Адсорбция-дисперсия поликарбонового суперпластификатора

Нестабильность систем цементного теста возникает из-за их больших межфазных площадей и межфазной энергии, что приводит к тенденции к самопроизвольному уменьшению границ раздела и агломерации частиц. С другой стороны, малый размер частиц дисперсной фазы делает их подверженными броуновскому движению, которое может препятствовать седиментации, но как только происходят столкновения, они ускоряют агрегацию. Поверхность частиц цемента, являющаяся гидрофильной, покрыта сольватным слоем, который эффективно предотвращает агрегацию частиц. Кроме того, большинство поверхностей частиц несут электрический заряд, создавая электростатическое отталкивание между частицами, что затрудняет их слипание. Когда некоторые сольватированные слои на поверхности частиц исчезают, молекулярные силы притяжения между частицами могут привести к образованию хлопьевидных структур, удерживающих внутри себя значительное количество воды затворения.

После добавления суперпластификатора цементное тесто имеет однородно-дисперсную структуру. Это происходит потому, что гидрофобные группы суперпластификатора направленно адсорбируются на поверхности частиц цемента, причем гидрофильные группы обращены к водному раствору, образуя молекулярную адсорбционную мембрану. Это снижает поверхностное натяжение воды LV, межфазное натяжение твердое тело-жидкость SL и угол контакта воды с частицами цемента, тем самым повышая его смачиваемость и снижая межфазную энергию системы. Это также увеличивает скорость проникновения воды в поры частиц цемента, что благоприятствует адсорбции суперпластификатора на границах раздела твердых тел и создает дополнительные эффекты, способствующие диспергированию и разрушению агломератов частиц.

2.2 Эффекты смачивания и смазки

Когда вода смешивается с цементом, поверхность частиц смачивается, и степень смачивания существенно влияет на характеристики свежезамешанного бетона. Когда диффузия происходит естественным образом, уменьшение поверхностной свободной энергии можно рассчитать с помощью уравнения Гиббса:

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

где dGdGdG — изменение свободной поверхностной энергии, cw\gamma_{cw} cw​ — межфазное натяжение на границе раздела цемент-вода, а dSdSdS — изменение смачиваемой площади. Интеграция этого дает:

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 для распределения по поверхности частиц цемента. Как правило, вода имеет самое высокое поверхностное натяжение среди обычных жидкостей, что предотвращает ее распространение по поверхностям с низкой энергией. Добавление суперпластификатора значительно снижает поверхностное натяжение воды, а также снижает межфазное натяжение твердое тело-жидкость, обеспечивая самопроизвольное растекание по поверхностям с низкой энергией.

Суперпластификаторы обычно представляют собой анионные поверхностно-активные вещества. При контакте их водного раствора с поверхностью частиц цемента гидрофильные группы суперпластификатора адсорбируются на поверхности частиц цемента за счет электростатических взаимодействий, а гидрофобные группы ориентируются в сторону водной фазы. По мере увеличения концентрации суперпластификатора увеличивается адсорбированное количество, поверхностные заряды нейтрализуются, расположение гидрофобных областей становится более компактным, а гидрофобность поверхности увеличивается, что приводит к увеличению угла смачивания.

Гидрофильные группы, адсорбированные на поверхности частиц цемента, легко образуют водородные связи с молекулами воды. Как только достаточное количество суперпластификатора адсорбируется на частицах цемента, взаимодействие между гидрофильными группами и водородными связями в молекулах воды в сочетании с водородными связями между молекулами воды образует стабильную сольватную водную пленку между частицами цемента. Эта пленка предотвращает прямой контакт между частицами цемента и обеспечивает смазку между ними. Кроме того, при добавлении суперпластификатора в пастообразную систему также могут попасть небольшие пузырьки, окруженные молекулярной пленкой, адсорбированной суперпластификатором. Эти пузырьки несут тот же электрический заряд, что и адсорбционная пленка на частицах цемента, а электростатическое отталкивание между пузырьками и частицами цемента усиливает дисперсию частиц цемента, увеличивая их способность к скольжению.