Роль метакаолина в бетоне

(1) Повышение прочности цементного раствора и строительного раствора; высокая прочность является одним из показателей высокоэффективного бетона. Одна из главных целей добавления метакаолина – повышение прочности цементного раствора и бетона.

Пун и др. (2001) провели испытания на прочность при сжатии цементных растворов с водоцементным соотношением 0,3, приготовленных путем замены портландцемента на 0-20% (массовая доля) каолина и кремнеземного порошка. Результаты показали, что прочность на сжатие цементных растворов, содержащих от 5% до 20% каолина, была выше, чем у эталонного цемента во всех возрастных группах, при этом цемент, содержащий 10% каолина, показал увеличение прочности на 20% через 28 и 90 дней по сравнению с эталонным цементом. Цемент, содержащий от 5% до 10% кремнеземного порошка, также показал увеличение прочности на 20% через 28 и 90 дней по сравнению с эталонным цементом. Его прочность через 28 и 90 дней эквивалентна прочности каолинового цемента, но его ранняя прочность ниже, чем у эталонного цемента. Анализ предполагает, что это может быть связано с сильной агломерацией используемого кремнеземного порошка и недостаточной дисперсией в цементном растворе.

(2) Ли Кэлян и др. (2005) исследовали влияние температуры и времени обжига, а также содержания SiO2 и Al2O3 в каолине на активность метакаолина для повышения прочности цементного бетона. Высокопрочный бетон и полимеры грунта были приготовлены с использованием метакаолина. Результаты показывают, что при содержании каолина 15% и водоцементном соотношении 0,4 прочность на сжатие через 28 дней составляет 71,9 МПа. При содержании каолина 10% и водоцементном соотношении 0,375 прочность на сжатие через 28 дней составляет 73,9 МПа. Более того, при содержании метакаолина 10% его показатель активности достигает 114, что на 11,8% выше, чем при использовании того же количества кремниевого порошка. Таким образом, считается, что метакаолин может быть использован для приготовления высокопрочного бетона.

Цянь Сяоцянь и др. (2001) исследовали зависимость осевого напряжения от деформации бетона при растяжении с содержанием каолина 0, 0,5%, 10% и 15%. Они обнаружили, что с увеличением содержания каолина пиковая деформация при осевом растяжении бетона значительно возрастает, а модуль упругости при растяжении остается практически неизменным. Однако прочность бетона на сжатие значительно возрастает, а коэффициент прочности на сжатие соответственно уменьшается. При содержании каолина 15% прочность бетона на растяжение и прочность бетона на сжатие составляют 128% и 184% от показателей эталонного бетона соответственно.

В своем исследовании влияния ультрадисперсного порошка метакаолина на прочность бетона Цао Чжэнлян и др. (2004) обнаружили, что при одинаковой текучести раствор, содержащий 10% метакаолина, увеличил свою прочность на сжатие и прочность на изгиб на 6–8% через 28 дней. Раннее развитие прочности бетона, смешанного с метакаолином, происходило значительно быстрее, чем у стандартного бетона. По сравнению с эталонным бетоном, бетон, содержащий 15% метакаолина, показал увеличение прочности на сжатие в 3D-пространстве на 84% и увеличение прочности на сжатие в 28-дневном периоде на 80%, в то время как статический модуль упругости увеличился на 9% в 3D-пространстве и на 8% в 28-дневном периоде.

Хуан Чжан и др. (2008) исследовали влияние различных соотношений смешивания метакаолина и шлака на прочность и долговечность бетона. Результаты показывают, что добавление метакаолина в бетон со шлаком улучшает как прочность, так и долговечность бетона. Оптимальное соотношение шлака к цементу составляет примерно 3:7, что обеспечивает идеальную прочность бетона. Разница в арочном изгибе композитного бетона немного выше, чем у бетона с одним шлаком, из-за влияния вулканического пепла, содержащегося в метакаолине. Его прочность на растяжение при раскалывании выше, чем у эталонного бетона.

Ян Фэнлин и др. (2011) использовали равные количества метакаолина, золы-уноса и шлака для замены цемента, а также отдельно смешивали метакаолин с золой-уноса и шлаком для приготовления бетона. Были изучены удобоукладываемость, прочность на сжатие и долговечность бетона. Результаты показали, что при замене цемента каолином в равных количествах на 5–25% прочность бетона на сжатие во всех возрастах улучшалась; при замене цемента каолином в равных количествах на 20% прочность на сжатие в каждом возрасте была идеальной. Прочность через 3, 7 и 28 дней была на 26,0%, 14,3% и 8,9% выше, чем у бетона без добавления каолина, соответственно. Это указывает на то, что для портландцемента типа II добавление метакаолина может улучшить прочность приготовленного бетона.

Чжан Чэнбо и др. (2012) использовали сталелитейный шлак, метакаолин и другие материалы в качестве основного сырья для приготовления геополимерного цемента, заменяющего традиционный портландцемент, достигая таким образом цели энергосбережения, сокращения потребления и превращения отходов в ценный ресурс. Результаты показали, что при содержании стали и золы-уноса по 20% прочность образца через 28 дней достигла очень высокого уровня (95,5 МПа). По мере увеличения количества добавленного сталелитейного шлака, он также может играть определенную роль в снижении усадки геополимерного цемента.

Чен Гокан (2010) использовал техническую схему «Портландцемент + активная минеральная добавка + высокоэффективный водоредуцирующий агент», технологию намагниченного водорастворимого бетона и традиционный процесс приготовления, а также провел эксперименты по приготовлению низкоуглеродистого сверхвысокопрочного бетона на основе каменного шлака с использованием местных сырьевых материалов, таких как камень и шлак. Результаты показали, что оптимальная дозировка метакаолина составляет 10%. Массовое соотношение вклада цемента на единицу массы сверхвысокопрочного бетона на основе каменного шлака примерно в 4,17 раза выше, чем у обычного бетона, в 2,49 раза выше, чем у высокопрочного бетона (ВБ), и в 2,02 раза выше, чем у реактивного порошкового бетона (РПБ). Таким образом, сверхвысокопрочный бетон на основе каменного шлака, приготовленный с низким содержанием цемента, является перспективным направлением развития бетона в эпоху низкоуглеродной экономики.

(3) После добавления в бетон морозостойкого каолина размер пор бетона значительно уменьшается, что улучшает циклы замораживания-оттаивания. Фэн Найцянь (2002) обнаружил, что при определенном количестве циклов замораживания-оттаивания модуль упругости образца бетона с 15% содержанием каолина в возрасте 28 дней значительно выше, чем у эталонного бетона в возрасте 28 дней. Совместное применение метакаолина и других ультрадисперсных минеральных порошков в бетоне может значительно улучшить его долговечность.