Research Progress on Metakaolin-Based Geopolymers and Their Application in Conservation of Grottoes

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0606

Abstract

Abstract:

The conservation of grottoes， including water damage control and restoration， has extremely high requirements for the compatibility of physical-mechanical properties and weather resistance of materials. Metakaolin （MK）， a highly active pozzolanic material， serves as a raw material for geopolymers that demonstrate exceptional stability and durability. In recent years， these geopolymers have been increasingly applied in grottoes conservation. When the MK precursor is mixed with an alkaline solution， silicon and aluminum tetrahedra polymerize to form an initial polymer with Si—O—Al—O bonds， which further undergoes polycondensation to create a stable， three-dimensional network gel material—known as metakaolin-based geopolymer （MKG）. The properties of MKG are closely related to factors such as the composition of the MK， the type of alkaline activator， and temperature. However， its practical application and effectiveness in cultural heritage conservation are usually constrained by challenges like salt alkali resistance and specific service environments. Therefore， it is imperative to integrate advancements in materials science with the specific needs of cultural relic conservation to enhance the application and performance of MKG in preservation practices.

Key words: grotto, heritage conservation, geopolymer, polymerization mechanism, metakaolin, alkaline activator

CLC Number:

K879.2

YANG Gangliang, MIAO Xiaobin, YAN Shaojun. Research Progress on Metakaolin-Based Geopolymers and Their Application in Conservation of Grottoes[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(1): 145-155.

Figures/Tables 8

Fig.1 Schematic diagram of structural model of potassium-activated geopolymer［19］

Fig.2 Geopolymer synthesis process （modified from literature ［21］）

Fig.3 Schematic diagram of geopolymerization mechanism model［14］

Table 1 Typical chemical composition of MK［28］

Composition	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	K₂O	SO₃	TiO₂	Na₂O	LOI
Mass fraction/%	51.52	40.18	1.23	2.00	0.12	0.53	0	2.27	0.08	2.01

Fig.4 Relationship of calcination temperature to Al solubility in metakaolin and compressive strength of MKG［32］

Fig.5 Effect of activator concentration on compressive strength of MKG and course of exothermic polymerization reaction［37］

Fig.6 Surface micro-characteristics of MKG modified with 0% （mass fraction） and 10% （mass fraction） TiO2 content［43］

Fig.7 Relationship of compressive strength of MKG and nano-TiO2 content［43］

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