d, în timp ce modulul de elasticitate static are o creștere de 9% în 3D și o creștere de 8% în 28d.

Huang Zhan și colab. (2008) au studiat efectul diferitelor proporții de amestecare a metacaolinului și zgurii asupra rezistenței și durabilității betonului. Rezultatele arată că adăugarea de metacaolin la betonul de zgură îmbunătățește atât rezistența, cât și durabilitatea betonului. Raportul optim dintre zgură și ciment este de aproximativ 3:7, rezultând o rezistență ideală a betonului. Diferența de arcuire a betonului compozit este puțin mai mare decât cea a betonului cu zgură simplă, datorită efectului de cenușă vulcanică al metacaolinului. Rezistența sa la tracțiune prin despicare este mai mare decât cea a betonului de referință.

Yang Fengling și colab. (2011) au utilizat cantități egale de metacaolin, cenușă zburătoare și zgură pentru a înlocui cimentul și au amestecat separat metacaolin cu cenușă zburătoare și zgură pentru a prepara betonul. Au fost studiate lucrabilitatea, rezistența la compresiune și durabilitatea betonului. Rezultatele au arătat că, atunci când caolinul a fost utilizat pentru a înlocui 5% până la 25% din ciment în cantități egale, rezistența la compresiune a betonului la toate vârstele a fost îmbunătățită; atunci când caolinul este utilizat în cantități egale pentru a înlocui cimentul cu 20%, rezistența la compresiune la fiecare vârstă este ideală. Rezistența la 3d, 7d și 28d este cu 26,0%, 14,3% și, respectiv, 8,9% mai mare decât cea a betonului fără adaos de caolin. Acest lucru indică faptul că, pentru cimentul Portland de tip II, adăugarea de metacaolin poate îmbunătăți rezistența betonului preparat.

Zhang Chengbo și colab. (2012) au folosit zgură de oțel, metacaolin și alte materiale ca principale materii prime pentru a prepara ciment geopolimeric care să înlocuiască cimentul Portland tradițional, atingând obiectivul de conservare a energiei, reducere a consumului și transformare a deșeurilor în comori. Rezultatele au arătat că, atunci când conținutul de oțel și conținutul de cenușă zburătoare au fost ambele de 20%, rezistența blocului de testare la 28 de zile a atins un nivel foarte ridicat (95,5 MPa). Pe măsură ce cantitatea de zgură de oțel adăugată crește, aceasta poate juca, de asemenea, un anumit rol în reducerea contracției cimentului geopolimeric.

Chen Guocan (2010) a adoptat metoda tehnică „ciment Portland + adaos mineral activ + agent reducător de apă de înaltă eficiență”, tehnologia betonului cu apă magnetizată și procesul convențional de preparare și a efectuat experimente de preparare pe beton de zgură de piatră cu rezistență ultra-înaltă și conținut scăzut de carbon, folosind materii prime locale, cum ar fi pietre și zgură. Rezultatele indică faptul că doza adecvată de metacaolin este de 10%. Raportul masă-rezistență dintre contribuția cimentului la unitatea de masă a betonului de zgură de piatră cu rezistență ultra-înaltă este de aproximativ 4,17 ori mai mare decât cel al betonului obișnuit, de 2,49 ori mai mare decât cel al betonului de înaltă rezistență (HSC) și de 2,02 ori mai mare decât cel al betonului reactiv cu pulbere (RPC). Prin urmare, betonul de zgură de piatră cu rezistență ultra-înaltă preparat cu ciment cu doză mică reprezintă direcția de dezvoltare a betonului în era economiei cu emisii reduse de carbon.

(3) După adăugarea de caolin cu rezistență la îngheț în beton, dimensiunea porilor betonului este redusă considerabil, îmbunătățind ciclul de îngheț-dezgheț al betonului. Feng Naiqian (2002) a constatat că, sub un anumit număr de cicluri de îngheț-dezgheț, modulul de elasticitate al probei de beton cu un conținut de caolin de 15% la vârsta de 28 de zile este semnificativ mai mare decât cel al betonului de referință la vârsta de 28 de zile. Aplicarea compozită a metacaolinului și a altor pulberi minerale ultrafine în beton poate îmbunătăți considerabil performanța de durabilitate a betonului.