Basic HTML Version
17
Keramický zpravodaj 28 (2) (2012)
(4)
V zjednodušenej forme teplotný rozklad kaolinitu na meta-
kaolinit možno vyjadriť nasledovne:
Al
2
O
3
.2SiO
2
.2H
2
O Al
2
O
3
.2SiO
2
+ 2H
2
O
Pri teplote nad 400 °C začína dehydroxylácia kaolinitu (t.j.
strata konštitučnej vody), čo je výrazne endotermická re-
akcia sprevádzaná náhlym úbytkom hmotnosti. Teplotné
rozpätie efektívnej kalcinácie kaolínu pri príprave metaka-
olínu je ca 650-800 °C, pričom optimum kalcinačnej tep-
loty je 700 °C. Vzniknutý (re)aktíny metakaolín obsahuje
SiO
2
a Al
2
O
3
v aktívnej forme. Pokiaľ prebieha kalcinácia
pod uvedenými teplotami, vzniká menej aktívny metakaolín
s možným obsahom určitého množstva zvyšného kaolinitu.
V takomto prípade sa hovorí o nedostatočnom výpale kao-
línu, resp. neefektívnej príprave metakaolínu. Pri vysokých
teplotách, najmä nad 850 °C, prebiehajú zložité fázové pre-
meny, rekryštalizáciou vedúce k vzniku spinelovej a mullito-
vej fázy [11].
Faktory, ktoré ovplyvňujú tvorbu metakaolinitu (rovnica (3))
sú najmä tieto: veľkosť častíc kaolinitu, dokonalosť jeho
kryštálovej štruktúry (tzv. kryštalicita), zastúpenie doprevá-
dzajúcich minerálov ako sľuda, kremeň, živce, ako aj rých-
losť a podmienky zahrievania. Vzniknutý metakaolinit je
v zásade amorfnou fázou a ponecháva si dvojvrstvú štruk-
túru a tvar pôvodného kryštálu kaolinitu [5].
Z hľadiska názvoslovia – v súvislosti s prítomnosťou kaolínu
na Slovensku – je exaktnejšie hovoriť po kalcinácii tejto su-
roviny o vzniku vypálených kaolínových pieskov s aktívnym
metakaolinitom. Preverovanie optimálnosti podmienok na
efektívnu kalcináciu vyselektovalo tieto parametre: rýchlosť
ohrevu: 10 °C/min; kalcinačná teplota: 650 °C – 1 hod udr-
žiavanie; rýchlosť chladenia: 10 °C/min.
Význam metakaolínu
Vplyv metakaolínu na vlastnosti cementových kompozitov
je vo všeobecnosti priaznivý [12]. Z hľadiska mechanizmu
pôsobenia sú významné najmä puzolánové vlastnosti.
Puzolánová aktivita je často vyššia ako aktivita iných „kla-
sicky“ používaných puzolánov (kremičitý úlet, popolček
atď.). Vďaka puzolánovým vlastnostiammetakaolínu dochá-
dza pri hydratácii k reakcii jeho aktívnych zložiek s Ca(OH)
2
– portlanditom, ktorý vzniká pri hydratácii cementu. Takto
sa vytvárajú spojivové fázy typu CSH gélu, C
4
AH
13
, C
3
AH
6
a C
2
ASH
8
[13, 14]. Cementové kompozity s metakaolínom
sa vyznačujú vyššími, najmä počiatočnými pevnosťami,
kvalitnejšou pórovou štruktúrou ako aj kvalitnými trvanli-
vostnými vlastnosťami. Výhodou je, že častice metakaolínu
sú takmer 10× menšie ako častice cementu, čo má za ná-
sledok aj možnosť produkcie napr. betónov s takým kvalit-
ným fázovým zložením, že sú schopné odolávať pôsobeniu
vonkajšej agresivity. Pritom sa znižuje priepustnosť, čo je
vhodné pri ataku kvapalného i plynného prostredia [15, 16].
Metakaolín sa v súčasnosti veľmi často používa ako par-
ciálna náhrada cementu v betónoch. Jeho aplikáciou do-
chádza k úspore Portlandského cementu, ktorého výroba
je energeticky (napr. vysoká teplota výpalu) i ekologicky
(najmä emisie CO
2
do ovzdušia) náročná [17]. Ako príklad
sú na obr. 4 dokumentované 90-dňové pevnosti v tlaku ce-
mentových zmesí s vypáleným kaolínovým pieskom (ako
čiastočnou náhradou Portlandského cementu) v porovnaní
teplota
s pevnosťami zmesí s iným puzolánom – zeolitom a s po-
rovnávacou vzorkou bez akéhokoľvek prídavku puzolánu.
Príslušné obsahy metakaolinitu v jednotlivých zatvrdnutých
cementových zmesiach – podľa náhrady Portlandského ce-
mentu vypáleným kaolínovým pieskom a zodpovedajúceho
obsahu kaolinitu v kaolínovom piesku – prehľadne ukazuje
tab. 3. Použili sa cementové zmesi s náhradou cementu
vypáleným kaolínovým pieskom zodpovedajúcou 20, 30
a 40 hm. % pri vodnom súčiniteli (v/c) = 0,5. Ako príklad
sú na obr. 4 dokumentované 90-dňové pevnosti v tlaku ce-
mentových zmesí s vypáleným kaolínovým pieskom (ako
čiastočnou náhradou Portlandského cementu) v porovnaní
s pevnosťami zmesí s iným puzolánom – zeolitom (frakcia
0,063 mm) a s porovnávacou vzorkou bez akéhokoľvek prí-
davku puzolánu. Výsledky ukázali najpriaznivejšie hodnoty
pevností v tlaku u zmesí s kaolínovým pieskom silikátového
typu najjemnejšej frakcie (BKS1 – 0.036 mm) nezávisle od
stupňa náhrady Portlandského cementu. Zmesi s kaolíno-
vým pieskom toho istého, t.j. silikátového typu, ale s hrub-
šou frakciou (BKS1 – 0.063 mm) prejavili o niečo nižšie
pevnosti. Potvrdil sa tak vplyv jemnosti na pevnosť v tlaku.
Z hľadiska pevností všeobecne možno uzavrieť, že vypálený
kaolínový piesok sa ukazuje byť rovnako vhodný pre zme-
sové systémy s Portlandským cementom ako iný význam-
ný, často používaný puzolán – zeolit [18, 19].
Závěr
Technologické riešenia založené na zhodnocovaní sta-
vebných konštrukcií takými materiálmi, ktorých prínosom
budú v konečnom dôsledku ich kvalitatívne vysoké úžit-
kové vlastnosti, sa v súčasnosti stávajú stále väčšou prio-
ritou. V neposlednej miere nevyhnutnou súčasťou takejto
koncepcie je potrebná snaha čo najviac sa vyhnúť, či eli-
minovať energetickú i environmentálnu záťaž. Táto je v sta-
vebníctve typická najmä pre produkciu Portlandského ce-
mentu. V tejto situácii využívanie kaolínových pieskov – po
ich transformácii na materiál s vysoko účinným metakaoli-
nitom – ako puzolánovej prísady, resp. parciálnej náhrady
vysokoenergetického a „neekologického“ Portlandského
cementu, treba považovať za modelový príklad využívania
nerúd inováciou. Takéto riešenie je umožnené prítomnosťou
kaolínových pieskov v silikátovej zóne Slovenskej repub-
liky. Táto skutočnosť je podnetom pre čo najefektívnejšie
využitie existujúcich materiálov. Výskum v tejto oblasti – po
konečnom zhodnotení účinnosti pôsobenia vypálených ka-
olínových pieskov v cementových kompozitoch – vytvára
predpoklady dosiahnuť ekonomické benefity. Uvedený prí-
stup môže prispieť k rozšíreniu sortimentu v súčasnosti tak
preferovaných zmesových cementov aj na Slovensku.
Tento príspevok bol vypracovaný v rámci projektu VEGA
č. 2/0064/12 (ÚSTARCH SAV)
Literatúra
[1] Baláž P.: Nerudné suroviny Slovenska, Zborník z me-
dzinárodnej konferencie Eurosilikát 2004, Lučenec
(2004) 4-15
[2] Kraus I.: Návrh na kategorizáciu nerudných surovín
Slovenskej republiky vrátane netradičných so zame-
raním na výskum ich efektívnejšieho využitia, Súčasné
trendy a problémy vo výskume nerudných nerastných