Basic HTML Version
15
Keramický zpravodaj 28 (3) (2012)
Teplotne premenený kaolín – metakaolín
V prípade, že na kaolín sa pôsobí vysokými teplotami, vzni-
kajú produkty významnej dôležitosti. Tieto sú známe ako
„vypálený kaolín“ alebo metakaolín s charakteristickými
teplota
(3)
kaolinit
ca 650-800 °C
metakaolinit
ca 900 °C
mullit
ca 1000-1100 °C
Al
2
Si
2
O
5
(OH)
4
Al
2
Si
2
O
7
fáza spinelového typu
Al
6
Si
2
O
13
Al
2
O
3
.2SiO
2
.2H
2
O Al
2
O
3
.2SiO
2
+ 2H
2
O
(4)
vlastnosťami. Základná minerálna fáza kaolínu – kaolinit –
podlieha pri teplotnom pôsobení reakciám, ktoré sú sche-
maticky následne uvedené [10]:
V zjednodušenej forme teplotný rozklad kaolinitu na metakaolinit možno vyjadriť nasledovne:
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 kaolí-
nu na Slovensku – je exaktnejšie hovoriť po kalcinácii tejto
suroviny o vzniku vypálených kaolínových pieskov s aktív-
nym metakaolinitom. Preverovanie optimálnosti podmienok
na efektívnu kalcináciu vyselektovalo tieto parametre: rých-
losť ohrevu: 10 °C/min; kalcinačná teplota: 650 °C – 1 hod
udržiavanie; 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 trvanlivost-
nými vlastnosťami. Výhodou je, že častice metakaolínu sú
takmer 10× menšie ako častice cementu, čo má za násle-
dok aj možnosť produkcie napr. betónov s takým kvalitným
fázovým zložením, že sú schopné odolávať pôsobeniu von-
kajšej agresivity. Pritom sa znižuje priepustnosť, čo je vhod-
né 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
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
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
1
2
3
4
100% PC
41.8
80% PC+20% Z
70% PC+30% Z
60% PC+40% Z
80% PC+20% BKS 1/63
70% PC+30% BKS 1/63
60% PC+40% BKS 1/63
80% PC+20% BKS 1/36
70% PC+30% BKS 1/36
60% PC+40% BKS 1/36
80% PC+20% BKS 2/63
70% PC+30% BKS 2/63
60% PC+40% BKS 2/63
80% PC+20% BKS 2/36
70% PC+30% BKS 2/36
60% PC+40% BKS 2/36
42.0
39.3
38.6
36.9
39.0
38.4
42.1
42.0
41.8
38.5
38.0
37.0
40.0
38.1
37.2
Obr. 4
Pevnosť v tlaku cementových zmesí s vypáleným kaolínovým pieskom
(BKS) a zeolitom (Z) ako náhradami Portlandského cementu po 90 dňoch
uloženia vo vode
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
1
2
3
4
1 0 PC
41.8
80 PC+20 Z
70 PC+30 Z
60 PC+40 Z
80 PC+20 BKS 1/63
70 PC+30 BKS 1/63
60 PC+40 BKS 1/63
80 PC+20 BKS 1/36
70 PC+30 BKS 1/36
60 PC+40 BKS 1/36
80 PC+20 BKS 2/63
70 PC+30 BKS 2/63
60 PC+40 BKS 2/63
80 PC+20 BKS 2/36
70 PC+30 BKS 2/36
60 PC+40 BKS 2/36
42.0
39.3
38.6
36.9
39.0
38.4
42.1
42.0
41.8
38.5
38.0
37.0
40.0
38.1
37.2
br. 4
Pevnosť v tlaku cementových z esí s vypáleným kaolínový piesko
(BKS) a zeolitom (Z) ako náhradami Portlandského cementu po 90 dňoch
uloženia vo vode
Obr. 4
Pevnosť v tlaku cementových zmesí s vypáleným
kaolínovým pies m (BKS) a zeolitom (Z) ako náhradami
Portlandského cementu po 90 dňoch uloženia vo vode
Pevnosť v tlaku [MPa]