نقش متاکائولن در بتن

(1) بهبود مقاومت دوغاب سیمان و ملات، مقاومت بالا یکی از شاخص‌های بتن با عملکرد بالا است. یکی از اهداف اصلی افزودن متاکائولن، بهبود مقاومت ملات سیمان و بتن است.

پون و همکاران (2001) آزمایش‌های مقاومت فشاری را روی دوغاب‌های سیمانی با نسبت آب به سیمان 0.3 که با جایگزینی سیمان پرتلند با 0-20٪ (کسر جرمی) کائولن و پودر سیلیس تهیه شده بودند، انجام دادند. نتایج نشان داد که مقاومت فشاری دوغاب‌های سیمانی حاوی 5٪ تا 20٪ کائولن در تمام سنین بالاتر از سیمان مرجع بود، به طوری که سیمان حاوی 10٪ کائولن در 28 و 90 روزگی 20٪ افزایش مقاومت در مقایسه با سیمان مرجع نشان داد. سیمان حاوی 5٪ تا 10٪ پودر سیلیس نیز در 28 و 90 روزگی 20٪ افزایش مقاومت در مقایسه با سیمان مرجع نشان داد. مقاومت آن در 28 روزگی و 90 روزگی معادل سیمان کائولن است، اما مقاومت اولیه آن کمتر از سیمان معیار است. تجزیه و تحلیل نشان می‌دهد که این ممکن است مربوط به کلوخه شدن شدید پودر سیلیکون مورد استفاده و پراکندگی ناکافی در دوغاب سیمان باشد.

(2) لی کلیانگ و همکاران (2005) اثرات دمای کلسیناسیون، زمان کلسیناسیون و میزان SiO2 و A12O3 در کائولن را بر فعالیت متاکائولن برای بهبود مقاومت بتن سیمانی بررسی کردند. بتن با مقاومت بالا و پلیمرهای خاک با استفاده از متاکائولن تهیه شدند. نتایج نشان می‌دهد که وقتی میزان کائولن 15٪ و نسبت آب به سیمان 0.4 باشد، مقاومت فشاری 28 روزه 71.9 مگاپاسکال است. وقتی میزان کائولن 10٪ و نسبت آب به سیمان 0.375 باشد، مقاومت فشاری 28 روزه 73.9 مگاپاسکال است. علاوه بر این، وقتی میزان متاکائولن 10٪ باشد، شاخص فعالیت آن به 114 می‌رسد که 11.8٪ بیشتر از همان مقدار پودر سیلیکون است. بنابراین، اعتقاد بر این است که می‌توان از متاکائولن برای تهیه بتن با مقاومت بالا استفاده کرد.

کیان شیائوکیان و همکاران (۲۰۰۱) رابطه تنش-کرنش کششی محوری بتن با محتوای کائولن ۰، ۰.۵٪، ۱۰٪ و ۱۵٪ را بررسی کردند. آنها دریافتند که با افزایش محتوای کائولن، کرنش اوج مقاومت کششی محوری بتن به طور قابل توجهی افزایش یافته و مدول الاستیک کششی اساساً بدون تغییر باقی مانده است. با این حال، مقاومت فشاری بتن به طور قابل توجهی افزایش یافته و نسبت مقاومت فشاری به طور متناظر کاهش یافته است. هنگامی که محتوای کائولن ۱۵٪ است، مقاومت کششی و مقاومت فشاری بتن به ترتیب ۱۲۸٪ و ۱۸۴٪ بتن مرجع است.

کائو ژنگلیانگ و همکاران (2004) در مطالعه خود در مورد اثر تقویت پودر فوق ریز متاکائولن بر بتن دریافتند که تحت سیالیت یکسان، ملات حاوی 10٪ متاکائولن، مقاومت فشاری و مقاومت خمشی خود را پس از 28 روز 6 تا 8 درصد افزایش می‌دهد. افزایش مقاومت اولیه بتن مخلوط شده با متاکائولن به طور قابل توجهی سریع‌تر از بتن استاندارد بود. در مقایسه با بتن معیار، بتن حاوی 15٪ متاکائولن افزایش 84 درصدی در مقاومت فشاری محوری سه بعدی و افزایش 80 درصدی در مقاومت فشاری محوری 28 روزه دارد، در حالی که مدول الاستیک استاتیک افزایش 9 درصدی در سه بعدی و افزایش 8 درصدی در 28 روزه دارد.

هوانگ ژان و همکاران (2008) تأثیر نسبت‌های مختلف اختلاط متاکائولن و سرباره را بر مقاومت و دوام بتن بررسی کردند. نتایج نشان می‌دهد که افزودن متاکائولن به بتن سرباره‌ای، هم مقاومت و هم دوام بتن را بهبود می‌بخشد. نسبت بهینه سرباره به سیمان حدود 3:7 است که منجر به مقاومت ایده‌آل بتن می‌شود. اختلاف قوس بتن کامپوزیتی به دلیل اثر خاکستر آتشفشانی متاکائولن، کمی بیشتر از بتن تک سرباره‌ای است. مقاومت کششی شکافتنی آن بیشتر از بتن معیار است.

یانگ فنگلینگ و همکاران (۲۰۱۱) از مقادیر مساوی متاکائولن، خاکستر بادی و سرباره برای جایگزینی سیمان استفاده کردند و متاکائولن را به طور جداگانه با خاکستر بادی و سرباره برای تهیه بتن مخلوط کردند. کارایی، مقاومت فشاری و دوام بتن مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که وقتی کائولن به مقدار مساوی جایگزین ۵ تا ۲۵ درصد سیمان می‌شود، مقاومت فشاری بتن در تمام سنین بهبود می‌یابد. وقتی کائولن به مقدار مساوی جایگزین سیمان به میزان ۲۰ درصد می‌شود، مقاومت فشاری در هر سن ایده‌آل است. مقاومت در روزهای سوم، هفتم و بیست و هشتم به ترتیب ۲۶٪، ۱۴.۳٪ و ۸.۹٪ بیشتر از بتن بدون کائولن اضافه شده است. این نشان می‌دهد که برای سیمان پرتلند نوع دوم، افزودن متاکائولن می‌تواند مقاومت بتن آماده شده را بهبود بخشد.

ژانگ چنگبو و همکارانش (۲۰۱۲) از سرباره فولاد، متاکائولن و سایر مواد به عنوان مواد اولیه اصلی برای تهیه سیمان ژئوپلیمری به منظور جایگزینی سیمان پرتلند سنتی استفاده کردند و به هدف صرفه‌جویی در مصرف انرژی، کاهش مصرف و تبدیل ضایعات به گنج دست یافتند. نتایج نشان داد که وقتی میزان فولاد و خاکستر بادی هر دو ۲۰٪ بود، مقاومت بلوک آزمایشی در ۲۸ روز به سطح بسیار بالایی (۹۵.۵ مگاپاسکال) رسید. با افزایش مقدار سرباره فولاد اضافه شده، می‌تواند نقش خاصی در کاهش انقباض سیمان ژئوپلیمری نیز ایفا کند.

چن گوکان (2010) مسیر فنی «سیمان پرتلند + افزودنی معدنی فعال + عامل کاهنده آب با راندمان بالا»، فناوری بتن با آب مغناطیسی و فرآیند آماده‌سازی مرسوم را اتخاذ کرد و آزمایش‌های آماده‌سازی را بر روی بتن سرباره سنگی کم‌کربن با مقاومت فوق‌العاده بالا با استفاده از مواد اولیه محلی مانند سنگ و سرباره انجام داد. نتایج نشان می‌دهد که دوز مناسب متاکائولن 10٪ است. نسبت جرم به مقاومت سهم سیمان در واحد جرم بتن سرباره سنگی با مقاومت فوق‌العاده بالا حدود 4.17 برابر بتن معمولی، 2.49 برابر بتن با مقاومت بالا (HSC) و 2.02 برابر بتن پودری واکنش‌پذیر (RPC) است. بنابراین، بتن سرباره سنگی با مقاومت فوق‌العاده بالا که با سیمان با دوز کم تهیه می‌شود، جهت توسعه بتن در دوران اقتصاد کم‌کربن است.

(3) پس از افزودن کائولن با مقاومت در برابر یخ‌زدگی به بتن، اندازه منافذ بتن به میزان زیادی کاهش می‌یابد و چرخه انجماد-ذوب بتن بهبود می‌یابد. فنگ نایکیان (2002) دریافت که تحت تعداد مشخصی از چرخه‌های انجماد-ذوب، مدول الاستیک نمونه بتن با محتوای 15٪ کائولن در سن 28 روزگی به طور قابل توجهی بالاتر از بتن مرجع در سن 28 روزگی است. کاربرد ترکیبی متاکائولن و سایر پودرهای فوق ریز معدنی در بتن می‌تواند عملکرد دوام بتن را تا حد زیادی بهبود بخشد.