Úloha metakaolínu v betóne

(1) Zlepšenie pevnosti cementovej suspenzie a malty, vysoká pevnosť je jedným z ukazovateľov vysokopevnostného betónu. Jedným z hlavných účelov pridania metakaolínu je zlepšenie pevnosti cementovej malty a betónu.

Poon a kol. (2001) vykonali testy pevnosti v tlaku na cementových suspenziách s pomerom voda/cement 0,3, pripravených nahradením portlandského cementu 0 – 20 % (hmotnostný podiel) kaolínom a práškovým oxidom kremičitým. Výsledky ukázali, že pevnosť v tlaku cementových suspenzií obsahujúcich 5 % až 20 % kaolínu bola vyššia ako pevnosť referenčného cementu vo všetkých vekových kategóriách, pričom cement obsahujúci 10 % kaolínu vykazoval 20 % nárast pevnosti po 28 a 90 dňoch v porovnaní s referenčným cementom. Cement obsahujúci 5 % až 10 % práškového oxidu kremičitého tiež vykazoval 20 % nárast pevnosti po 28 a 90 dňoch v porovnaní s referenčným cementom. Jeho pevnosť po 28 dňoch a 90 dňoch je ekvivalentná pevnosti kaolínového cementu, ale jeho počiatočná pevnosť je nižšia ako u referenčného cementu. Analýza naznačuje, že to môže súvisieť so silnou aglomeráciou použitého práškového kremíka a jeho nedostatočnou disperziou v cementovej suspenzii.

(2) Li Keliang a kol. (2005) skúmali vplyv teploty kalcinácie, času kalcinácie a obsahu SiO2 a A12O3 v kaolíne na aktivitu metakaolínu s cieľom zlepšiť pevnosť cementového betónu. Vysokopevnostný betón a zeminové polyméry boli pripravené s použitím metakaolínu. Výsledky ukazujú, že pri obsahu kaolínu 15 % a pomere voda-cement 0,4 je 28-dňová pevnosť v tlaku 71,9 MPa. Pri obsahu kaolínu 10 % a pomere voda-cement 0,375 je 28-dňová pevnosť v tlaku 73,9 MPa. Navyše, pri obsahu metakaolínu 10 % jeho index aktivity dosahuje 114, čo je o 11,8 % viac ako pri rovnakom množstve kremíkového prášku. Preto sa predpokladá, že metakaolín sa môže použiť na prípravu vysokopevnostného betónu.

Qian Xiaoqian a kol. (2001) študovali vzťah medzi axiálnym ťahovým napätím a deformáciou betónu s obsahom kaolínu 0, 0,5 %, 10 % a 15 %. Zistili, že so zvyšujúcim sa obsahom kaolínu sa výrazne zvýšila maximálna deformácia axiálnej pevnosti v ťahu betónu a modul pružnosti v ťahu zostal v podstate nezmenený. Avšak pevnosť betónu v tlaku sa výrazne zvýšila a pomer pevnosti v tlaku sa zodpovedajúcim spôsobom znížil. Pri obsahu kaolínu 15 % je pevnosť v ťahu a pevnosť v tlaku betónu 128 %, respektíve 184 % referenčného betónu.

Cao Zhengliang a kol. (2004) vo svojej štúdii o spevňujúcom účinku ultrajemného prášku metakaolínu na betón zistili, že pri rovnakej tekutosti malta obsahujúca 10 % metakaolínu zvýšila svoju pevnosť v tlaku a pevnosť v ohybe o 6 % až 8 % po 28 dňoch. Vývoj počiatočnej pevnosti betónu zmiešaného s metakaolínom bol výrazne rýchlejší ako u štandardného betónu. V porovnaní s referenčným betónom má betón obsahujúci 15 % metakaolín 84 % nárast axiálnej pevnosti v tlaku v 3D a 80 % nárast axiálnej pevnosti v tlaku v 28d, zatiaľ čo statický modul pružnosti má 9 % nárast v 3D a 8 % nárast v 28d.

Huang Zhan a kol. (2008) skúmali vplyv rôznych pomerov miešania metakaolínu a trosky na pevnosť a trvanlivosť betónu. Výsledky ukazujú, že pridanie metakaolínu do troskového betónu zlepšuje pevnosť aj trvanlivosť betónu. Optimálny pomer trosky k cementu je približne 3:7, čo vedie k ideálnej pevnosti betónu. Rozdiel v oblúku kompozitného betónu je o niečo vyšší ako u betónu s jednou troskou v dôsledku vplyvu sopečného popola metakaolínu. Jeho pevnosť v ťahu za štiepenia je vyššia ako u porovnávacieho betónu.

Yang Fengling a kol. (2011) použili rovnaké množstvá metakaolínu, popolčeka a trosky ako náhradu za cement a samostatne zmiešali metakaolín s popolčekom a troskou na prípravu betónu. Skúmala sa spracovateľnosť, pevnosť v tlaku a trvanlivosť betónu. Výsledky ukázali, že keď sa kaolín použil ako náhrada 5 % až 25 % cementu v rovnakom množstve, pevnosť v tlaku betónu sa zlepšila vo všetkých vekových kategóriách; keď sa kaolín použil v rovnakých množstvách ako náhrada 20 % cementu, pevnosť v tlaku v každej vekových kategóriách je ideálna. Pevnosť po 3., 7. a 28. dni je o 26,0 %, 14,3 % a 8,9 % vyššia ako pevnosť betónu bez pridaného kaolínu. To naznačuje, že v prípade portlandského cementu typu II môže pridanie metakaolínu zlepšiť pevnosť pripraveného betónu.

Zhang Chengbo a kol. (2012) použili oceľovú trosku, metakaolín a ďalšie materiály ako hlavné suroviny na prípravu geopolymérneho cementu, ktorý nahradil tradičný portlandský cement, čím dosiahli cieľ úspory energie, zníženia spotreby a premeny odpadu na poklad. Výsledky ukázali, že keď obsah ocele aj popolčeka bol 20 %, pevnosť testovacieho bloku po 28 dňoch dosiahla veľmi vysokú úroveň (95,5 MPa). So zvyšujúcim sa množstvom pridanej oceľovej trosky môže tiež zohrávať určitú úlohu pri znižovaní zmršťovania geopolymérneho cementu.

Chen Guocan (2010) zvolil technickú cestu „portlandský cement + aktívna minerálna prísada + vysokoúčinné činidlo na redukciu vody“, technológiu magnetizovaného vodného betónu a konvenčný proces prípravy a vykonal experimenty s prípravou nízkouhlíkového ultravysokopevnostného troskobetónu s použitím lokálne získaných surovín, ako sú kamene a troska. Výsledky naznačujú, že vhodné dávkovanie metakaolínu je 10 %. Pomer hmotnosti k pevnosti cementového príspevku na jednotku hmotnosti ultravysokopevnostného troskobetónu je približne 4,17-krát vyšší ako u bežného betónu, 2,49-krát vyšší ako u vysokopevnostného betónu (HSC) a 2,02-krát vyšší ako u reaktívneho práškového betónu (RPC). Preto je ultravysokopevnostný troskobetón pripravený s nízkym dávkovaním cementu smerom vývoja betónu v ére nízkouhlíkovej ekonomiky.

(3) Po pridaní kaolínu s mrazuvzdornosťou do betónu sa výrazne zmenší veľkosť pórov betónu, čo zlepšuje cyklus mrazenia a rozmrazovania betónu. Feng Naiqian (2002) zistil, že pri určitom počte cyklov mrazenia a rozmrazovania je modul pružnosti vzorky betónu s obsahom kaolínu 15 % vo veku 28 dní výrazne vyšší ako modul pružnosti referenčného betónu vo veku 28 dní. Kompozitná aplikácia metakaolínu a iných minerálnych ultrajemných práškov v betóne môže výrazne zlepšiť trvanlivosť betónu.