Adsorptie-dispersie van polycarbonzuur-superweekmaker

De instabiliteit van cementpastasystemen komt voort uit hun grote grensvlakgebieden en grensvlakenergieën, wat leidt tot een neiging tot spontane reductie van grensvlakken en deeltjesagglomeratie. Aan de andere kant maakt de kleine omvang van deeltjes in de gedispergeerde fase ze gevoelig voor Brownse beweging, wat sedimentatie kan belemmeren, maar zodra botsingen plaatsvinden, versnellen ze de aggregatie. De oppervlakken van cementdeeltjes, die hydrofiel zijn, zijn bedekt met een gesolvateerde laag die deeltjesaggregatie effectief voorkomt. Bovendien hebben de meeste deeltjesoppervlakken een elektrische lading, waardoor er elektrostatische afstoting tussen deeltjes ontstaat, waardoor het moeilijk wordt om ze samen te klonteren. Wanneer sommige van de gesolvateerde lagen op de deeltjesoppervlakken verdwijnen, kunnen moleculaire aantrekkingskrachten tussen de deeltjes leiden tot de vorming van uitgevlokte structuren, waardoor een aanzienlijke hoeveelheid mengwater daarin wordt opgesloten.

Na toevoeging van een superweekmaker vertoont de cementpasta een gelijkmatig verspreide structuur. Dit gebeurt omdat de hydrofobe groepen van de superweekmaker gericht adsorberen op de oppervlakken van de cementdeeltjes, waarbij de hydrofiele groepen naar de waterige oplossing gericht zijn, waardoor een moleculair adsorptiemembraan wordt gevormd. Dit vermindert de oppervlaktespanning LV van water, de grensvlakspanning vast-vloeistof SL en de contacthoek θ van water op cementdeeltjes, waardoor de bevochtigbaarheid ervan wordt verbeterd en de grensvlakenergie van het systeem wordt verminderd. Het verhoogt ook de snelheid waarmee water in de poriën van de cementdeeltjes doordringt, wat gunstig is voor de adsorptie van de superweekmaker aan vaste grensvlakken en extra effecten genereert die helpen bij de verspreiding en afbraak van deeltjesagglomeraten.

2.2 Bevochtigings- en smeereffecten

Wanneer water met cement wordt gemengd, worden de deeltjesoppervlakken bevochtigd en heeft de mate van bevochtiging een aanzienlijke invloed op de prestaties van vers gemengd beton. Wanneer diffusie van nature plaatsvindt, kan de vermindering van de vrije energie aan het oppervlak worden berekend met behulp van de Gibbs-vergelijking:

dG= cw dSdG=\gamma_{cw} \, dSdG= cw​dS

waarbij dGdGdG de verandering in vrije oppervlakte-energie is, cw\gamma_{cw} cw​ de grensvlakspanning is op het grensvlak van cement en water, en dSdSdS de verandering is in het gebied dat wordt bevochtigd. Dit integreren geeft:

G= cw S+CG=\gamma_{cw} \, S + CG= cw​S+C

If the free energy of a certain moment in the system is constant, then γcw\gamma_{cw}γcw​ is inversely proportional to SSS. Therefore, the addition of a superplasticizer not only effectively disperses cement particles but also increases the hydration area of cement particles due to its wetting effect, influencing the hydration rate of cement. Water must satisfy the condition γsv−γsl−γlv>0\gamma_{sv} - \gamma_{sl} - \gamma_{lv} > 0γsv​−γsl​−γlv​>0 om zich over het oppervlak van cementdeeltjes te verspreiden. Over het algemeen heeft water de hoogste oppervlaktespanning van de gewone vloeistoffen, waardoor het zich niet kan verspreiden op oppervlakken met lage energie. De toevoeging van een superweekmaker vermindert de oppervlaktespanning van water aanzienlijk, terwijl ook de grensvlakspanning tussen vaste stoffen en vloeistoffen wordt verlaagd, waardoor spontane verspreiding op oppervlakken met lage energie mogelijk wordt.

Superweekmakers zijn doorgaans anionische oppervlakteactieve stoffen. Wanneer hun waterige oplossing in contact komt met het oppervlak van cementdeeltjes, adsorberen de hydrofiele groepen van de superweekmaker op de oppervlakken van cementdeeltjes als gevolg van elektrostatische interacties, terwijl de hydrofobe groepen zich naar de waterfase oriënteren. Naarmate de concentratie van de superweekmaker toeneemt, stijgt de geadsorbeerde hoeveelheid, worden de oppervlakteladingen geneutraliseerd, wordt de rangschikking van hydrofobe gebieden compacter en neemt de hydrofobiciteit van het oppervlak toe, wat leidt tot een grotere contacthoek.

De hydrofiele groepen die op de oppervlakken van cementdeeltjes worden geadsorbeerd, vormen gemakkelijk waterstofbruggen met watermoleculen. Zodra voldoende superweekmaker op de cementdeeltjes is geadsorbeerd, vormt de interactie tussen de hydrofiele groepen en de waterstofbruggen in watermoleculen, gecombineerd met waterstofbindingen tussen watermoleculen, een stabiele gesolvateerde waterfilm tussen cementdeeltjes. Deze film voorkomt direct contact tussen de cementdeeltjes en zorgt voor smering daartussen. Bovendien kunnen, wanneer de superweekmaker wordt toegevoegd, ook enkele kleine belletjes in het pastasysteem terechtkomen, omgeven door een moleculaire film die wordt geadsorbeerd door de superweekmaker. Deze bellen hebben dezelfde elektrische lading als de adsorptiefilm op de cementdeeltjes, en de elektrostatische afstoting tussen de bellen en cementdeeltjes verbetert de verspreiding van de cementdeeltjes, waardoor hun glijvermogen toeneemt.