1) Die Verbesserung der Festigkeit von Zementschlämmen und Mörtel ist eines der Kennzeichen von Hochleistungsbeton. Einer der Hauptgründe für die Zugabe von Metakaolin ist die Verbesserung der Festigkeit von Zementmörtel und Beton.

Laut Poon et al. entspricht die Festigkeit nach 28 und 90 Tagen der von Metakaolin-Zement, die Frühfestigkeit liegt jedoch unter der des Referenzzements. Analysen deuten darauf hin, dass dies mit der starken Agglomeration des verwendeten Siliziumpulvers und dessen unzureichender Dispersion in der Zementsuspension zusammenhängen könnte.

(2) Li Keliang et al. (2005) untersuchten die Auswirkungen von Kalzinierungstemperatur, Kalzinierungszeit sowie des SiO₂- und Al₂O₃-Gehalts in Kaolin auf die Aktivität von Metakaolin zur Verbesserung der Festigkeit von Zementbeton. Hochfester Beton und Bodenpolymere wurden unter Verwendung von Metakaolin hergestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass bei einem Metakaolingehalt von 15 % und einem Wasser-Zement-Verhältnis von 0,4 die Druckfestigkeit nach 28 Tagen 71,9 MPa beträgt. Bei einem Metakaolingehalt von 10 % und einem Wasser-Zement-Verhältnis von 0,375 beträgt die Druckfestigkeit nach 28 Tagen 73,9 MPa. Darüber hinaus erreicht der Aktivitätsindex bei einem Metakaolingehalt von 10 % einen Wert von 114, was 11,8 % höher ist als bei der gleichen Menge Siliciumpulver. Daher kann angenommen werden, dass Metakaolin zur Herstellung von hochfestem Beton verwendet werden kann.

Das axiale Zugspannungs-Dehnungs-Verhalten von Beton mit 0, 0,5, 10 und 15 % Metakaolingehalt wurde untersucht. Es zeigte sich, dass mit steigendem Metakaolingehalt die maximale Dehnung der axialen Zugfestigkeit des Betons deutlich zunahm, während der Zug-Elastizitätsmodul im Wesentlichen unverändert blieb. Die Druckfestigkeit des Betons stieg jedoch signifikant an, während das Verhältnis von Druckfestigkeit zu Zugfestigkeit entsprechend abnahm. Die Zugfestigkeit und Druckfestigkeit von Beton mit 15 % Metakaolingehalt betragen 128 % bzw. 184 % der Werte des Referenzbetons.
Bei der Untersuchung der verstärkenden Wirkung von ultrafeinem Metakaolinpulver auf Beton zeigte sich, dass bei gleicher Fließfähigkeit die Druck- und Biegefestigkeit von Mörtel mit 10 % Metakaolin nach 28 Tagen um 6 % bis 8 % anstieg. Die Frühfestigkeitsentwicklung des mit Metakaolin versetzten Betons verlief deutlich schneller als die von Standardbeton. Im Vergleich zum Referenzbeton wies der Beton mit 15 % Metakaolin eine um 84 % höhere axiale Druckfestigkeit (3D) und eine um 80 % höhere axiale Druckfestigkeit nach 28 Tagen auf, während der statische Elastizitätsmodul um 9 % (3D) bzw. 8 % (28 Tage) zunahm.

Der Einfluss des Mischungsverhältnisses von Metakaolinerde und Hüttensand auf die Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Beton wurde untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Metakaolin zu Hüttensandbeton die Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Betons verbessert. Das optimale Hüttensand-Zement-Verhältnis liegt bei etwa 3:7, wodurch eine ideale Betonfestigkeit erreicht wird. Die Wölbung des Kompositbetons ist aufgrund des vulkanischen Ascheeffekts des Metakaolins etwas höher als die des reinen Hüttensandbetons. Seine Spaltzugfestigkeit ist höher als die des Referenzbetons.

Die Verarbeitbarkeit, Druckfestigkeit und Dauerhaftigkeit von Beton wurden untersucht, indem Metakaolin, Flugasche und Hüttensand als Zementersatzstoffe verwendet und Metakaolin separat mit Flugasche und Hüttensand gemischt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die Druckfestigkeit des Betons in allen Aushärtungsstadien verbessert, wenn 5 % bis 25 % des Zements durch Metakaolin ersetzt werden. Bei einem Zementersatz von 20 % durch Metakaolin ist die Druckfestigkeit in allen Aushärtungsstadien optimal. Die Festigkeit nach 3, 7 und 28 Tagen ist um 26,0 %, 14,3 % bzw. 8,9 % höher als die von Beton ohne Metakaolinzusatz. Dies deutet darauf hin, dass die Zugabe von Metakaolin die Festigkeit von Portlandzement Typ II verbessern kann.

Durch die Verwendung von Stahlschlacke, Metakaolin und anderen Materialien als Hauptrohstoffe zur Herstellung von Geopolymerzement anstelle von herkömmlichem Portlandzement sollen Energieeinsparung, Verbrauchsreduzierung und die Verwertung von Abfällen erreicht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass bei einem Anteil von jeweils 20 % Stahl und Flugasche die Festigkeit des Prüfblocks nach 28 Tagen sehr hoch ist (95,5 MPa). Mit zunehmender Menge an zugesetzter Stahlschlacke lässt sich zudem die Schwindung des Geopolymerzements verringern.

Unter Anwendung des technischen Verfahrens „Portlandzement + aktive mineralische Zusatzstoffe + hocheffizientes Wasserreduktionsmittel“, der Magnetwasserbetontechnologie und konventioneller Herstellungsverfahren wurden Versuche zur Herstellung von kohlenstoffarmem und ultrahochfestem Steinschlackebeton durchgeführt. Als Rohstoffe dienten Gestein und Schlacke aus verschiedenen lokalen Quellen. Die Ergebnisse zeigen, dass die optimale Metakaolin-Dosierung 10 % beträgt. Das Verhältnis von Zementanteil zu Festigkeit pro Masseneinheit ultrahochfestem Steinschlackebeton ist etwa 4,17-mal so hoch wie bei Normalbeton, 2,49-mal so hoch wie bei Hochleistungsbeton und 2,02-mal so hoch wie bei Reaktionspulverbeton. Daher stellt ultrahochfester Steinschlackebeton mit geringer Zementdosierung die Zukunft der Betonentwicklung im Zeitalter der kohlenstoffarmen Wirtschaft dar.

(3) Durch die Zugabe von frostbeständigem Kaolin zu Beton wird die Porengröße des Betons deutlich reduziert, wodurch die Frost-Tau-Beständigkeit verbessert wird. Nach einer bestimmten Anzahl von Frost-Tau-Wechseln ist der Elastizitätsmodul der Betonprobe mit 15 % Kaolinanteil nach 28 Tagen signifikant höher als der des Referenzbetons nach 28 Tagen. Die kombinierte Anwendung von Metakaolin und anderen mineralischen Feinstpulvern in Beton kann die Dauerhaftigkeit des Betons ebenfalls erheblich verbessern.