В современной строительной отрасли наряду с тенденцией к использованию и эффективной утилизации техногенного сырья разрабатываются высококачественные активные минеральные добавки в бетон с четко заданными свойствами. Из таких материалов все большее распространение получает метакаолин - метастабильный продукт дегидратации каолина, получаемый в результате направленного обжига при 650-850°C.
Каолин, являясь природным глинистым материалом, не проявляет активности по отношению к гидроксиду кальция и состоит из хорошо закристаллизованных в виде табличек кристаллов.
Под действием высоких температур при соответственно подобранных показателях скорости и температуры нагревания каолиновых глин содержащийся в них каолин подвергается дегидратации, в результате чего образуется высокореакционный метакаолин (МТК) по следующей реакции:
Al2O3 x 2SiO2 х 2H2O → Al2O3•2SiO2 + 2H2O
Обжиг каолина стабильного качества в области 650-800°C позволяет удалить из него химически связанную воду и получить аморфный продукт с высокой степенью чистоты и с заданными характеристиками. За счет аморфного состояния метакаолин приобретает высокую пуццолановую активность. Введение метакаолина в цементные композиции позволяет значительно ускорять набор их прочности, а также вследствие малого, по сравнению с цементом, размера частиц способствует дополнительно еще уплотняет цементный камень. Метакаолин отличается от других минеральных активных добавок, таких как микрокремнезем, белая сажа или зола рисовой шелухи, тем, что пуццолановая активность носит смешанный его кремнеземистый характер.
До настоящего времени остаются невыясненными многие вопросы, связанные с гидратацией и структурообразованием цементных систем в присутствии метакаолина. Разногласия среди исследователей касаются в основном состава гидратных новообразований, получившихся в результате взаимодействия метакаолина со вторичным портландитом и водой. Принимая во внимание дефектность структуры и слабую связь ионов алюминия в решетке, можно предположить, что в присутствии воды метакаолин может диссоциировать на две части - алюминатную и силикатную, причем алюминатная более активна по отношению к гидроксил-ионам за счет большей дефектности ячейки. Исходя из этого в системе возможно образование гидратных фаз, характерных как для алюминатов «Al2O3-CaO-H2O», так и для системы «SiO2-CaO-H2O».
Ф.Л. Глекель в своих работах отмечает, что продуктами протекания пуццолановой реакции могут быть гидроалюминаты кальция разной основности и переменного состава: C2AH8, C3AH6, C4AHn, а также гидрогеленит C2ASH8 и гидросиликаты кальция, образующиеся в зависимости от концентрации ионов кальция в жидкой фазе.
По данным Т.В. Кузнецовой, В.И. Бабушкина, О.А. Мчедлова-Петросяна и других исследователей, в системе «Al2O3-CaO-H2O» на ранней стадии взаимодействия возможно возникновение геля гидрата глинозема Al(OH)3, который в дальнейшем может через цепочку превращений кристаллизоваться в гидроалюминаты кальция с выделением бемита или гидраргиллита. В ходе протекания пуццолановой реакции могут образовываться гидрогранаты. По мнению многих исследователей, при нормальной температуре гидратные продукты в системе «Al2O3-CaO-H2O» представлены преимущественно высокоосновными гидроалюминатами 4CaO x Al2O3 х nH2O, также в зависимости от рН среды и других факторов в системе могут образовываться CaO x Al2O3 х 10H2O, 2CaO x Al2O3 х 8H2O, 3CaO х Al2O3 х 6H2O.
Л.И. Дворкин и Р.Ф. Рунова сообщают, что в результате протекания пуццолановой реакции с участием метакаолина в цементном камне преобладают гидрогеленит и низкоосновные гидросиликаты кальция.
Обобщение результатов исследований фазового состава цементного камня с добавкой метакаолина не позволяет выявить какую-либо строгую закономерность в структурообразовании, поскольку система «Al2O3-CaO-SiO2-H2O» является довольно сложной, а концентрация ионов алюминия и кремния в этой системе носит подчиненный характер относительно концентрации ионов кальция и в большой степени определяется условиями протекания реакции. Кроме того, на пуццолановую активность метакаолина оказывает значительное влияние дефектность структуры исходного каолина, температура и продолжительность обжига.
Также вызывает интерес неоднозначность данных разных исследователей о влиянии добавок метакаолина на устойчивость цементных композиций против морозной и сульфатной агрессии. Принято считать нежелательным присутствие в цементных композициях с высокими требованиями по сульфато- и морозостойоксти гексагональных метастабильных гидроалюминатов кальция типа CaO x Al2O3 х 10H2O, 2CaO х Al2O3 х 8H2O, 4CaO х Al2O3 х nH2O, так как в условиях пониженных температур и при изменении рН среды они имеют склонность к перекристаллизации в кубический 3CaO x Al2O3 x 6H2O, а в сульфатсодержащих растворах могут вступать в реакцию с сульфат-ионами и образовывать эттрингит. Поэтому для бетонов транспортных сооружений и мостовых конструкций, как правило, используется цемент с нормируемым минералогическим составом клинкера, в котором содержание С3А ограничивается 7%. Но некоторые исследователи сообщают о повышении коррозионной устойчивости цементных композиций при введении добавки метакаолина в количестве 20-30%. В это же время R.Talero и V. Rahhal в своих работах указывают существенное снижение сульфатостойкости цементного камня при введении метакаолина.
В целом, все исследователи отмечают высокую водопотребность метакаолина вследствие значительной удельной поверхности и пластинчатой формы частиц, и рекомендуют применение метакаолина в комплексе с эффективными водоредуцирующими добавками. При условии одинакового водоцементного отношения модифицирование цементных композиций метакаолином позволяет получить существенный прирост прочности, особенно в раннем возрасте, что связано с ускорением гидратационных процессов в присутствии этой добавки.
