در صنعت ساختمان سازی، بتن جزء عناصر اصلی و یکی از پرکاربردترین ماده در ساختمان سازی به حساب می آید. در هنگام قالب گیری برای ایجاد تراکم و دوام، بتن معمولی را متراکم می کنند و اگر این فرآیند به خوبی انجام نشود و نامناسب باشد، بتنی ضعیف و با کیفیت پایین حاصل می شود که درونش دارای حفره هایی است. در دهه های اخیر مطالعات و اقدامات زیادی برای بهبود کیفیت بتن انجام گرفته است. یکی از موادی که برای بهبود خصوصیات بتن استفاده می شود متاکائولین می باشد. در این مقاله به معرفی متاکائولین، تولید متاکائولین، نقش متاکائولین در افزایش مقاومت بتن، کاربردها، مزایای متاکائولین و غیره خواهیم پرداخت پس با ما در ادامه این مطلب همراه باشید.
در واقع متاکائولین یک سیلیکات آلومینیوم بوده که بدون شکل است، حالت بلوری ندارد و اصطلاحاً به آن آمورف گفته می شود و رنگ سفیدی دارد. این ماده واکنش پذیری خیلی بالایی با هیدروکسید کلسیم دارد و بعد از واکنش دادن ترکیبی سیمانی شکل و چسبنده ایجاد می کند. متاکائولین جزء پوزولان های فعال به حساب می آید که می تواند به عنوان جایگزین برای بخشی از سیمان و به عنوان جزء اصلی در بتن عمل کند و باعث بهبود خواص بتن شود.
نام کائولین، مشتق شده از واژه ای چینی به معنی تپه بلند است. سیلیس SiO2 و آلومین Al2O3 عناصری هستند که در کائولین بیشترین حجم را دارند و بالاتر از 70 درصد از جرم آن را تشکیل می دهند. در واقع این دو عنصر، اجزای اصلی تشکیل دهنده رس هستند. به خاک کائولین، خاک چینی نیز گفته می شود. کائولین به خودی خود به صورت فعال نیست و نمی تواند به عنوان یک ماده پوزولان ایفای نقش کند. کائولینیت، از لحاظ ساختاری، از صفحات چهار وجهی سیلیس و صفحات هشت وجهی آلومین ساخته شده است که هر کدام از این صفحات به صورت یک در میان قرار دارند. این ماده در دمای معمولی حالت بلوری و کریستاله پایدار دارد که با هیدوکسید کلسیم وارد واکنش نمی شود و تشکیل مواد سیمانی نمی دهد. ولی طی فرآیند گرمادهی و تحت عملیات حرارتی دچار واکنش شده و به یک ماده که پایدار است تبدیل می شود که متاکائولین نام دارد.
نام دیگر متاکائولین، رس “کلسینه شده” می باشد. کائولینیت ( با ترکیب شیمیایی Al2O3,2SiO2,2H2O ) طی یک فرآیند شیمیایی که تکلیس یا همان کلسینه شدن نام دارد از یک ماده غیرفعال به ماده پوزولان فعال تبدیل می شود. کائولینیت را برای تبدیل شدن به متاکائولین تا دمای مشخصی حرارت می دهند. دمای تکلیسی که حالت فعال را به وجود می آورد معمولاً بین ۸۰۰-۶۰۰ درجه سانتی گراد است که طی این مرحله آب کائولینیت بیرون رانده شده و سیلیکات آلومینیومی که آمورف و بی شکل است باقی می ماند که همان متاکائولین نام دارد. متناسب با ویژگی های مختلف در کائولینیت مانند درجه تبلور و اندازه ذرات، دمای مورد نیاز می تواند متغیر باشد.
اگر کائولینیت کمتر از حد معمول حرارت ببیند، تبدیل فاز معدنی آمورفوس به خوبی صورت نمی گیرد و نتیجه آن ماده ای می شود که به خوبی و به اندازه کافی پوزولانی نیست. حال اگر کائولینیت بیشتر از حد معمول حرارت ببیند و بیشتر از حد پخته شود، کلوخه شده و به موادی غیر پوزولانی و غیر واکنشی تبدیل می شود. پس تنظیم درجه حرارت و مدت حرارت دهی در فرآیند تبدیل ماده غیر فعال کائولین یا کائولینیت به ماده فعال و پوزولان متاکائولین، بسیار حساس است و نیاز به نیروی کار ماهر دارد. این حساسیت به حدی است که به فرآیند تولید متاکائولین و به ماده حاصل از آن، پوزولان مهندسی شده نیز گفته می شود. نکته جالب توجه این است که خرد کردن و ریزتر کردن متاکائولین، واکنش پذیری آن را تغییر می دهد و همچنین میزان درجه خلوص متاکائولین به کار رفته، بر واکنش پذیری و همچنین رنگ آن اثر می گذارد.
از متاکائولین می توان هم به صورت جداگانه و هم به صورت کامپوزیت استفاده کرد. از این ماده به طور گسترده در سکوهای نفتی، ساختمان سازی، صنعت هوافضا، صنعت خودروسازی، معدن، تکنولوژی زیستی و غیره استفاده می شود. وقتی متاکائولین با سیمان در تولید بتن ترکیب شود، واکنش هایی اتفاق می افتد که دارای مزایایی است از جمله مزایای ترکیب متاکائولین در بتن که می توان به موارد زیر اشاره کرد:
در ترکیب بتن، وقتی به جای بخشی از سیمان، متاکائولین اضافه می کنیم، نتیجه حاصله بتنی با مقاومت فشاری بتن ۱۱۰ مگاپاسکال بالاتر، تولید می شود. بتنی که به دست می آید از نظر افزایش مقاومت در برابر دوره های یخ زدن و آب شدن، افزایش مقاومت در برابر نفوذ یون کلرید و انقباض خشک شدگی و غیره، با بتن تولید شده با دوده سیلیسی برابری می کند. در طی دهه های اخیر، طبق نتایج مطالعات گسترده ای که روی اثرات مواد مختلف از جمله نقش متاکائولین در افزایش مقاومت بتن انجام شده است، یافته هایی به دست آمده است که در اینجا به آن ها اشاره می کنیم:
از اواسط دهه 90 میلادی استفاده از متاکائولین در صنعت راه و ساختمان راه یافت. این ماده از کلسینه شدن کائولین تحت دمای خیلی بالا به دست می آید. حرارت باعث خروج آب از کائولین می شود و ساختار بلوری کائولین را تخریب کرده و محصولی بی شکل و آمورف حاصل می شود. امروزه بتن های پر مقاومت در صنعت ساخت و ساز حرفی برای گفتن دارند. عدم استفاده از این بتن ها و عدم دقت در کیفیت آن ها، باعث مشکلات متعددی از جمله خورده شدن، تخریب زودرس و کاهش شديد عمر مفيد ساختمان می شود. در محیط های خورنده (نظير سواحل خلیج فارس)، استفاده از متاکائولین که گاهی اوقات حتی خواصی برتر از استفاده از ذرات میکرو سیلیس دارد، به شدت توصیه می شود.