Metakaoliinin rooli betonissa

(1) Sementtilietteen ja -laastin lujuuden parantaminen: korkea lujuus on yksi korkean suorituskyvyn betonin indikaattoreista. Yksi metakaoliinin lisäämisen päätarkoituksista on sementtilaastin ja betonin lujuuden parantaminen.

Poon ym. (2001) suorittivat puristuslujuuskokeita sementtilietteille, joiden vesi-sementtisuhde oli 0,3 ja jotka oli valmistettu korvaamalla portlandsementti 0–20 % (massaosuus) kaoliinilla ja piidioksidijauheella. Tulokset osoittivat, että 5–20 % kaoliinia sisältävien sementtilietteiden puristuslujuus oli korkeampi kuin vertailusementin kaikissa ikäryhmissä, ja 10 % kaoliinia sisältävän sementin lujuus kasvoi 20 % 28 ja 90 päivän kuluttua vertailusementtiin verrattuna. Myös 5–10 % piidioksidijauhetta sisältävän sementin lujuus kasvoi 20 % 28 ja 90 päivän kuluttua vertailusementtiin verrattuna. Sen lujuus 28 ja 90 päivän kuluttua vastaa kaoliinisementin lujuutta, mutta sen alkulujuus on alhaisempi kuin vertailusementin. Analyysi viittaa siihen, että tämä voi liittyä käytetyn piijauheen voimakkaaseen agglomeraatioon ja riittämättömään dispergoituvuuteen sementtilietteessä.

(2) Li Keliang ym. (2005) tutkivat kalsinointilämpötilan, kalsinointiajan sekä kaoliinin SiO2- ja A12O3-pitoisuuksien vaikutuksia metakaoliinin aktiivisuuteen sementtibetonin lujuuden parantamisessa. Metakaoliinia käyttäen valmistettiin suurlujuusbetonia ja maapolymeerejä. Tulokset osoittavat, että kun kaoliinin pitoisuus on 15 % ja vesi-sementtisuhde on 0,4, 28 päivän puristuslujuus on 71,9 MPa. Kun kaoliinin pitoisuus on 10 % ja vesi-sementtisuhde on 0,375, 28 päivän puristuslujuus on 73,9 MPa. Lisäksi, kun metakaoliinin pitoisuus on 10 %, sen aktiivisuusindeksi saavuttaa arvon 114, mikä on 11,8 % korkeampi kuin samalla määrällä piijauhetta. Siksi uskotaan, että metakaoliinia voidaan käyttää suurlujuusbetonin valmistukseen.

Qian Xiaoqian ym. (2001) tutkivat betonin aksiaalista vetojännitys-venymäsuhdetta, kun kaoliinipitoisuus oli 0, 0,5 %, 10 % ja 15 %. He havaitsivat, että kaoliinipitoisuuden kasvaessa betonin aksiaalisen vetolujuuden huippuvenymä kasvoi merkittävästi ja vetokimmomoduuli pysyi käytännössä muuttumattomana. Betonin puristuslujuus kuitenkin kasvoi merkittävästi ja puristuslujuuden suhde vastaavasti pieneni. Kun kaoliinipitoisuus on 15 %, betonin vetolujuus ja puristuslujuus ovat vastaavasti 128 % ja 184 % vertailubetonista.

Cao Zhengliang ym. (2004) havaitsivat tutkimuksessaan ultrahienon metakaoliinijauheen betonin lujittavaa vaikutusta koskevassa tutkimuksessaan, että samalla juoksevuudella 10 % metakaoliinia sisältävän laastin puristuslujuus ja taivutuslujuus kasvoivat 6–8 % 28 päivän kuluttua. Metakaoliinilla sekoitetun betonin varhainen lujuuden kehitys oli merkittävästi nopeampaa kuin standardibetonin. Vertailubetoniin verrattuna 15 % metakaoliinia sisältävän betonin 3D-aksiaalinen puristuslujuus on kasvanut 84 % ja 28d-aksiaalinen puristuslujuus 80 %, kun taas staattinen kimmomoduuli on kasvanut 9 % 3D-suunnassa ja 8 % 28d-suunnassa.

Huang Zhan ym. (2008) tutkivat metakaoliinin ja kuonan eri sekoitussuhteiden vaikutusta betonin lujuuteen ja kestävyyteen. Tulokset osoittavat, että metakaoliinin lisääminen kuonabetoniin parantaa sekä betonin lujuutta että kestävyyttä. Kuonan ja sementin optimaalinen suhde on noin 3:7, mikä johtaa ihanteelliseen betonin lujuuteen. Komposiittibetonin holvikaariero on hieman suurempi kuin yksittäisen kuonabetonin metakaoliinin vulkaanisen tuhkan vaikutuksesta. Sen halkaisuvetolujuus on suurempi kuin vertailubetonin.

Yang Fengling ym. (2011) käyttivät yhtä suuria määriä metakaoliinia, lentotuhkaa ja kuonaa sementin korvaamiseksi ja sekoittivat metakaoliinin erikseen lentotuhkan ja kuonan kanssa betonin valmistukseen. Betonin työstettävyyttä, puristuslujuutta ja kestävyyttä tutkittiin. Tulokset osoittivat, että kun kaoliinia käytettiin korvaamaan 5–25 % sementistä yhtä suurina määrinä, betonin puristuslujuus parani kaikissa ikäryhmissä. Kun kaoliinia käytettiin yhtä suurina määrinä korvaamaan sementti 20 %, puristuslujuus kullakin iällä on ihanteellinen. Lujuus 3d:ssä, 7d:ssä ja 28d:ssä on 26,0 %, 14,3 % ja 8,9 % suurempi kuin betonilla, johon ei ole lisätty kaoliinia. Tämä osoittaa, että tyypin II portlandsementin tapauksessa metakaoliinin lisääminen voi parantaa valmistetun betonin lujuutta.

Zhang Chengbo ym. (2012) käyttivät teräskuonaa, metakaoliinia ja muita materiaaleja pääraaka-aineina geopolymeerisementin valmistuksessa perinteisen portlandsementin korvaamiseksi. Tavoitteena oli energiansäästö, kulutuksen vähentäminen ja jätteen muuttaminen aarteeksi. Tulokset osoittivat, että kun teräs- ja lentotuhkapitoisuus olivat molemmat 20 %, testilohkon lujuus saavutti 28 päivän kuluttua erittäin korkean tason (95,5 MPa). Lisätyn teräskuonan määrän kasvaessa sillä voi olla myös tietty rooli geopolymeerisementin kutistumisen vähentämisessä.

Chen Guocan (2010) omaksui teknisen reitin ”portlandsementti + aktiivinen mineraalilisäaine + tehokas veden vähentäjä”, magnetoidun veden betoniteknologian ja perinteisen valmistusprosessin, ja suoritti valmistuskokeita vähähiilisellä erittäin lujalla kivimassabetonilla käyttäen paikallisesti hankittuja raaka-aineita, kuten kiviä ja kuonaa. Tulokset osoittavat, että metakaoliinin sopiva annostus on 10 %. Sementin massa-lujuussuhde erittäin lujan kivimassabetonin massayksikköä kohden on noin 4,17 kertaa tavalliseen betoniin, 2,49 kertaa korkealujuusbetoniin (HSC) ja 2,02 kertaa reaktiiviseen jauhebetoniin (RPC) verrattuna. Siksi matala-annoksisella sementillä valmistettu erittäin luja kivimassabetoni on betonin kehityssuunta vähähiilisen talouden aikakaudella.

(3) Kun betoniin on lisätty pakkaskestävää kaoliinia, betonin huokoskoko pienenee huomattavasti, mikä parantaa betonin jäätymis-sulatussykliä. Feng Naiqian (2002) havaitsi, että tietyn määrän jäätymis-sulatussyklejä jälkeen 15 % kaoliinipitoisen betoninäytteen kimmokerroin 28 päivän iässä on merkittävästi korkeampi kuin vertailubetonin 28 päivän iässä. Metakaoliinin ja muiden mineraalihienojen jauheiden yhdistelmäkäyttö betonissa voi parantaa huomattavasti betonin kestävyyttä.