Ο ρόλος του μετακαολίνη στο σκυρόδεμα

(1) Βελτίωση της αντοχής του πολτού και του κονιάματος τσιμέντου, η υψηλή αντοχή είναι ένας από τους δείκτες του σκυροδέματος υψηλής απόδοσης. Ένας από τους κύριους σκοπούς της προσθήκης μετακαολίνη είναι η βελτίωση της αντοχής του κονιάματος τσιμέντου και του σκυροδέματος.

Οι Poon et al. (2001) διεξήγαγαν δοκιμές αντοχής σε θλίψη σε πολτούς τσιμέντου με αναλογία νερού-τσιμέντου 0,3, οι οποίοι παρασκευάστηκαν αντικαθιστώντας το τσιμέντο Portland με καολίνη 0-20% (κλάσμα μάζας) και σκόνη πυριτίου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αντοχή σε θλίψη των πολτών τσιμέντου που περιείχαν καολίνη από 5% έως 20% ήταν υψηλότερη από αυτή του τσιμέντου αναφοράς σε όλες τις ηλικίες, με το τσιμέντο που περιείχε καολίνη από 10% να παρουσιάζει αύξηση αντοχής κατά 20% στις 28 και 90 ημέρες σε σύγκριση με το τσιμέντο αναφοράς. Το τσιμέντο που περιείχε σκόνη πυριτίου από 5% έως 10% παρουσίασε επίσης αύξηση αντοχής κατά 20% στις 28 και 90 ημέρες σε σύγκριση με το τσιμέντο αναφοράς. Η αντοχή του στις 28d και 90d είναι ισοδύναμη με αυτή του τσιμέντου καολίνη, αλλά η αρχική του αντοχή είναι χαμηλότερη από το τσιμέντο αναφοράς. Η ανάλυση υποδηλώνει ότι αυτό μπορεί να σχετίζεται με τη σοβαρή συσσωμάτωση της σκόνης πυριτίου που χρησιμοποιήθηκε και την ανεπαρκή διασπορά στο τσιμέντο.

(2) Οι Li Keliang et al. (2005) μελέτησαν τις επιδράσεις της θερμοκρασίας πύρωσης, του χρόνου πύρωσης και της περιεκτικότητας σε SiO2 και A12O3 στον καολίνη στη δραστικότητα του μετακαολίνη για τη βελτίωση της αντοχής του τσιμεντοειδούς σκυροδέματος. Πολυμερή σκυροδέματος και εδάφους υψηλής αντοχής παρασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας μετακαολίνη. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι όταν η περιεκτικότητα σε καολίνη είναι 15% και η αναλογία νερού-τσιμέντου είναι 0,4, η αντοχή σε θλίψη 28 ημερών είναι 71,9 MPa. Όταν η περιεκτικότητα σε καολίνη είναι 10% και η αναλογία νερού-τσιμέντου είναι 0,375, η αντοχή σε θλίψη 28 ημερών είναι 73,9 MPa. Επιπλέον, όταν η περιεκτικότητα σε μετακαολίνη είναι 10%, ο δείκτης δραστικότητάς του φτάνει το 114, που είναι 11,8% υψηλότερος από την ίδια ποσότητα σκόνης πυριτίου. Επομένως, πιστεύεται ότι ο μετακαολίνης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή σκυροδέματος υψηλής αντοχής.

Οι Qian Xiaoqian et al. (2001) μελέτησαν τη σχέση αξονικής εφελκυστικής τάσης-παραμόρφωσης του σκυροδέματος με περιεκτικότητα σε καολίνη 0, 0,5%, 10% και 15%. Διαπίστωσαν ότι με την αύξηση της περιεκτικότητας σε καολίνη, η μέγιστη παραμόρφωση της αξονικής εφελκυστικής αντοχής του σκυροδέματος αυξήθηκε σημαντικά και το μέτρο ελαστικότητας σε εφελκυσμό παρέμεινε ουσιαστικά αμετάβλητο. Ωστόσο, η θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος αυξήθηκε σημαντικά και ο λόγος θλιπτικής αντοχής μειώθηκε αντίστοιχα. Όταν η περιεκτικότητα σε καολίνη είναι 15%, η εφελκυστική αντοχή και η θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος είναι 128% και 184% της αντίστοιχης του σκυροδέματος αναφοράς, αντίστοιχα.

Οι Cao Zhengliang et al. (2004) διαπίστωσαν στη μελέτη τους σχετικά με την ενισχυτική επίδραση της εξαιρετικά λεπτής σκόνης μετακαολίνη στο σκυρόδεμα ότι, υπό την ίδια ρευστότητα, το κονίαμα που περιέχει 10% μετακαολίνη αύξησε την αντοχή σε θλίψη και την αντοχή σε κάμψη κατά 6% έως 8% μετά από 28 ημέρες. Η πρώιμη ανάπτυξη αντοχής του σκυροδέματος αναμεμειγμένου με μετακαολίνη ήταν σημαντικά ταχύτερη από αυτή του τυπικού σκυροδέματος. Σε σύγκριση με το σκυρόδεμα αναφοράς, το σκυρόδεμα που περιέχει 15% μετακαολίνη έχει αύξηση 84% στην αξονική αντοχή σε θλίψη 3D και αύξηση 80% στην αξονική αντοχή σε θλίψη 28d, ενώ το στατικό μέτρο ελαστικότητας έχει αύξηση 9% στην 3D και αύξηση 8% στην 28d.

Οι Huang Zhan et al. (2008) μελέτησαν την επίδραση διαφορετικών αναλογιών ανάμειξης μετακαολίνη και σκωρίας στην αντοχή και την ανθεκτικότητα του σκυροδέματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η προσθήκη μετακαολίνη στο σκυρόδεμα με σκωρία βελτιώνει τόσο την αντοχή όσο και την ανθεκτικότητα του σκυροδέματος. Η βέλτιστη αναλογία σκωρίας προς τσιμέντο είναι περίπου 3:7, με αποτέλεσμα την ιδανική αντοχή του σκυροδέματος. Η διαφορά καμάρας του σύνθετου σκυροδέματος είναι ελαφρώς υψηλότερη από αυτή του σκυροδέματος με μία μόνο σκωρία, λόγω της επίδρασης ηφαιστειακής τέφρας του μετακαολίνη. Η αντοχή του σε διάσπαση σε εφελκυσμό είναι υψηλότερη από αυτή του σκυροδέματος αναφοράς.

Οι Yang Fengling et al. (2011) χρησιμοποίησαν ίσες ποσότητες μετακαολίνη, ιπτάμενης τέφρας και σκωρίας για να αντικαταστήσουν το τσιμέντο και ανέμειξαν ξεχωριστά μετακαολίνη με ιπτάμενη τέφρα και σκωρία για την παρασκευή σκυροδέματος. Μελετήθηκαν η εργασιμότητα, η αντοχή σε θλίψη και η ανθεκτικότητα του σκυροδέματος. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι όταν ο καολίνης χρησιμοποιήθηκε για να αντικαταστήσει το 5% έως 25% του τσιμέντου σε ίσες ποσότητες, η αντοχή σε θλίψη του σκυροδέματος σε όλες τις ηλικίες βελτιώθηκε. Όταν ο καολίνης χρησιμοποιείται σε ίσες ποσότητες για να αντικαταστήσει το τσιμέντο κατά 20%, η αντοχή σε θλίψη σε κάθε ηλικία είναι ιδανική. Η αντοχή στις 3d, 7d και 28d είναι 26,0%, 14,3% και 8,9% υψηλότερη από αυτή του σκυροδέματος χωρίς προσθήκη καολίνη, αντίστοιχα. Αυτό δείχνει ότι για το τσιμέντο Portland Τύπου II, η προσθήκη μετακαολίνη μπορεί να βελτιώσει την αντοχή του παρασκευασμένου σκυροδέματος.

Οι Zhang Chengbo et al. (2012) χρησιμοποίησαν σκωρία χάλυβα, μετακαολίνη και άλλα υλικά ως κύριες πρώτες ύλες για την παρασκευή γεωπολυμερούς τσιμέντου που θα αντικαταστήσει το παραδοσιακό τσιμέντο Portland, επιτυγχάνοντας τον στόχο της εξοικονόμησης ενέργειας, της μείωσης της κατανάλωσης και της μετατροπής των αποβλήτων σε θησαυρό. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι όταν η περιεκτικότητα σε χάλυβα και η περιεκτικότητα σε ιπτάμενη τέφρα ήταν και οι δύο 20%, η αντοχή του δοκιμαστικού μπλοκ στις 28 ημέρες έφτασε σε πολύ υψηλό επίπεδο (95,5 MPa). Καθώς η ποσότητα της προστιθέμενης σκωρίας χάλυβα αυξάνεται, μπορεί επίσης να διαδραματίσει κάποιο ρόλο στη μείωση της συρρίκνωσης του γεωπολυμερούς τσιμέντου.

Ο Chen Guocan (2010) υιοθέτησε την τεχνική οδό «Τσιμέντο Portland + ενεργό ορυκτό πρόσμικτο + υψηλής απόδοσης αναγωγικό μέσο νερού», την τεχνολογία μαγνητισμένου σκυροδέματος με νερό και τη συμβατική διαδικασία παρασκευής, και διεξήγαγε πειράματα παρασκευής σε σκυρόδεμα από σκωρία πέτρας χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα εξαιρετικά υψηλής αντοχής χρησιμοποιώντας πρώτες ύλες τοπικής προέλευσης όπως πέτρες και σκωρία. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η κατάλληλη δοσολογία μετακαολίνη είναι 10%. Ο λόγος μάζας προς αντοχή της συνεισφοράς τσιμέντου ανά μονάδα μάζας σκυροδέματος από σκωρία πέτρας εξαιρετικά υψηλής αντοχής είναι περίπου 4,17 φορές μεγαλύτερος από αυτόν του συνηθισμένου σκυροδέματος, 2,49 φορές μεγαλύτερος από αυτόν του σκυροδέματος υψηλής αντοχής (HSC) και 2,02 φορές μεγαλύτερος από αυτόν του αντιδρώντος σκυροδέματος σε σκόνη (RPC). Επομένως, το σκυρόδεμα από σκωρία πέτρας εξαιρετικά υψηλής αντοχής που παρασκευάζεται με τσιμέντο χαμηλής δοσολογίας είναι η κατεύθυνση ανάπτυξης σκυροδέματος στην εποχή της οικονομίας χαμηλών εκπομπών άνθρακα.

(3) Μετά την προσθήκη καολίνη με αντοχή στον παγετό στο σκυρόδεμα, το μέγεθος των πόρων του σκυροδέματος μειώνεται σημαντικά, βελτιώνοντας τον κύκλο ψύξης-απόψυξης του σκυροδέματος. Ο Feng Naiqian (2002) διαπίστωσε ότι υπό έναν ορισμένο αριθμό κύκλων ψύξης-απόψυξης, το μέτρο ελαστικότητας του δείγματος σκυροδέματος με περιεκτικότητα σε καολίνη 15% σε ηλικία 28 ημερών είναι σημαντικά υψηλότερο από αυτό του σκυροδέματος αναφοράς σε ηλικία 28 ημερών. Η σύνθετη εφαρμογή μετακαολίνη και άλλων ορυκτών εξαιρετικά λεπτών σκονών στο σκυρόδεμα μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ανθεκτικότητα του σκυροδέματος.