Химичен състав и свойства на активния метакаолин, произведен от Каолин

Във втори брой на Списание СТРОИТЕЛИ представихме материал от фирма Каолин за минералната добавка метакаолин и някои общи характеристики. В настоящата статия ще разгледаме по-подробно химичния състав и пуцолановите свойства на активния метакаолин.

Метакаолинът обикновено съдържа 50–55 % силициев диоксид (SiO₂) и 40–45 % алуминиев оксид (Al₂O₃). Други оксиди, представени в малки количества, са Fe₂O₃, TiO₂, CaO и MgO. Количеството на алкалите (Na2O и k₂O) в метакаолина е ниско и варира в рамките на 0,3 и 1%. Минералният състав на метакаолина се мени в зависимост от конкретния източник на каолин. Най-значителният примес към каолина е кварцът, след него се нареждат фелдшпатите, слюдата и калцит. Проведените изследвания чрез сканираща електронна микроскопия и елементен анализ показаха, че метакаолинът, получен чрез изпичане на суровини от района гр. Ветово, се характеризира с изключително висока чистота. Основните примеси към него са главно Fe₂O₃, TiO₂, и k₂O, като всички са представени в количество до 1%.

Най-ценното свойство на метакаолина е неговата пуцоланова активност - способността му да взаимодейства с някои от продуктите на хидратация на циментите и гасена вар. При това се получават нови химични съединения, с по-висока химична устойчивост и дълготрайност, в сравнение с изходните.

Няколко параметъра влияят върху пуцолановата активност на метакаолина. Източниците на каолин, естеството на активните фази и тяхното съдържание в материала, специфичната повърхност и фиността на частиците, количеството на водата в реагиращата смес, грижите в ранна възраст и температурата на средата са измежду най-важните от тях. Основната реакция е между SiO₂, Al₂O₃ - от метакаолина и Ca(OH)2 - от хидратацията на цимента, в присъствието на вода. При тази реакция се образува допълнително количество хидросиликатен гел и калциеви хидроалуминати. Като цяло, активните минерални добавки с по-високо съдържание на алуминиев оксид, като метакаолина, имат по-висока пуцоланова активност, тъй като формирането на калциеви хидроалуминати има висока потребност от калциев хидроксид. Хидратационните процеси зависят нивото на активност на метакаолина, която на свой ред зависи от условията на производство и чистотата на изходната глина. Активността на метакаолина може да се измери по метода Шапел (Chapelle, фр.) и се изразява чрез погълнатото количество Ca(OH)2 (СН) за грам добавка.

Пуцолановата активност на метакаолина, произведен от Каолин, оценена по цитирания метод, е над 1000 mg Са(ОН)₂/g, т.е. всеки грам метакаолин присъединява количество гасена вар, по-голямо от собственото му тегло. В това отношение произведеният метакаолин е далеч пред всички налични минерални добавки към цименти и бетони, които се произвеждат в България. Активността на пуцолановите добавки може да се оцени чрез определяне по химичен път на нехидратиралата част на добавката в цименто-пуцоланови пасти. Ако се вземе под внимание минералния състав на циментите, които се произвеждат в България, при 15 - 20% заместване на цимента с метакаолин от района на гр. Ветово се получава пълно свързване на свободната вар (портландит), при възраст на бетона 28 дни. Световният опит в областта показва, че при подобни нива на заместване на цимента с метакаолин показват най-ниско ниво на свободна вар при всички възрасти на изследване.

Казаното по-горе е категоричен аргумент в подкрепа на употребата на активния метакаолин за видими и декоративни бетони, в това число такива, работещи във влажна среда (с наличие на изпаряващи повърхности), при които е крайно нежелателна поява на белезникави петна от водоразтворими химични съединения по повърхността им. Взаимодействайки със свободната вар и алкалиите от бетона, метакаолинът ги превръща в практически неразтворими във вода съединения. По този начин бетоните запазват своя първоначален външен вид.

Високата пуцоланова активност на метакаолина, произведен от Каолин, го прави особено подходящ за повишаване на водоустойчивостта на циментовите бетони, особено такива, работещи в среда от меки води (с рН < 7), каквито са водите в югозападна България. Представената информация дава достатъчно основание да се твърди, че матакаолинът от гр. Ветово представлява високоактивна (пуцоланова) минерална добавка, която с успех може да се прилага в случаите, когато е необходимо да се гарантира дълготрайността на бетоните в съответните агресивни среди.