Προσρόφηση-διασπορά πολυκαρβοξυλικού υπερρευστοποιητή

Η αστάθεια των συστημάτων πάστας τσιμέντου προκύπτει από τις μεγάλες επιφανειακές επιφάνειες και τις διεπιφανειακές τους ενέργειες, οδηγώντας σε μια τάση για αυθόρμητη μείωση των διεπαφών και της συσσωμάτωσης σωματιδίων. Από την άλλη πλευρά, το μικρό μέγεθος των σωματιδίων διεσπαρμένης φάσης τα καθιστά ευαίσθητα στην κίνηση Brown, η οποία μπορεί να εμποδίσει την καθίζηση, αλλά μόλις συμβούν συγκρούσεις, επιταχύνουν τη συσσώρευση. Οι επιφάνειες των σωματιδίων τσιμέντου, που είναι υδρόφιλες, καλύπτονται με ένα διαλυτωμένο στρώμα που εμποδίζει αποτελεσματικά τη συσσώρευση σωματιδίων. Επιπλέον, οι περισσότερες επιφάνειες σωματιδίων φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, δημιουργώντας ηλεκτροστατική απώθηση μεταξύ των σωματιδίων, καθιστώντας δύσκολη τη συσσώρευση τους μεταξύ τους. Όταν μερικά από τα επιδιαλυτωμένα στρώματα στις επιφάνειες των σωματιδίων εξαφανίζονται, οι μοριακές ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των σωματιδίων μπορούν να οδηγήσουν στο σχηματισμό κροκιδωμένων δομών, παγιδεύοντας μια σημαντική ποσότητα νερού ανάμιξης μέσα.

Μετά την προσθήκη ενός υπερρευστοποιητή, η πάστα τσιμέντου παρουσιάζει μια ομοιόμορφα διασπαρμένη δομή. Αυτό συμβαίνει επειδή οι υδρόφοβες ομάδες του υπερρευστοποιητή προσροφούνται κατευθυντικά στις επιφάνειες των σωματιδίων τσιμέντου, με τις υδρόφιλες ομάδες στραμμένες προς το υδατικό διάλυμα, σχηματίζοντας μια μοριακή μεμβράνη προσρόφησης. Αυτό μειώνει την επιφανειακή τάση LV του νερού, τη διεπιφανειακή τάση στερεού-υγρού SL και τη γωνία επαφής θ του νερού στα σωματίδια τσιμέντου, ενισχύοντας έτσι τη διαβρεξιμότητά του και μειώνοντας τη διεπιφανειακή ενέργεια του συστήματος. Αυξάνει επίσης τον ρυθμό με τον οποίο το νερό διεισδύει στους πόρους των σωματιδίων του τσιμέντου, κάτι που είναι ευεργετικό για την προσρόφηση του υπερρευστοποιητή σε στερεές διεπιφάνειες και δημιουργεί πρόσθετα αποτελέσματα που βοηθούν στη διασπορά και τη διάσπαση των συσσωματωμάτων σωματιδίων.

2.2 Επιδράσεις διαβροχής και λίπανσης

Όταν το νερό αναμιγνύεται με τσιμέντο, οι επιφάνειες των σωματιδίων διαβρέχονται και ο βαθμός διαβροχής επηρεάζει σημαντικά την απόδοση του φρέσκου σκυροδέματος. Όταν η διάχυση συμβαίνει φυσικά, η μείωση της ενέργειας ελεύθερης επιφάνειας μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας την εξίσωση Gibbs:

dG= cw dSdG=\γάμα_{cw} \, dSdG= cw​dS

όπου dGdGdG είναι η μεταβολή της ενέργειας ελεύθερης επιφάνειας, cw\γάμα_{cw} cw​ είναι η διεπιφανειακή τάση στη διεπιφάνεια τσιμέντου-νερού και dSdSdS είναι η αλλαγή στην περιοχή που διαβρέχεται. Η ενσωμάτωση αυτού δίνει:

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 για να απλωθεί στην επιφάνεια των σωματιδίων τσιμέντου. Γενικά, το νερό έχει την υψηλότερη επιφανειακή τάση μεταξύ των κοινών υγρών, εμποδίζοντάς το να εξαπλωθεί σε επιφάνειες χαμηλής ενέργειας. Η προσθήκη ενός υπερρευστοποιητή μειώνει σημαντικά την επιφανειακή τάση του νερού ενώ παράλληλα μειώνει τη διεπιφανειακή τάση στερεού-υγρού, επιτρέποντας την αυθόρμητη εξάπλωση σε επιφάνειες χαμηλής ενέργειας.

Οι υπερρευστοποιητές είναι συνήθως ανιονικές επιφανειοδραστικές ουσίες. Όταν το υδατικό τους διάλυμα έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια των σωματιδίων τσιμέντου, οι υδρόφιλες ομάδες του υπερρευστοποιητή προσροφούνται στις επιφάνειες των σωματιδίων τσιμέντου λόγω ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων, ενώ οι υδρόφοβες ομάδες προσανατολίζονται προς την υδατική φάση. Καθώς η συγκέντρωση του υπερρευστοποιητή αυξάνεται, η ποσότητα που προσροφάται αυξάνεται, τα επιφανειακά φορτία εξουδετερώνονται, η διάταξη των υδρόφοβων περιοχών γίνεται πιο συμπαγής και η υδροφοβικότητα της επιφάνειας αυξάνεται, οδηγώντας σε μεγαλύτερη γωνία επαφής.

Οι υδρόφιλες ομάδες που προσροφούνται στις επιφάνειες των σωματιδίων τσιμέντου σχηματίζουν εύκολα δεσμούς υδρογόνου με μόρια νερού. Μόλις προσροφηθεί επαρκής υπερρευστοποιητής στα σωματίδια τσιμέντου, η αλληλεπίδραση μεταξύ των υδρόφιλων ομάδων και των δεσμών υδρογόνου στα μόρια του νερού, σε συνδυασμό με τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των μορίων του νερού, σχηματίζει μια σταθερή διαλυτωμένη μεμβράνη νερού μεταξύ των σωματιδίων τσιμέντου. Αυτό το φιλμ αποτρέπει την άμεση επαφή μεταξύ των σωματιδίων τσιμέντου και παρέχει λίπανση μεταξύ τους. Επιπλέον, όταν προστίθεται ο υπερρευστοποιητής, μερικές μικρές φυσαλίδες μπορεί επίσης να εισέλθουν στο σύστημα πάστας, που περιβάλλονται από ένα μοριακό φιλμ που προσροφάται από τον υπερρευστοποιητή. Αυτές οι φυσαλίδες φέρουν το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο με το φιλμ προσρόφησης στα σωματίδια τσιμέντου και η ηλεκτροστατική απώθηση μεταξύ των φυσαλίδων και των σωματιδίων τσιμέντου ενισχύει τη διασπορά των σωματιδίων τσιμέντου, αυξάνοντας την ικανότητα ολίσθησης τους.