metakaolin ecs final

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RAW KAOLINITE KAOLIN CALCINED amorphous aluminium silicate

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RAW  KAOLINITE  

KAOLIN CALCINED  

amorphous  aluminium  silicate

content  

1.  introduc7on  2.  produc7on  3.  rheology    4.  Chapelle  test  5.  advantages  6.  Calcium-­‐sulpho  aluminate  cement  7.  geo  polymer  8.  conclusion        

1.   introduc+on  2.  produc7on  3.  rheology    4.  Chapelle  test  5.  Advantages  6.  Calcium-­‐sulpho  aluminate  cement  7.  geo  polymer  8.  conclusion        

KAOLINITE  aluminium  silicate  

Al2O3  (SiO2)2  (H2O)2    

amorphous  aluminum  silicate   �

600° - 800° C.�

dehydroxyla7on  breaks  the  crystaline  laQce  

         (temperature  depends  on  purity  of  kaolinite)  

Al2O3(SiO2)2(H2O)x+(2-­‐x)H2O  high  reac7ve  pozzolan  

(temperatures  >900°  C.  recrystalliza7on  forming  mullite  with  no  pozzolanic  effect)  

Al  O  

SiO  

OH  

de  hydroxyla7on  breaks  the  crystaline  laQce      

dehydroxyla7on  

Al2O3  ×  2SiO2  +  Ca(OH)  2  +  H2O  

a  chemical  reac7on  of  calcium  hydroxide  with  amorphous  siliceous  material  forming  calcium  silicate  hydrates    

pozzolanic  reac7on  

ac7ve  alumina  is  soluble  in  basic  environment  ,  pH>  11  (cemen77ous  matrix  )  forms  stable  hydrates;          

•     C4AH13    •     C3AH6    (hydrogarnet)    •     C2ASH8    (strätlingite)  •     C-­‐S-­‐H  (calcium  silicate  hydrate)    

   

metakaolin  reac7on  in  cement          

Pozzolanic  reac7on  in  a  cement  mix  depends  on:      •  rate  of  addi7on  •  dissolu7on  of  alite  and  belite  phases  •  temperature    •  water  ra7o    Two  main  stages  of  reac7on;    •  0-­‐14  days  80%  of  pozzolanic  reac7on  takes  place    

   dissolu7on  alite  (C3S)    •  14-­‐28  days    comple7on  of  reac7on  

   dissolu7on  belite  (C2S)  

Portlandcement  blend  

When  Portlandcement  hydrates  it  forms  Portlandite  (Ca(OH)2)  (phase  3  and  4)  and  Ca2+  released  by  alite  (C3S)  and  belite  (C2S)  (phase  2  and  3)    Amorphous  Metakaolin  reacts  with  OH-­‐and  Ca2+  ions  forming    C-­‐S-­‐H    calcium  silicate  hydrates-­‐reducing  the  amount  of  free  lime.    main  effects:        

•  binds  calcium    •  accelerate  hydra7on  of  silicates  •  addi7onal  calcium  silicate  hydrates  •  reduced  pH  •  dense  matrix  

1.  cement  minerals   2.  metakaoline  fills  pores  d50  =  10  μ  

3.  Forma7on  of  new  hydrates    AL2O3  ×  2SiO2  +  Ca(OH)  2  +  H2O  →  CSH,  C4AH13,  C3AH6,  C2ASH8  

4.  closed  structure  improving  physical,  mechanical  and  chemical  performance  

1.  introduc7on  2.   produc+on  3.  rheology    4.  Chapelle  test  5.  advantages  6.  Calcium-­‐sulpho  aluminate  cement  7.  geo  polymer  8.  conclusion        

rotary  kiln  calcina7on  flash  calcina7on  

raw  kaolinite  finely  ground  +  

flash  calcina7on    (few  seconds  ~670°C)  

core  grinding  /  pelle7zing    rotary  kiln  calcina7on  

(2/5h  ~750°C)  +  

 ground  

plate  structure  round  shaped  

different  morphology  

different  way  of  calcina7on  

CYCLONE  

GRINDING  

   PRE-­‐HEATING  

BURNING  ZONE  

COOLING  ZONE  

CYCLONE  

GRINDING  

RAW    FEED  

   STORAGE  

FLASH  CALCINATION  

average  composi7on  

Al203        40~45  %  SiO2        30~55  %    small  amount  of  quarz  ,  feldspath  oxides:-­‐  iron  ,7tanium  ,potassium  ,phosphore  ,sodium  ,calcium  ,magnesia    LOI        <  2  %  Par7cle  size      <  45  μm  average  par7cle  size    5  μm    Blaine        >  12,000  gm2/g    large  surface  area  allows    density        2,6    shelf  live        indefini7ve    colour        pink  -­‐  white      

FLASH  CALCINED  metakaoline  turns  to  round  beats  ,  versus  a  plate  structure  in  tradi7onal  produc7on  giving  beser  workability  at  lower  water  ra7o.  

                 1  μm                                                                    0,5    μm                                                                                

                     0,5  μm                                                              0,5    μm                                                                                

kaolinite�

metakaolin �

flash  calcina+on  rotary  kiln    

1.  introduc7on  2.  produc7on  3.   rheology    4.  Chapelle  test  5.  advantages  6.  Calcium-­‐sulpho  aluminate  cement  7.  geo  polymer  8.  conclusion        

90  

100  

110  

120  

130  

140  

150  

160  

0   10   20   30  

flow  m

m  

metakaolin  %  

Flow  table  test  :  cement/sand  =  1:  3    w/c  =  0,5      

Up  to  10%  subs7tu7on  of  Portland  cement  by  regular  metakaolin  rheology  was  slightly  effected.  Addi7on  of    flash  calcined  metakaoline  allows  a  higher  addi7on      

tradi7onal  calcina7on        flash  calcina7on      

0,0  

5,0  

10,0  

15,0  

20,0  

25,0  

30,0  

0   5   10   20   30  

compressiv

e  strength    M

Pa  

metakaolin  %  

1  day    7  days    28  days  

op7mum  is  reached  at  10%  subs7tu7on  of    Portlandcement  by  tradi7onal  calcined  metakaolin  

Lower  viscosity    allows  higher  dosage  of  metakaoline  ,  improving  further  strength  development  Addi7on  of  a  plas7cizing  agent  will  improve  the  workability  and  further  increase  the  strength  

0  

5  

10  

15  

20  

25  

30  

35  compressiv

e  strength  M

Pa  

metakaoline  %  

1  day    7  days    28  days  

plas7cizing  agent  

Because  of  its  fineness  (10  7mes  finer  than  Portlandcement!)  and  its  sponge  type  character,  the  addi7on  of  metakaoline  influences  the  rheology  of  the  blend      This  increase  in  viscosity  can  be  overcome  by  adding  a  plas7cizing-­‐  /  super  plas7cizing  agent        SeQng  7me  can  off  course  be  adjusted  by  addi7on  of  retarder      

0  

10  

20  

30  

40  

50  

60  

1  day   7  days   28  days  

compressiv

e  strength  M

Pa  

7me  

reference  W/C  0,5  

poly  carboxylate  ether  0,2%  W/C  0,375  

Addi7on  of  right  super  plas7cizing  agent  strength  can  be  further  increased  (20-­‐50%)  

1.  introduc7on  2.  produc7on  3.  rheology    4.   Chapelle  test  5.  advantages  6.  Calcium-­‐sulpho  aluminate  cement  7.  geo  polymer  8.  conclusion        

     

puzzolanic  ac7vity  (Chapelle  test)  

•  pozzolanic  reac7vity  is  measured  by  mixing  1  g  metakaolin  with  2  g  CaO  in                  250  ml  of  water  

•  s7rred  and  heated  for  16  hours    

•  aver  cooling  amount  of  lev  non  reacted  lime  is    established    

•  result  is  expressed  in  mg  Ca(OH)2  bound  

•  values  lies  between  1000  and  1400  mg            

comparision  of  puzzolanic  reac7vity  (Chapelle)  

materials   average  puzzolanic  ac7vity  mg  Ca(OH)2/g  

       blast  furnace  slag   40  

       silica  fume   430  

       calcined  bauxite   535  

       paper  sludge   600  

       fly  ash   875  

       metakaoline   1300  

1.  introduc7on  2.  produc7on  3.  rheology    4.  Chapelle  test  5.   advantages  6.  Calcium-­‐sulpho  aluminate  cement  7.  geo  polymer  8.  conclusion        

advantages  

METAKAOLIN  in  combina7on  with  Portlandcement  forms  a  dense-­‐knit  structure  improving,  physical,  mechanical  and  chemical  proper7es.    •  accelera7on  of  ses  –  lime  gel  is  bounds  allowing  C3A  ,  C3S  to  dissolute  quickly  

•  pH  is  reduced  giving  more  protec7on  to  glass  fibers  (GRC)  

•  reduced  thermal  stress  slower  hardening  which  limits  shrinkage  and  cracking  

•  increase  of  elas7c  modulus  (EMR)      •  new  hydrates  formed;  calcium  silicate,  strätlingite,  and  hydrogarnet    

•  fewer  pores  and  smaller  pore  size-­‐reduc7on  of  efflorescence,  

•  lower  water  uptake  

•  less  energy  needed  versus  tradi7onal  method  

•  tight    control  on  calcina7on  

•  consistency  of  product  

•  grinding  raw  kaolinite  first  contributes  to  round  structure  of  par7cles    

•  contribu7ng  to  an  improved  workability  

•  higher  amount  cement  subs7tu7on    

•  higher  abrasive  resistance  

•  improved  opacity  

flash  calcina7on  

1.  introduc7on  2.  produc7on  3.  rheology    4.  Chapelle  test  5.  advantages  6.   Calcium-­‐Sulpho  Aluminate  cement  7.  geo  polymer  8.  conclusion        

CSA-­‐cement  

•  calcium  sulpho  aluminate  cement  relies  on  forma7on  of  ye’elimite  (C4A3Š)  it  takes  calcium  out  of  the  solu7on,  lowering  the  pH  

 •  low  pH  slows  down  the  dissolu7on  of  aluminium  silicates      •  belite  (C2S)  goes  into  solu7on  at  a  later  stage  of  hydra7on  at  this  stage  the  

pozzolan  effect  is  reduced      •  an  excess  of  calcium  hydrates  form  a  gel  /layer  on  the  pozzolan  grain  "isola7ng”  it  

to  go  solu7on  and  blocking  the  reac7on  kine7cs      when  CSA  cement  is  blended  with  Portlandcements  it  is  recommended  to  first  make  extensive  tests  to  establish  the  possible  pozzolan  effect  

1.  introduc7on  2.  produc7on  3.  rheology    4.  Chapelle  test  5.  advantages  6.  Calcium-­‐sulpho  aluminate  cement  

7.   geo  polymer  8.  conclusion        

alumino  silicate  

alkaline  reagent  

water  

geo-­‐polymer  

Metakaoline  combined  with  “waterglass”  is  currently  under  research  to  produce  so  called  “geo-­‐polymers”  

sodium  or  potassium  

geo-­‐polymer  

World-­‐wide  there  is  an  increased  interest  in  alterna7ve  binders,  “geo-­‐polymers”  are  a  good  example  of  this.    

1.  introduc7on  2.  produc7on  3.  rheology    4.  Chapelle  test  5.  advantages  6.  Calcium-­‐sulpho  aluminate  cement  7.  geo  polymer  

8.   conclusion        

Decora+ve  ,  durable  and  detailed        Mortar  and  concrete  containing  metakaoline  proof  to  have  a  beser  durability.    The  consump7on  of  calcium  hydroxide  and  cement  alkalis  in  combina7on  with  the  increased  density  give  beser  sulphate  resistance.      It  further  reduces  the  risk  of  alkali-­‐silica  reac7on  and  so  called  “lime-­‐bloom”.    In  decora7ve  mortars  and  concrete  colours  are  more  durable.  Increased  density  and  reduced  alkali  prevent  water  to  migrate  lime  and  alkali  preven7ng  primary  and  secondary  efflorescence.    Addi7on  of  metakaoline  increases  the  fineness  of  the  binder.  Fine  details  are  followed  beser  and  the  surface  quality  is  improved.  White  metakaoline  can  easily  be  integrated  in  a  white  Portlandcement  matrix.    Combining  metakaoline  with  calcium  hydroxide  allows  a  simple  produc7on  of  a  type  of  hydraulic  lime  oven  used  as  replacement  of  Portlandcement  in  restoring  natural  stone.  

conclusion    

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