Adsorpce-disperze polykarboxylového superplastifikátoru

Nestabilita systémů cementové pasty vyplývá z jejich velkých mezifázových ploch a mezifázových energií, což vede k tendenci ke spontánní redukci rozhraní a aglomeraci částic. Na druhou stranu, malá velikost částic rozptýlené fáze je činí náchylnými k Brownovu pohybu, který může bránit sedimentaci, ale jakmile dojde ke srážkám, urychlí agregaci. Povrchy cementových částic, které jsou hydrofilní, jsou pokryty solvatovanou vrstvou, která účinně zabraňuje agregaci částic. Navíc většina povrchů částic nese elektrický náboj, který vytváří elektrostatické odpuzování mezi částicemi, což ztěžuje jejich shlukování. Když některé ze solvatovaných vrstev na površích částic zmizí, molekulární přitažlivé síly mezi částicemi mohou vést k vytvoření flokulovaných struktur, které zachytí značné množství záměsové vody.

Po přidání superplastifikátoru má cementová pasta stejnoměrně rozptýlenou strukturu. K tomu dochází, protože hydrofobní skupiny superplastifikátoru se adsorbují směrově na povrchy částic cementu, přičemž hydrofilní skupiny směřují k vodnému roztoku a vytvářejí molekulární adsorpční membránu. Tím se snižuje povrchové napětí LV vody, mezifázové napětí pevná látka-kapalina SL a kontaktní úhel θ vody na částicích cementu, čímž se zvyšuje jeho smáčivost a snižuje se mezifázové energie systému. Zvyšuje také rychlost, kterou voda proniká do pórů cementových částic, což je výhodné pro adsorpci superplastifikátoru na rozhraních pevných látek a vytváří další účinky, které napomáhají dispergaci a rozkladu aglomerátů částic.

2.2 Smáčivé a mazací účinky

Když se voda smíchá s cementem, povrchy částic jsou smáčené a stupeň smáčení výrazně ovlivňuje vlastnosti čerstvě namíchaného betonu. Když k difúzi dochází přirozeně, snížení povrchové volné energie lze vypočítat pomocí Gibbsovy rovnice:

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

kde dGdGdG je změna povrchové volné energie, cw\gama{0}}{cw} cw​ je mezifázové napětí na rozhraní cement-voda a dSdSdS je změna v oblasti, která je smáčena. Integrace dává:

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 k rozptýlení po povrchu cementových částic. Voda má obecně nejvyšší povrchové napětí mezi běžnými kapalinami, což zabraňuje jejímu šíření na nízkoenergetické povrchy. Přídavek superplastifikátoru výrazně snižuje povrchové napětí vody a zároveň snižuje mezifázové napětí pevná látka-kapalina, což umožňuje samovolné šíření na nízkoenergetické povrchy.

Superplastifikátory jsou typicky aniontové povrchově aktivní látky. Když se jejich vodný roztok dostane do kontaktu s povrchem částic cementu, hydrofilní skupiny superplastifikátoru se adsorbují na povrchy částic cementu v důsledku elektrostatických interakcí, zatímco hydrofobní skupiny se orientují směrem k vodné fázi. Jak se koncentrace superplastifikátoru zvyšuje, adsorbované množství stoupá, povrchové náboje jsou neutralizovány, uspořádání hydrofobních oblastí se stává kompaktnější a hydrofobnost povrchu se zvyšuje, což vede k vyššímu kontaktnímu úhlu.

Hydrofilní skupiny adsorbované na povrchu částic cementu snadno tvoří vodíkové vazby s molekulami vody. Jakmile je na částice cementu adsorbováno dostatečné množství superplastifikátoru, interakce mezi hydrofilními skupinami a vodíkovými vazbami v molekulách vody v kombinaci s vodíkovými vazbami mezi molekulami vody vytvoří stabilní solvatovaný vodní film mezi částicemi cementu. Tento film zabraňuje přímému kontaktu mezi částicemi cementu a zajišťuje mezi nimi lubrikaci. Navíc, když se přidá superplastifikátor, mohou do pastového systému vstoupit také malé bublinky, obklopené molekulárním filmem adsorbovaným superplastifikátorem. Tyto bubliny nesou stejný elektrický náboj jako adsorpční film na částicích cementu a elektrostatické odpuzování mezi bublinami a částicemi cementu zvyšuje disperzi částic cementu a zvyšuje jejich kluznost.