دور الميتاكاولين في الخرسانة

(1) تحسين قوة ملاط ​​الأسمنت، حيث تُعدّ القوة العالية أحد مؤشرات الخرسانة عالية الأداء. ومن أهم أهداف إضافة الميتاكاولين تحسين قوة ملاط ​​الأسمنت والخرسانة.

أجرى بون وآخرون (2001) اختبارات مقاومة الضغط على ملاط ​​أسمنتي بنسبة ماء إلى أسمنت تبلغ 0.3، تم تحضيره باستبدال الأسمنت البورتلاندي بمسحوق الكاولين والسيليكا بنسب تتراوح بين 0 و20% (نسبة كتلية). أظهرت النتائج أن مقاومة الضغط للملاط الأسمنتي المحتوي على الكاولين بنسبة تتراوح بين 5% و20% كانت أعلى من مقاومة الأسمنت المرجعي في جميع الأعمار، حيث أظهر الأسمنت المحتوي على 10% كاولين زيادة في المقاومة بنسبة 20% عند 28 و90 يومًا مقارنةً بالأسمنت المرجعي. كما أظهر الأسمنت المحتوي على مسحوق السيليكا بنسبة تتراوح بين 5% و10% زيادة في المقاومة بنسبة 20% عند 28 و90 يومًا مقارنةً بالأسمنت المرجعي. وكانت مقاومته عند 28 و90 يومًا مماثلة لمقاومة أسمنت الكاولين، إلا أن مقاومته المبكرة كانت أقل من مقاومة الأسمنت المرجعي. تشير التحليلات إلى أن هذا قد يكون مرتبطًا بالتكتل الشديد لمسحوق السيليكا المستخدم وعدم تشتته بشكل كافٍ في الملاط الأسمنتي.

(2) درس لي كيليانغ وآخرون (2005) تأثير درجة حرارة التكليس، ومدة التكليس، ومحتوى ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) وأكسيد الألومنيوم (Al2O3) في الكاولين على فعالية الميتاكاولين في تحسين مقاومة الخرسانة الإسمنتية. وقد تم تحضير خرسانة عالية المقاومة وبوليمرات التربة باستخدام الميتاكاولين. أظهرت النتائج أنه عند استخدام 15% من الكاولين ونسبة ماء إلى إسمنت 0.4، بلغت مقاومة الضغط بعد 28 يومًا 71.9 ميجا باسكال. وعند استخدام 10% من الكاولين ونسبة ماء إلى إسمنت 0.375، بلغت مقاومة الضغط بعد 28 يومًا 73.9 ميجا باسكال. علاوة على ذلك، عند استخدام 10% من الميتاكاولين، وصل مؤشر فعاليته إلى 114، أي بزيادة قدرها 11.8% مقارنةً بنفس الكمية من مسحوق السيليكون. لذا، يُعتقد أن الميتاكاولين يُمكن استخدامه في تحضير خرسانة عالية المقاومة.

درست تشيان شياو تشيان وآخرون (2001) العلاقة بين الإجهاد والانفعال في الخرسانة تحت الشد المحوري مع محتوى الكاولين بنسب 0، 0.5%، 10%، و15%. ووجدوا أنه مع زيادة محتوى الكاولين، يزداد انفعال ذروة مقاومة الشد المحوري للخرسانة بشكل ملحوظ، بينما يبقى معامل المرونة الشدية ثابتًا تقريبًا. في المقابل، تزداد مقاومة الضغط للخرسانة بشكل ملحوظ، وتنخفض نسبة مقاومة الضغط تبعًا لذلك. فعندما يكون محتوى الكاولين 15%، تبلغ مقاومة الشد ومقاومة الضغط للخرسانة 128% و184% على التوالي من مقاومة الخرسانة المرجعية.

وجد تساو تشنغليانغ وآخرون (2004) في دراستهم حول تأثير مسحوق الميتاكاولين فائق النعومة على تقوية الخرسانة، أنه عند نفس درجة السيولة، زادت مقاومة الخرسانة للضغط والانحناء بنسبة تتراوح بين 6% و8% بعد 28 يومًا عند إضافة 10% من الميتاكاولين. وكان تطور المقاومة المبكرة للخرسانة المخلوطة بالميتاكاولين أسرع بكثير من الخرسانة القياسية. وبالمقارنة مع الخرسانة المرجعية، أظهرت الخرسانة التي تحتوي على 15% من الميتاكاولين زيادة بنسبة 84% في مقاومة الضغط المحوري ثلاثي الأبعاد، وزيادة بنسبة 80% في مقاومة الضغط المحوري بعد 28 يومًا، بينما زاد معامل المرونة الساكن بنسبة 9% في الأبعاد الثلاثة، و8% بعد 28 يومًا.

درس هوانغ تشان وآخرون (2008) تأثير نسب الخلط المختلفة للميتاكاولين والخبث على قوة ومتانة الخرسانة. وأظهرت النتائج أن إضافة الميتاكاولين إلى خرسانة الخبث تُحسّن كلاً من قوة ومتانة الخرسانة. وتبلغ النسبة المثلى للخبث إلى الإسمنت حوالي 3:7، مما يُؤدي إلى قوة مثالية للخرسانة. ويُلاحظ أن فرق التقوس في الخرسانة المركبة أعلى قليلاً من فرق التقوس في خرسانة الخبث الأحادي، وذلك بسبب تأثير الرماد البركاني للميتاكاولين. كما أن مقاومة الشد الانشطاري فيها أعلى من مقاومة الخرسانة المرجعية.

استخدم يانغ فنغ لينغ وآخرون (2011) كميات متساوية من الميتاكاولين والرماد المتطاير والخبث لاستبدال الأسمنت، وقاموا بخلط الميتاكاولين مع الرماد المتطاير والخبث بشكل منفصل لتحضير الخرسانة. ودُرست قابلية تشغيل الخرسانة ومقاومتها للضغط ومتانتها. أظهرت النتائج أنه عند استخدام الكاولين لاستبدال 5% إلى 25% من الأسمنت بكميات متساوية، تحسنت مقاومة الخرسانة للضغط في جميع مراحل عمرها. وعند استخدام الكاولين بكميات متساوية لاستبدال 20% من الأسمنت، كانت مقاومة الضغط مثالية في كل مرحلة عمرية. وكانت المقاومة في الأيام 3 و7 و28 أعلى بنسبة 26.0% و14.3% و8.9% على التوالي من مقاومة الخرسانة غير المضاف إليها الكاولين. يشير هذا إلى أن إضافة الميتاكاولين إلى أسمنت بورتلاند من النوع الثاني تُحسّن من مقاومة الخرسانة المُحضّرة.

استخدم تشانغ تشنغبو وآخرون (2012) خبث الصلب والميتاكاولين ومواد أخرى كمواد خام رئيسية لتحضير أسمنت الجيوبوليمر كبديل لأسمنت بورتلاند التقليدي، محققين بذلك هدف ترشيد الطاقة، وخفض الاستهلاك، وتحويل النفايات إلى مورد قيّم. وأظهرت النتائج أنه عندما بلغت نسبة كل من الصلب والرماد المتطاير 20%، وصلت قوة عينة الاختبار بعد 28 يومًا إلى مستوى عالٍ جدًا (95.5 ميجا باسكال). كما لوحظ أن زيادة كمية خبث الصلب المضافة تساهم في تقليل انكماش أسمنت الجيوبوليمر.

اعتمد تشن غوكان (2010) المنهج التقني المتمثل في "الأسمنت البورتلاندي + مادة مضافة معدنية نشطة + عامل مخفض للماء عالي الكفاءة"، وتقنية الخرسانة المائية الممغنطة، وعملية التحضير التقليدية، وأجرى تجارب تحضيرية على خرسانة خبث الحجر منخفضة الكربون وعالية المقاومة باستخدام مواد خام محلية المصدر مثل الأحجار والخبث. تشير النتائج إلى أن الجرعة المناسبة من الميتاكاولين هي 10%. تبلغ نسبة كتلة الأسمنت إلى قوته لكل وحدة كتلة من خرسانة خبث الحجر عالية المقاومة حوالي 4.17 ضعفًا مقارنةً بالخرسانة العادية، و2.49 ضعفًا مقارنةً بالخرسانة عالية المقاومة، و2.02 ضعفًا مقارنةً بخرسانة المساحيق التفاعلية. لذلك، تُعد خرسانة خبث الحجر عالية المقاومة المُحضّرة بجرعات منخفضة من الأسمنت اتجاهًا واعدًا لتطوير الخرسانة في عصر الاقتصاد منخفض الكربون.

(3) بعد إضافة الكاولين المقاوم للصقيع إلى الخرسانة، يقل حجم مسامها بشكل كبير، مما يُحسّن مقاومتها لدورات التجميد والذوبان. وقد وجد فنغ ناي تشيان (2002) أنه بعد عدد معين من دورات التجميد والذوبان، يكون معامل المرونة لعينة الخرسانة التي تحتوي على 15% من الكاولين عند عمر 28 يومًا أعلى بكثير من معامل المرونة للخرسانة المرجعية عند نفس العمر. ويمكن لتطبيق الميتاكاولين ومساحيق المعادن فائقة النعومة الأخرى في الخرسانة أن يُحسّن بشكل كبير من متانتها.