Il ruolo del metacaolino nel calcestruzzo

(1) Migliorare la resistenza della malta e dell'impasto di cemento; l'elevata resistenza è uno degli indicatori del calcestruzzo ad alte prestazioni. Uno degli scopi principali dell'aggiunta di metacaolino è quello di migliorare la resistenza della malta e del calcestruzzo di cemento.

Poon et al. (2001) hanno condotto prove di resistenza a compressione su impasti di cemento con un rapporto acqua/cemento di 0,3, preparati sostituendo il cemento Portland con caolino e polvere di silice in percentuali comprese tra lo 0 e il 20% (in massa). I risultati hanno mostrato che la resistenza a compressione degli impasti di cemento contenenti dal 5% al ​​20% di caolino era superiore a quella del cemento di riferimento a tutte le età, con il cemento contenente il 10% di caolino che ha mostrato un aumento del 20% della resistenza a 28 e 90 giorni rispetto al cemento di riferimento. Anche il cemento contenente dal 5% al ​​10% di polvere di silice ha mostrato un aumento del 20% della resistenza a 28 e 90 giorni rispetto al cemento di riferimento. La sua resistenza a 28 e 90 giorni è equivalente a quella del cemento caolinico, ma la sua resistenza iniziale è inferiore a quella del cemento di riferimento. L'analisi suggerisce che ciò potrebbe essere correlato alla forte agglomerazione della polvere di silice utilizzata e all'insufficiente dispersione nell'impasto di cemento.

(2) Li Keliang et al. (2005) hanno studiato gli effetti della temperatura di calcinazione, del tempo di calcinazione e del contenuto di SiO2 e Al2O3 nel caolino sull'attività del metacaolino per migliorare la resistenza del calcestruzzo cementizio. Sono stati preparati calcestruzzo ad alta resistenza e polimeri del suolo utilizzando metacaolino. I risultati mostrano che quando il contenuto di caolino è del 15% e il rapporto acqua/cemento è 0,4, la resistenza a compressione a 28 giorni è di 71,9 MPa. Quando il contenuto di caolino è del 10% e il rapporto acqua/cemento è 0,375, la resistenza a compressione a 28 giorni è di 73,9 MPa. Inoltre, quando il contenuto di metacaolino è del 10%, il suo indice di attività raggiunge 114, che è l'11,8% superiore alla stessa quantità di polvere di silicio. Pertanto, si ritiene che il metacaolino possa essere utilizzato per preparare calcestruzzo ad alta resistenza.

Qian Xiaoqian et al. (2001) hanno studiato la relazione sforzo-deformazione a trazione assiale del calcestruzzo con un contenuto di caolino pari a 0, 0,5%, 10% e 15%. Hanno scoperto che con l'aumento del contenuto di caolino, la deformazione di picco della resistenza a trazione assiale del calcestruzzo aumentava significativamente, mentre il modulo elastico a trazione rimaneva sostanzialmente invariato. Tuttavia, la resistenza a compressione del calcestruzzo aumentava significativamente e il rapporto di resistenza a compressione diminuiva di conseguenza. Quando il contenuto di caolino è pari al 15%, la resistenza a trazione e la resistenza a compressione del calcestruzzo sono rispettivamente il 128% e il 184% di quelle del calcestruzzo di riferimento.

Cao Zhengliang et al. (2004) hanno riscontrato nel loro studio sull'effetto di rinforzo della polvere ultrafine di metacaolino sul calcestruzzo che, a parità di fluidità, la malta contenente il 10% di metacaolino ha aumentato la sua resistenza a compressione e a flessione dal 6% all'8% dopo 28 giorni. Lo sviluppo iniziale della resistenza del calcestruzzo con aggiunta di metacaolino è risultato significativamente più rapido rispetto a quello del calcestruzzo standard. Rispetto al calcestruzzo di riferimento, il calcestruzzo contenente il 15% di metacaolino ha mostrato un aumento dell'84% nella resistenza a compressione assiale 3D e dell'80% nella resistenza a compressione assiale a 28 giorni, mentre il modulo elastico statico ha registrato un aumento del 9% in 3D e dell'8% a 28 giorni.

Huang Zhan et al. (2008) hanno studiato l'effetto di diversi rapporti di miscelazione di metacaolino e scoria sulla resistenza e la durabilità del calcestruzzo. I risultati mostrano che l'aggiunta di metacaolino al calcestruzzo di scoria migliora sia la resistenza che la durabilità del calcestruzzo. Il rapporto ottimale tra scoria e cemento è di circa 3:7, che si traduce in una resistenza ideale del calcestruzzo. La differenza di arco del calcestruzzo composito è leggermente superiore a quella del calcestruzzo di sola scoria, a causa dell'effetto della cenere vulcanica del metacaolino. La sua resistenza a trazione per spaccatura è superiore a quella del calcestruzzo di riferimento.

Yang Fengling et al. (2011) hanno utilizzato quantità uguali di metacaolino, ceneri volanti e scorie per sostituire il cemento, e hanno miscelato separatamente il metacaolino con ceneri volanti e scorie per preparare il calcestruzzo. Sono state studiate la lavorabilità, la resistenza a compressione e la durabilità del calcestruzzo. I risultati hanno mostrato che quando il caolino veniva utilizzato per sostituire dal 5% al ​​25% del cemento in quantità uguali, la resistenza a compressione del calcestruzzo a tutte le età risultava migliorata; quando il caolino veniva utilizzato in quantità uguali per sostituire il cemento al 20%, la resistenza a compressione a ogni età era ottimale. La resistenza a 3, 7 e 28 giorni era rispettivamente del 26,0%, 14,3% e 8,9% superiore a quella del calcestruzzo senza aggiunta di caolino. Ciò indica che, per il cemento Portland di tipo II, l'aggiunta di metacaolino può migliorare la resistenza del calcestruzzo preparato.

Zhang Chengbo et al. (2012) hanno utilizzato scorie d'acciaio, metacaolino e altri materiali come materie prime principali per preparare cemento geopolimerico in sostituzione del tradizionale cemento Portland, raggiungendo l'obiettivo di risparmio energetico, riduzione dei consumi e trasformazione dei rifiuti in risorse. I risultati hanno mostrato che, quando il contenuto di acciaio e di ceneri volanti era entrambi del 20%, la resistenza del blocco di prova a 28 giorni raggiungeva un livello molto elevato (95,5 MPa). Con l'aumentare della quantità di scorie d'acciaio aggiunte, si può anche osservare un certo contributo alla riduzione del ritiro del cemento geopolimerico.

Chen Guocan (2010) ha adottato il percorso tecnico di "cemento Portland + additivo minerale attivo + agente riduttore d'acqua ad alta efficienza", la tecnologia del calcestruzzo ad acqua magnetizzata e il processo di preparazione convenzionale, e ha condotto esperimenti di preparazione su calcestruzzo di scoria di pietra ad altissima resistenza a basso contenuto di carbonio utilizzando materie prime di provenienza locale come pietre e scorie. I risultati indicano che il dosaggio appropriato di metacaolino è del 10%. Il rapporto massa/resistenza del contributo del cemento per unità di massa del calcestruzzo di scoria di pietra ad altissima resistenza è circa 4,17 volte quello del calcestruzzo ordinario, 2,49 volte quello del calcestruzzo ad alta resistenza (HSC) e 2,02 volte quello del calcestruzzo a polvere reattiva (RPC). Pertanto, il calcestruzzo di scoria di pietra ad altissima resistenza preparato con un basso dosaggio di cemento rappresenta la direzione dello sviluppo del calcestruzzo nell'era dell'economia a basse emissioni di carbonio.

(3) Dopo l'aggiunta di caolino resistente al gelo al calcestruzzo, la dimensione dei pori del calcestruzzo si riduce notevolmente, migliorando il ciclo di gelo-disgelo del calcestruzzo. Feng Naiqian (2002) ha scoperto che, dopo un certo numero di cicli di gelo-disgelo, il modulo elastico del campione di calcestruzzo con un contenuto di caolino del 15% a 28 giorni di età è significativamente superiore a quello del calcestruzzo di riferimento a 28 giorni di età. L'applicazione composita di metacaolino e altre polveri minerali ultrafini nel calcestruzzo può migliorare notevolmente le prestazioni di durabilità del calcestruzzo.