Die Rolle von Metakaolin im Beton

(1) Die Festigkeit von Zementschlämmen und Mörteln wird verbessert, da eine hohe Festigkeit ein Indikator für Hochleistungsbeton ist. Eines der Hauptziele der Metakaolin-Zugabe ist die Verbesserung der Festigkeit von Zementmörtel und Beton.

Poon et al. (2001) führten Druckfestigkeitsprüfungen an Zementsuspensionen mit einem Wasser-Zement-Verhältnis von 0,3 durch. Diese wurden durch den Ersatz von Portlandzement durch 0–20 % (Massenanteil) Kaolin und Siliciumdioxidpulver hergestellt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Druckfestigkeit von Zementsuspensionen mit 5–20 % Kaolin in allen Aushärtungsstadien höher war als die des Referenzzements. Zement mit 10 % Kaolin wies nach 28 und 90 Tagen eine um 20 % höhere Festigkeit auf als der Referenzzement. Auch Zement mit 5–10 % Siliciumdioxidpulver zeigte nach 28 und 90 Tagen eine um 20 % höhere Festigkeit als der Referenzzement. Seine Festigkeit nach 28 und 90 Tagen entsprach der von Kaolinzement, seine Frühfestigkeit lag jedoch unter der des Referenzzements. Analysen deuten darauf hin, dass dies mit der starken Agglomeration des verwendeten Siliciumdioxidpulvers 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 Kaolingehalt von 15 % und einem Wasser-Zement-Verhältnis von 0,4 die 28-Tage-Druckfestigkeit 71,9 MPa beträgt. Bei einem Kaolingehalt von 10 % und einem Wasser-Zement-Verhältnis von 0,375 beträgt die 28-Tage-Druckfestigkeit 73,9 MPa. Darüber hinaus erreicht der Aktivitätsindex von Metakaolin bei einem Gehalt von 10 % einen Wert von 114, was 11,8 % höher ist als bei der gleichen Menge Siliciumpulver. Daher wird angenommen, dass Metakaolin zur Herstellung von hochfestem Beton verwendet werden kann.

Qian Xiaoqian et al. (2001) untersuchten das axiale Zugspannungs-Dehnungs-Verhältnis von Beton mit einem Kaolingehalt von 0, 0,5 %, 10 % und 15 %. Sie stellten fest, dass mit steigendem Kaolingehalt 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, und das Verhältnis der Druckfestigkeit zur Zugfestigkeit sank entsprechend. Bei einem Kaolingehalt von 15 % betrugen die Zugfestigkeit und die Druckfestigkeit des Betons 128 % bzw. 184 % der Werte des Referenzbetons.

Cao Zhengliang et al. (2004) stellten in ihrer Studie zur verstärkenden Wirkung von ultrafeinem Metakaolinpulver auf Beton fest, dass Mörtel mit 10 % Metakaolin bei gleicher Fließfähigkeit nach 28 Tagen eine um 6 % bis 8 % höhere Druck- und Biegefestigkeit aufwies. Die Festigkeitsentwicklung des mit Metakaolin versetzten Betons verlief deutlich schneller als die von Standardbeton. Im Vergleich zum Referenzbeton zeigte der Beton mit 15 % Metakaolin eine um 84 % höhere axiale Druckfestigkeit (3D) und eine um 80 % höhere axiale Druckfestigkeit nach 28 Tagen, während der statische Elastizitätsmodul um 9 % (3D) bzw. 8 % (28 Tage) anstieg.

Huang Zhan et al. (2008) untersuchten den Einfluss unterschiedlicher Mischungsverhältnisse von Metakaolin und Hüttensand auf die Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Beton. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Metakaolin zu Hüttensandbeton sowohl die Festigkeit als auch die Dauerhaftigkeit des Betons verbessert. Das optimale Hüttensand-Zement-Verhältnis liegt bei etwa 3:7 und führt zu einer idealen Betonfestigkeit. 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.

Yang Fengling et al. (2011) verwendeten gleiche Mengen Metakaolin, Flugasche und Hüttensand als Zementersatz und mischten Metakaolin separat mit Flugasche und Hüttensand zur Betonherstellung. Die Verarbeitbarkeit, Druckfestigkeit und Dauerhaftigkeit des Betons wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Druckfestigkeit des Betons in allen Aushärtungsstadien verbesserte, wenn 5 % bis 25 % des Zements durch Kaolin ersetzt wurden. Bei einem Kaolinanteil von 20 % erreichte die Druckfestigkeit in jedem Alter optimale Werte. Die Festigkeit nach 3, 7 und 28 Tagen lag um 26,0 %, 14,3 % bzw. 8,9 % höher als die von Beton ohne Kaolinzusatz. Dies deutet darauf hin, dass die Zugabe von Metakaolin die Festigkeit von Beton mit Portlandzement Typ II verbessern kann.

Zhang Chengbo et al. (2012) verwendeten Stahlschlacke, Metakaolin und weitere Materialien als Hauptrohstoffe zur Herstellung von Geopolymerzement, um herkömmlichen Portlandzement zu ersetzen. Ziel war es, Energie zu sparen, den Verbrauch zu reduzieren und Abfall zu verwerten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Festigkeit des Prüfblocks nach 28 Tagen bei einem Stahl- und Flugascheanteil von jeweils 20 % einen sehr hohen Wert (95,5 MPa) erreichte. Mit zunehmender Menge an zugesetzter Stahlschlacke konnte zudem die Schwindung des Geopolymerzements verringert werden.

Chen Guocan (2010) wählte die technische Methode „Portlandzement + aktive mineralische Zusatzstoffe + hocheffizientes Wasserreduktionsmittel“, die Magnetwasserbetontechnologie und ein konventionelles Herstellungsverfahren und führte Herstellungsversuche mit kohlenstoffarmem, ultrahochfestem Steinschlackebeton unter Verwendung lokal verfügbarer Rohstoffe wie Steine ​​und Schlacke durch. 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. Feng Naiqian (2002) stellte fest, dass der Elastizitätsmodul einer Betonprobe mit 15 % Kaolinanteil nach 28 Tagen unter einer bestimmten Anzahl von Frost-Tau-Wechseln signifikant höher ist als der einer Referenzprobe. Die kombinierte Anwendung von Metakaolin und anderen mineralischen Feinstpulvern in Beton kann dessen Dauerhaftigkeit erheblich verbessern.