Метакаолин

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.

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 м²/кг; истинная плотность - 2,50 г/см³; насыпная плотность - 410 кг/м³; нормальная густота - 46%; пуццолановая активность - 26 мг/г. В коммерчески доступных продуктах удельная поверхность метакаолина может доходить до 15000-20000 см²/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.

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.

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.