Метакаолин

Метакаолин (высокоактивный метакаолин) — силикат алюминия, искусственный порошкообразный материал, продукт обжига (дегидратации) с последующим помолом обогащенных каолиновых глин.

Получение

Метакаолин получают в результате обжига каолинита (добываемого в виде каолиновых глин) в интервале температур 500—800 °С по реакции:

${\displaystyle \mathrm {Al_{2}O_{3}\cdot 2SiO_{2}\cdot 2H_{2}O\rightarrow Al_{2}O_{3}\cdot 2SiO_{2}+2H_{2}O} }$[1]

В результате прохождения эндотермической реакции дегидратации образуется аморфный метакаолинит (метакаолин).

Температура дегидратации зависит от строения слоев исходного минерала. Неупорядоченный каолинит при нагревании дегидратируется при температуре от 530 до 570 °C, упорядоченный каолинит при температуре от 570 до 630 °C. Чтобы получить пуццолан из каолинита необходимо достичь почти полной дегидратации без перегрева, который может вызвать спекание с образованием нереакционноспособного муллит и дефектную Al-Si шпинель[2]. Оптимальные температуры активации варьируются от 550 до 850 ° C, оптимальный диапазон 650—750 °C[3]. По сравнению с другими глинистыми минералами каолинит имеет широкий температурный интервал между дегидратацией и перекристаллизацией, что в значительной степени способствует образованию метакаолина и использованию термически активированных каолиновых глин в качестве пуццоланов.

Метакаолин стабилен до 925 °С, при дальнейшем повышении температуры может переходить в кристаллический малоактивный муллит. Эффективность последующего применения метакаолина как добавки в бетоны зависит от правильного выбора и строгого соблюдения технологических режимов обжига и измельчения[4]. Дегидратированный неупорядоченный каолинит проявляет более высокую пуццолановую активность, чем упорядоченный[5].

На территории России налажен выпуск метакаолина в промышленном масштабе.

Свойства

Метакаолин представляет собой порошок от белого до серовато бежевого или розового цветов со средним размером частиц 1-5 мкм. Частицы метакаолина имеют пластинчатую форму, что обусловливает высокую удельную поверхность метакаолина.

Физико-химические свойства метакаолина[6]:удельная поверхность — 1670 м^2/кг; истинная плотность — 2,50 г/см^3; насыпная плотность — 410 кг/м^3; нормальная густота — 46 %; пуццолановая активность — 26 мг/г. В коммерчески доступных продуктах удельная поверхность метакаолина может доходить до 15000-20000 см^2/г, пуццолановая активность до более 1000 мг/г[7][8]. Существенное влияние на пуццолановую активность, и на возможность применения метакаолина как пуццолановой добавки оказывает дисперсность каолина[9].

По своей химической природе метакаолин существенно отличается от такой активной минеральной добавки как микрокремнезем, представляя собой смесь аморфного кремнезема и глинозема.

За счет аморфного состояния метакаолин имеет высокую пуццолановую активность смешанного алюминатно-кремнеземистого характера. Метакаолин способен связывать щелочи в нерастворимые новообразования, аналогичные по химическому составу цеолитам и полевым шпатам. Это свойство обеспечивает защиту цементным материалам и конструкциям от высолообразования и разрушения в результате силикатнощелочной реакции[10].

Модифицирующее действие метакаолина в составе вяжущих композиций проявляется в увеличении плотности цементного камня за счет микронаполнения и связывания (пуццоланический эффект) гидратной извести (портландита) а также в усилении эффективности работы ПАВ, вводимых в состав смесей.

Применение

Метакаолин находит применение как добавка в бетоны и строительные растворы, включая сухие строительные смеси.

При применении метакаолина в производстве гидротехнических, высокопрочных и специальных бетонов удается получать повышенные физико-механические и эксплуатационные свойства материалов при пониженных расходах цемента и пластификаторов. При производстве высокоподвижных и самоуплотняющихся, а также мелкозернистых самонивелирующихся бетонов, метакаолин обеспечивает помимо всего прочего, стабилизацию смеси с высоким водосодержанием, исключает водоотделение и сегрегацию.

Метакаолин сам по себе как микронаполнитель положительно влияет на адгезию растворов к большинству видов подложек.

Метакаолин, применяемый в качестве активной минеральной добавки в бетонных и растворных смесях значительно увеличивает водопотребность, что не позволяет применять его как индивидуальную добавку в больших дозировках. Хотя при этом благодаря развитой форме частиц, ин­тенсивно связывает воду, что обус­ловливает значительное снижение водоотделения смесей[11].

Путем смешения метакаолина с пластифицирующее-водоредуцирующими добавками получают органо-минеральные добавки комплексного действия. Комплексная добавка обеспечивает ускорение гидратации цемента и твердения[12], повышение прочности, водонепроницаемости, морозостойкости и т. д. Мелкодисперсные пластинчатые частицы метакаолина обеспечивают модифицируемым смесям высокую пластичность и стойкость к расслоению, а также отсутствие липкости к инструменту. Эти свойства метакаолина особенно ценны для высокоподвижных смесей, таких как самовыравнивающиеся смеси для полов, самоуплотняющиеся бетоны, а также литьевые ремонтные и анкерные составы[10].

Высокое содержание аморфного глинозема в метакаолине позволяет применять его в качестве одного из компонентов комплексных безусадочных или расширяющихся вяжущих. Предложена[13] комплексная добавка, содержащий метака­олин и гипс, которая представляет собой расширяющую композицию сульфоалюминатного типа для регулиро­вания усадочных деформаций высо­копрочных бетонов. Добавка обеспечивает повышение водоудерживающей способности бетонных смесей и прочности бетона.

Метакаолин может применяться в качестве модификатора для жаростойкого пенобетона[14], как добавка в гипсовые вяжущие для повышения водостойкости[15].

Светлый цвет метакаолина позволяет применять его в материалах на основе белого портландцемента или гипса, обеспечивая получение декоративных цветных материалов повышенной надежности и долговечности.

Литература

1. Кирсанова А. А. Органоминеральные модификаторы на основе метакаолина для цементных бетонов / Л. Я. Крамар // Строительные материалы. 2013. — № 11. — С. 54-57.
2. Крамар Л. Я., Трофимов Б. Я., Гамалий Е. А., Черных Т. Н., Зимич В. В. Модификаторы цементных бетонов и растворов (технические характеристики и механизм действия). / Челябинск: ООО «Искра Профи», 2012. 202 с.
3. Малолепши Я. Влияние метакаолина на свойства цементных растворов / Я. Малолепши, 3. Питель // Химические и минеральные добавки в бетон. — Харьков: Колорит, 2005. С. 61 −77.
4. Caldarone М.А., Gruber К. А., Burg R.G. High-reactivity metakaolin: а new generation mineral admixture // Cone. Int. — 1994. — № 11. — P. 37-40.
5. Батудаева A .В., Кардумян Г. С., Каприелов C.C. Высокопрочные модифицированные бетоны из самовыравнивающихся смесей // Бетон и железобетон. — 2005. — № 4. — С. 14-18.
6. Яковлев Г. И. и др. Об опыте применения метакаолина в качестве структурирующей добавки в цементных композитах[16]. // Вестник ВСГУТУ. 2021. — № 2. — С.58-68.

Примечания

1. Путилин Ю.М., Белякова Ю.А., Голенко В.П. и др. Синтез минералов. — М.: Издательство "Недра", 1987. — Т. 2. — С. 144. — 256 с.
2. High Reactivity Metakaolin (HRM)  (неопр.). Advanced Cement Technologies, LLC. Metakaolin. Дата обращения: 15 марта 2021. Архивировано 12 марта 2016 года.
3. Snellings, R.; Mertens G.; Elsen J. (2012). "Supplementary cementitious materials". Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 74: 211–278. doi:10.2138/rmg.2012.74.6.
4. Пустовгар А.П., Бурьянов А.Ф., Васильев Е.В. Применение метакаолина в сухих строительных смесях (рус.) // Строительные материалы. — 2010. — № 10. — С. 78—81. — ISSN 0585-430X.
5. Kakali, G.; Perraki T.; Tsivilis S.; Badogiannis E. (2001). "Thermal treatment of kaolin: the effect of mineralogy on the pozzolanic activity". Applied Clay Science. 20 (1–2): 73–80. doi:10.1016/s0169-1317(01)00040-0.
6. Дворкин Л.И., Лушникова Н.В. Высокопрочные бетоны на основе литых бетонныхсмесей с использованием полифункционального модификатора, содержащего метакаолин (рус.) // Бетон и железобетон. — 2007. — № 1. — С. 2—7. — ISSN 0005-9889.
7. Высокоактивный метакаолин (ВМК)  (рус.). Дата обращения: 14 марта 2021. Архивировано 15 мая 2021 года.
8. Метакаолин МКЖЛ  (рус.). Дата обращения: 14 марта 2021. Архивировано 22 июня 2021 года.
9. Платова Р.А., Аргынбаев Т.М., Стафеева З.В. Влияние дисперсности каолина месторождения Журавлиный Лог на пуццолановую активность метакаолина (рус.) // Строительные материалы. — 2012. — № 2. — С. 75—80. — ISSN 0585-430X.
10. Захаров С.А., Калачик Б.С. Высокоактивный метакаолин - современный минеральный модификатор цементных систем (рус.) // Строительные материалы. — 2007. — № 5. — С. 56—57.
11. Дворкин Л.И., Лушникова Н.В. Высокопрочные бетоны на основе литых бетонных смесей с использованием полифункционального модификатора, содержащего метакаолин (рус.) // Бетон и железобетон. — 2007. — № 1. — С. 2—7. — ISSN 0005-9889.
12. Кирсанова А.А. и др. Комплексный модификатор с метакаолином для получения цементных композитов с высокой ранней прочностью и стабильностью (рус.) // Вестник Южно-уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. — 2013. — Т. 13, № 1. — С. 49—56. — ISSN 1991-9743.
13. Батудаева A .В., Кардумян Г.С., Каприелов C.C. Высокопрочные модифицированные бетоны из самовыравнивающихся смесей (рус.) // Бетон и железобетон. — 2005. — № 4. — С. 14—18.
14. Леонович С.Н. и др. Особенности формирования жаростойкого пенобетона (рус.) // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. — 2018. — № 1. — С. 23—31. — ISSN 2542-114X.
15. Ширинзаде И.Н., Баширов Е.Х., Курбанов И.Д. Исследование влияния ультрадисперсного метакаолина на свойства гипсовых вяжущих (рус.) // Строительные материалы. — 2019. — № 1—2. — С. 79—82. — ISSN 0585-430X.
16. Яковлев Г.И. и др. Об опыте применения метакаолина в цементных композитах  (рус.). Вестник ВСГУТУ №2. - С. 58-68 (2021).