Realizari ETAPA I – Studiu privind realizarea noilor sisteme cimentoide pe bază de metacaolin

Studiul a fost elaborat, conform planului de realizare, de coordonatorul proiectului CEPROCIM SA si partenerul P1 UPB. Au fost consultate 107 referinte bibliografice. Studiul a fost structurat pe doua directii:

• obtinerea si caracterizarea geopolimerilor – noi tipuri de cimenturi silicatice, situate în alte domenii compoziţionale decât cimentul portland,  pe bază de puzzolane – în cazul de faţă metacaolin – activate alcalin;
• obtinerea si caracterizarea sistemelor cimentoide in care metacaolinul este utilizat ca substituent parţial al cimentului portland, datorită calităţii de puzzolană înalt reactivă a acestuia.

Sisteme cimentoide de tip geopolimeri
O preocupare de dată relativ recentă a cercetătorilor din ţările avansate ale lumii este activarea alcalină a puzzolanelor, care deschide calea obţinerii unor materiale cimentoide noi, de tip hidroceramică, înalt performante. Datorită dezordinii structurale şi naturii amorfe, determinate de transformările structurale ce au loc în procesul de calcinare a caolinului, metacaolinul posedă un uriaş potenţial reactiv când este în prezenţa unei soluţii care conţine un metal alcalin, produşii de reacţie rezultaţi fiind complecşi aluminosilicatici alcalini. 
Noile cimenturi silicatice pe bază de metacaolin, sintetizate din aluminosilicat solid şi o soluţie bogată în alcalii, la temperaturi joase (sub 1000C, de obicei 35; 850C), au fost descrise pentru prima oară de Davidovits, fiind cunoscute sub denumirea de geopolimeri. 
Activarea alcalină a metacaolinului este descrisa utilizând un model de polimerizare similar celui propus pentru descrierea formării zeoliţilor sau precursorilor de zeoliţi, din soluţii de aluminosilicaţi alcalini.
Acest mecanism presupunea trei etape: 
a. ruperea reţelelor şi coagulare; 
b. coagulare – condensare; 
c. condensare – cristalizare. 
Formula generală a geopolimerilor este:

unde: z = 1,2,3 şi n = gradul de polimerizare

În termeni de proprietăţi cimentoide, materialele de tip hidroceramică pot fi comparate cu gelurile de hidrosilicaţi (C-S-H) formaţi în timpul hidratării cimentului portland. 
Geopolimerii din metacaolin activat cu NaOH şi silicat de sodiu sunt stabili până la temperaturi de 1000°–1200°C. De asemenea, au durităţi superficiale relativ mari (4–7 pe scala Mohs), stabilităţi termice, suprafeţe netede, capacitate de turnare în forme bună. Geopolimerii se întăresc rapid la temperaturi relativ mici şi pot atinge rezistenţe mecanice la compresiune de 20 MPa după numai 4 ore. La 28 de zile de întărire, rezistenţele la compresiune pot atinge valori între 70–100 MPa. 
Pe lângă proprietăţile amintite, geopolimerii prezintă si alte proprietăţi deosebite, precum expansiune scăzută, rezistenţă la îngheţ-dezgheţ, rezistenţă la atac sulfatic şi coroziune. Geopolimerii s-au dovedit eficienţi şi la înglobarea deşeurilor toxice, datorită rezistenţei lor mari la coroziune acidă.

Sisteme cimentoide in care metacaolinul este utilizat ca adaos puzzolanic
Metacaolinul poate fi utilizat ca adaos puzzolanic atat in ciment, cat si in beton obţinandu-se sisteme cimentoide de înaltă performanţă. In ambele cazuri sunt valorificate, în special, următoarele proprietăţi ale metacaolinului:

• efectul de microfiller
• efectul de accelerare a hidratării cimentului portland
• reactivitatea puzzolanică (capacitatea de a reacţiona cu hidroxidul de calciu eliberat în procesul de hidratare a cimentului portland, având ca rezultat formarea de geluri suplimentare de hidrosilicaţi)
• capacitatea de a preveni expansiunea datorată reacţiilor silice-agregate din beton.

Valorificarea acestor proprietăţi permite obţinerea de sisteme cimentoide cu înalte rezistenţe mecanice, compactitate ridicată şi rezistenţă bună la medii agresive chimic, destinate utilizării în domenii speciale, ex.: mediu marin, metrou etc.
Au fost, de asemenea, create ipotezele de lucru care vor sta la baza realizarii etapelor viitoare.