บทบาทของเมตาคาโอลินในคอนกรีต

(1) การเพิ่มความแข็งแรงของปูนซีเมนต์เหลวและปูนฉาบ ความแข็งแรงสูงเป็นตัวบ่งชี้หนึ่งของคอนกรีตประสิทธิภาพสูง วัตถุประสงค์หลักประการหนึ่งของการเติมเมตาคาโอลินคือการเพิ่มความแข็งแรงของปูนซีเมนต์เหลวและคอนกรีต

Poon et al. (2001) ได้ทำการทดสอบกำลังรับแรงอัดของสารละลายซีเมนต์ที่มีอัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ 0.3 ซึ่งเตรียมโดยการแทนที่ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ด้วยดินขาวและผงซิลิกาในปริมาณ 0-20% (โดยมวล) ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่ากำลังรับแรงอัดของสารละลายซีเมนต์ที่มีดินขาว 5% ถึง 20% สูงกว่าซีเมนต์อ้างอิงในทุกช่วงอายุ โดยซีเมนต์ที่มีดินขาว 10% แสดงกำลังเพิ่มขึ้น 20% ที่ 28 และ 90 วัน เมื่อเทียบกับซีเมนต์อ้างอิง ซีเมนต์ที่มีผงซิลิกา 5% ถึง 10% ก็แสดงกำลังเพิ่มขึ้น 20% ที่ 28 และ 90 วัน เมื่อเทียบกับซีเมนต์อ้างอิงเช่นกัน กำลังที่ 28 และ 90 วันของซีเมนต์ชนิดนี้เทียบเท่ากับซีเมนต์ดินขาว แต่กำลังในช่วงแรกต่ำกว่าซีเมนต์มาตรฐาน การวิเคราะห์ชี้ให้เห็นว่าอาจเกี่ยวข้องกับการจับตัวเป็นก้อนอย่างรุนแรงของผงซิลิกาที่ใช้และการกระจายตัวที่ไม่เพียงพอในสารละลายซีเมนต์

(2) Li Keliang และคณะ (2005) ศึกษาผลของอุณหภูมิการเผา เวลาการเผา และปริมาณ SiO2 และ A12O3 ในดินขาวต่อกิจกรรมของเมตาคาโอลินในการปรับปรุงความแข็งแรงของคอนกรีตซีเมนต์ โดยได้เตรียมคอนกรีตกำลังสูงและพอลิเมอร์ดินโดยใช้เมตาคาโอลิน ผลการศึกษาพบว่า เมื่อปริมาณคาโอลิน 15% และอัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ 0.4 กำลังอัดที่ 28 วันจะอยู่ที่ 71.9 MPa และเมื่อปริมาณคาโอลิน 10% และอัตราส่วนน้ำต่อซีเมนต์ 0.375 กำลังอัดที่ 28 วันจะอยู่ที่ 73.9 MPa นอกจากนี้ เมื่อปริมาณเมตาคาโอลิน 10% ดัชนีกิจกรรมจะสูงถึง 114 ซึ่งสูงกว่าผงซิลิคอนในปริมาณเท่ากันถึง 11.8% ดังนั้นจึงเชื่อว่าเมตาคาโอลินสามารถนำมาใช้ในการเตรียมคอนกรีตกำลังสูงได้

Qian Xiaoqian และคณะ (2001) ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นและความเครียดตามแนวแกนของคอนกรีตที่มีปริมาณดินขาว 0, 0.5%, 10% และ 15% พบว่าเมื่อปริมาณดินขาวเพิ่มขึ้น ความเครียดสูงสุดของความแข็งแรงดึงตามแนวแกนของคอนกรีตเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่โมดูลัสความยืดหยุ่นในการดึงยังคงไม่เปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม ความแข็งแรงในการรับแรงอัดของคอนกรีตเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และอัตราส่วนความแข็งแรงในการรับแรงอัดลดลงตามไปด้วย เมื่อปริมาณดินขาวอยู่ที่ 15% ความแข็งแรงดึงและความแข็งแรงในการรับแรงอัดของคอนกรีตจะอยู่ที่ 128% และ 184% ของคอนกรีตอ้างอิงตามลำดับ

Cao Zhengliang และคณะ (2004) พบในการศึกษาเกี่ยวกับการเสริมความแข็งแรงของคอนกรีตด้วยผงเมตาคาโอลินละเอียดพิเศษว่า ภายใต้สภาวะความเหลวเดียวกัน ปูนที่ผสมเมตาคาโอลิน 10% จะเพิ่มความแข็งแรงในการรับแรงอัดและแรงดัดขึ้น 6% ถึง 8% หลังจาก 28 วัน การพัฒนาความแข็งแรงในช่วงแรกของคอนกรีตที่ผสมเมตาคาโอลินนั้นเร็วกว่าคอนกรีตมาตรฐานอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเปรียบเทียบกับคอนกรีตมาตรฐาน คอนกรีตที่ผสมเมตาคาโอลิน 15% มีความแข็งแรงในการรับแรงอัดตามแนวแกน 3 มิติเพิ่มขึ้น 84% และความแข็งแรงในการรับแรงอัดตามแนวแกน 28 วันเพิ่มขึ้น 80% ในขณะที่โมดูลัสความยืดหยุ่นสถิตเพิ่มขึ้น 9% ใน 3 มิติ และเพิ่มขึ้น 8% ใน 28 วัน

Huang Zhan และคณะ (2008) ศึกษาผลของอัตราส่วนการผสมที่แตกต่างกันของเมตาคาโอลินและสแลกต่อความแข็งแรงและความทนทานของคอนกรีต ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าการเติมเมตาคาโอลินลงในคอนกรีตสแลกช่วยปรับปรุงทั้งความแข็งแรงและความทนทานของคอนกรีต อัตราส่วนที่เหมาะสมของสแลกต่อซีเมนต์อยู่ที่ประมาณ 3:7 ซึ่งส่งผลให้ได้ความแข็งแรงของคอนกรีตที่เหมาะสม ความแตกต่างของส่วนโค้งของคอนกรีตผสมนั้นสูงกว่าคอนกรีตสแลกเดี่ยวเล็กน้อย เนื่องจากผลของเถ้าภูเขาไฟในเมตาคาโอลิน ความแข็งแรงดึงแบบแยกส่วนของคอนกรีตผสมนั้นสูงกว่าคอนกรีตมาตรฐาน

หยาง เฟิงหลิง และคณะ (2011) ใช้เมตาคาโอลิน เถ้าลอย และตะกรันในปริมาณเท่ากันเพื่อทดแทนซีเมนต์ และผสมเมตาคาโอลินกับเถ้าลอยและตะกรันแยกกันเพื่อเตรียมคอนกรีต ศึกษาคุณสมบัติการทำงาน ความแข็งแรงรับแรงอัด และความทนทานของคอนกรีต ผลการศึกษาพบว่า เมื่อใช้คาโอลินทดแทนซีเมนต์ในปริมาณเท่ากัน 5% ถึง 25% ความแข็งแรงรับแรงอัดของคอนกรีตในทุกช่วงอายุจะดีขึ้น เมื่อใช้คาโอลินในปริมาณเท่ากันเพื่อทดแทนซีเมนต์ 20% ความแข็งแรงรับแรงอัดในแต่ละช่วงอายุจะอยู่ในระดับที่เหมาะสม ความแข็งแรงที่ 3 วัน 7 วัน และ 28 วัน สูงกว่าคอนกรีตที่ไม่ได้เติมคาโอลิน 26.0%, 14.3% และ 8.9% ตามลำดับ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสำหรับซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ชนิดที่ 2 การเติมเมตาคาโอลินสามารถปรับปรุงความแข็งแรงของคอนกรีตที่เตรียมได้

Zhang Chengbo และคณะ (2012) ใช้ตะกรันเหล็ก เมตาคาโอลิน และวัสดุอื่นๆ เป็นวัตถุดิบหลักในการเตรียมซีเมนต์จีโอโพลิเมอร์เพื่อทดแทนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์แบบดั้งเดิม โดยมีเป้าหมายในการประหยัดพลังงาน ลดการบริโภค และเปลี่ยนของเสียให้เป็นสิ่งที่มีค่า ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า เมื่อปริมาณเหล็กและเถ้าลอยอยู่ที่ 20% ทั้งคู่ ความแข็งแรงของบล็อกทดสอบที่ 28 วันจะสูงมาก (95.5 MPa) นอกจากนี้ การเพิ่มปริมาณตะกรันเหล็กยังสามารถช่วยลดการหดตัวของซีเมนต์จีโอโพลิเมอร์ได้อีกด้วย

เฉิน กัวคาน (2010) ได้นำวิธีการทางเทคนิค “ปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์ + สารเติมแต่งแร่ธาตุ + สารลดน้ำประสิทธิภาพสูง” เทคโนโลยีคอนกรีตน้ำแม่เหล็ก และกระบวนการเตรียมแบบดั้งเดิม มาใช้ในการทดลองเตรียมคอนกรีตหินตะกรันความแข็งแรงสูงพิเศษคาร์บอนต่ำ โดยใช้วัตถุดิบที่หาได้ในท้องถิ่น เช่น หินและตะกรัน ผลการทดลองระบุว่าปริมาณเมตาคาโอลินที่เหมาะสมคือ 10% อัตราส่วนมวลต่อความแข็งแรงของส่วนประกอบซีเมนต์ต่อหน่วยมวลของคอนกรีตหินตะกรันความแข็งแรงสูงพิเศษนั้นสูงกว่าคอนกรีตธรรมดาประมาณ 4.17 เท่า สูงกว่าคอนกรีตความแข็งแรงสูง (HSC) ประมาณ 2.49 เท่า และสูงกว่าคอนกรีตผงปฏิกิริยา (RPC) ประมาณ 2.02 เท่า ดังนั้น คอนกรีตหินตะกรันความแข็งแรงสูงพิเศษที่เตรียมด้วยปริมาณซีเมนต์ต่ำจึงเป็นทิศทางการพัฒนาคอนกรีตในยุคเศรษฐกิจคาร์บอนต่ำ

(3) หลังจากเติมคาโอลินที่มีคุณสมบัติทนต่อการแข็งตัวลงในคอนกรีต ขนาดรูพรุนของคอนกรีตจะลดลงอย่างมาก ทำให้คอนกรีตทนต่อวัฏจักรการแข็งตัวและการละลายได้ดีขึ้น เฟิง ไน่เฉียน (2002) พบว่าภายใต้จำนวนวัฏจักรการแข็งตัวและการละลายที่กำหนด ค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นของตัวอย่างคอนกรีตที่มีปริมาณคาโอลิน 15% เมื่ออายุ 28 วันจะสูงกว่าคอนกรีตอ้างอิงเมื่ออายุ 28 วันอย่างมีนัยสำคัญ การประยุกต์ใช้เมตาคาโอลินและผงละเอียดพิเศษแร่ธาตุอื่นๆ ในคอนกรีตสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพความทนทานของคอนกรีตได้อย่างมาก