Adsorpcijsko-disperzijski polikarboksilni superplastifikator

Nestabilnost sistemov cementne paste izhaja iz njihovih velikih medfaznih površin in medfaznih energij, kar vodi k težnji po spontanem zmanjšanju mejnih površin in aglomeraciji delcev. Po drugi strani pa so zaradi majhne velikosti delcev dispergirane faze dovzetni za Brownovo gibanje, ki lahko ovira sedimentacijo, ko pa pride do trkov, pospešijo agregacijo. Površine cementnih delcev, ki so hidrofilne, so prekrite s solvatno plastjo, ki učinkovito preprečuje agregacijo delcev. Poleg tega večina površin delcev nosi električni naboj, kar ustvarja elektrostatično odbojnost med delci, zaradi česar se le-ti težko zlepijo. Ko nekatere solvatirane plasti na površinah delcev izginejo, lahko molekularne privlačne sile med delci povzročijo nastanek flokuliranih struktur, ki ujamejo znatno količino vode za mešanje.

Po dodatku superplastifikatorja ima cementna pasta enakomerno dispergirano strukturo. To se zgodi, ker se hidrofobne skupine superplastifikatorja adsorbirajo usmerjeno na površine cementnih delcev, pri čemer so hidrofilne skupine obrnjene proti vodni raztopini in tvorijo molekularno adsorpcijsko membrano. To zmanjša površinsko napetost LV vode, medfazno napetost trdno-tekoče SL in kontaktni kot θ vode na delce cementa, s čimer se poveča njena omočljivost in zmanjša medfazna energija sistema. Prav tako poveča hitrost prodiranja vode v pore cementnih delcev, kar je koristno za adsorpcijo superplastifikatorja na trdnih mejah in ustvarja dodatne učinke, ki pomagajo pri disperziji in razgradnji aglomeratov delcev.

2.2 Učinki vlaženja in mazanja

Ko se voda zmeša s cementom, se površine delcev zmočijo, stopnja omočenosti pa bistveno vpliva na učinkovitost sveže zmešanega betona. Ko pride do difuzije naravno, lahko zmanjšanje površinske proste energije izračunamo z uporabo Gibbsove enačbe:

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

kjer je dGdGdG sprememba površinske proste energije, cw\gamma_{cw} cw​ medfazna napetost na meji cementa in vode, dSdSdS pa sprememba na omočenem območju. Integracija tega daje:

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 za širjenje po površini cementnih delcev. Na splošno ima voda največjo površinsko napetost med običajnimi tekočinami, kar ji preprečuje širjenje po nizkoenergijskih površinah. Dodatek superplastifikatorja bistveno zmanjša površinsko napetost vode, obenem pa tudi medfazno napetost trdno-tekoče, kar omogoča spontano širjenje na nizkoenergijskih površinah.

Superplastifikatorji so običajno anionske površinsko aktivne snovi. Ko njihova vodna raztopina pride v stik s površino cementnih delcev, se hidrofilne skupine superplastifikatorja zaradi elektrostatičnih interakcij adsorbirajo na površine cementnih delcev, medtem ko se hidrofobne skupine usmerijo proti vodni fazi. Ko se koncentracija superplastifikatorja poveča, se adsorbirana količina poveča, površinski naboji se nevtralizirajo, razporeditev hidrofobnih regij postane bolj kompaktna in površinska hidrofobnost se poveča, kar vodi do višjega kontaktnega kota.

Hidrofilne skupine, adsorbirane na površine cementnih delcev, zlahka tvorijo vodikove vezi z molekulami vode. Ko se na delce cementa adsorbira dovolj superplastifikatorja, interakcija med hidrofilnimi skupinami in vodikovimi vezmi v molekulah vode, skupaj z vodikovimi vezmi med molekulami vode, tvori stabilen solvatiran vodni film med delci cementa. Ta film preprečuje neposreden stik med delci cementa in zagotavlja mazanje med njimi. Poleg tega lahko ob dodajanju superplastifikatorja v sistem paste vstopi tudi nekaj majhnih mehurčkov, obdanih z molekularnim filmom, adsorbiranim s superplastifikatorjem. Ti mehurčki nosijo enak električni naboj kot adsorpcijski film na delcih cementa, elektrostatična odbojnost med mehurčki in delci cementa pa poveča disperzijo delcev cementa, kar poveča njihovo drsno sposobnost.