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Metakaolin ist ein dehydroxyliert Form des Tonminerals Kaolinit. Metakaolin wird durch Erhitzen von kaolinitreichen Lagerstätten hergestellt und wird hauptsächlich als puzzolanisch Additiv bei Portland-Zement. Der teilweise Ersatz von Portlandzement durch Metakaolin kann die Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Betons verbessern.

Rohes Material

Die Qualität und Reaktivität von Metakaolin hängt stark von den Eigenschaften der verwendeten kaolinitreichen Rohstoffe ab. Metakaolin kann aus verschiedenen Primär- und Sekundärrohstoffen hergestellt werden:

• Hochwertige Kaolinvorkommen
• Niedrigere Kaolinit-Lagerstätten und tropische Böden
• Papierschlammabfälle (wenn sie Kaolinit enthalten)
• Teersandrückstände (falls Kaolinit enthaltend)

Metakaolin-Bildung

Das T-O Tonmineral Kaolinit beinhaltet nicht Kationen oder Wasser zwischen den Alumosilikatplatten. Die Temperatur, bei der die Dehydroxylierung (Abspaltung von Hydroxylgruppen) stattfindet, hängt von der Temperatur ab Stapelreihenfolge der T-O-Blätter. Ungeordneter Kaolinit-Dehydroxylat zwischen 530 und 570 °C, geordneter Kaolinit zwischen 570 und 630 °C. Dehydroxylierter ungeordneter Kaolinit zeigt einen höheren puzzolanische Reaktivität dann bestellt. Die Dehydroxylierung von Kaolinit zu Metakaolin ist ein endothermisch Prozess wegen der erheblichen Energiemenge, die für die Spaltung der chemisch gebundenen Hydroxylionen benötigt wird. Oberhalb der Dehydroxylierungstemperatur wandelt sich Kaolinit in Metakaolin um, eine komplexe amorphe Struktur, die eine mehr oder weniger geschichtete Struktur ähnlich der Vorstufe Kaolinit beibehält. Während der Umwandlung wird der größte Teil des Aluminiums aus der oktaedrischen Kaolinitschicht in tetra- und pentaedrischer Koordination in Aluminium umgewandelt. Um ein gutes puzzolanisches Material herzustellen, muss eine nahezu vollständige Dehydroxylierung erreicht werden, ohne dass das Material überhitzt und in nicht reaktive kristalline Phasen wie z Mullit oder Cristobalit. Die optimalen Aktivierungstemperaturen variieren je nach Dauer der Erwärmung zwischen 550 und 850 °C. Üblicherweise werden Temperaturen zwischen 650 und 750 °C verwendet.
Im Vergleich zu anderen Tonmineralien weist Kaolinit ein breites Temperaturintervall zwischen Dehydroxylierung und Rekristallisation auf, was die Bildung von Metakaolin beim Erhitzen stark erleichtert. Auch der Oktaederschicht bei Kaolinit direkt exponiert und damit strukturelle Unordnung in dieser Schicht und damit Aktivierung wird beim Erhitzen leichter erreicht.

Anwendung in Beton

Metakaolin ist aufgrund seiner thermisch aktivierten amorphen Struktur und seiner hohen Feinheit und spezifischen Oberfläche ein hochreaktives Puzzolan. Die Zugabe von Metakaolin zum Zement verbessert die Eigenschaften des Betons durch Beschleunigung der Zementhydratation und eine Verdichtung des Zementgefüges um jeweils die 'Fülleffekt' und der puzzolanische Reaktion. Die damit verbundenen Vorteile für den Beton sind eine erhöhte Druck- und Zugfestigkeit, eine stark reduzierte Durchlässigkeit und eine verbesserte Beständigkeit gegen chemischen Angriff durch aggressive Lösungen, die Chloride (z.B. Streusalz) oder Sulfate. Darüber hinaus besteht das Risiko von Alkaligranulatreaktionen stark eingeschränkt.