Dispersione adsorbente di superfluidificante policarbossilico

L'instabilità dei sistemi di pasta di cemento deriva dalle loro ampie aree interfacciali e dalle energie interfacciali, portando ad una tendenza alla riduzione spontanea delle interfacce e all'agglomerazione delle particelle. D'altra parte, la piccola dimensione delle particelle della fase disperse le rende suscettibili al moto browniano, che può ostacolare la sedimentazione, ma una volta che si verificano le collisioni, accelerano l'aggregazione. Le superfici delle particelle di cemento, che sono idrofile, sono ricoperte da uno strato solvatato che previene efficacemente l'aggregazione delle particelle. Inoltre, la maggior parte delle superfici delle particelle trasportano una carica elettrica, creando repulsione elettrostatica tra le particelle, rendendo difficile il loro aggregarsi. Quando alcuni degli strati solvatati sulle superfici delle particelle scompaiono, le forze di attrazione molecolare tra le particelle possono portare alla formazione di strutture flocculate, intrappolando al loro interno una quantità significativa di acqua di miscelazione.

Dopo l'aggiunta di un superfluidificante, la pasta di cemento presenta una struttura uniformemente dispersa. Ciò si verifica perché i gruppi idrofobi del superfluidificante si adsorbono direzionalmente sulle superfici delle particelle di cemento, con i gruppi idrofili rivolti verso la soluzione acquosa, formando una membrana di adsorbimento molecolare. Ciò riduce la tensione superficiale LV dell’acqua, la tensione interfacciale solido-liquido SL e l’angolo di contatto θ dell’acqua sulle particelle di cemento, migliorandone così la bagnabilità e riducendo l’energia interfacciale del sistema. Aumenta inoltre la velocità con cui l'acqua penetra nei pori delle particelle di cemento, il che è vantaggioso per l'adsorbimento del superfluidificante sulle interfacce solide e genera effetti aggiuntivi che aiutano nella dispersione e nella rottura degli agglomerati di particelle.

2.2 Effetti di bagnatura e lubrificazione

Quando l'acqua viene miscelata con il cemento, le superfici delle particelle vengono bagnate e il grado di bagnatura influisce in modo significativo sulle prestazioni del calcestruzzo appena miscelato. Quando la diffusione avviene in modo naturale, la riduzione dell’energia libera superficiale può essere calcolata utilizzando l’equazione di Gibbs:

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

dove dGdGdG è la variazione dell'energia libera superficiale, cw\gamma_{cw} cw​ è la tensione interfacciale all'interfaccia cemento-acqua e dSdSdS è la variazione nell'area bagnata. Integrando questo si ottiene:

SOL= do S+CG=\gamma_{ do} \, S + CG= do​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 da stendere sulla superficie delle particelle di cemento. In generale, l’acqua ha la tensione superficiale più alta tra i liquidi comuni, impedendole di diffondersi su superfici a bassa energia. L'aggiunta di un superfluidificante riduce significativamente la tensione superficiale dell'acqua abbassando anche la tensione interfacciale solido-liquido, consentendo la diffusione spontanea su superfici a bassa energia.

I superfluidificanti sono tipicamente tensioattivi anionici. Quando la loro soluzione acquosa entra in contatto con la superficie delle particelle di cemento, i gruppi idrofili del superfluidificante si adsorbono sulle superfici delle particelle di cemento per interazioni elettrostatiche, mentre i gruppi idrofobi si orientano verso la fase acquosa. All’aumentare della concentrazione del superfluidificante, la quantità adsorbita aumenta, le cariche superficiali vengono neutralizzate, la disposizione delle regioni idrofobiche diventa più compatta e l’idrofobicità superficiale aumenta, portando ad un angolo di contatto più elevato.

I gruppi idrofili adsorbiti sulle superfici delle particelle di cemento formano facilmente legami idrogeno con le molecole d'acqua. Una volta che una quantità sufficiente di superfluidificante è stata adsorbita sulle particelle di cemento, l'interazione tra i gruppi idrofili e i legami idrogeno nelle molecole d'acqua, combinata con il legame idrogeno tra le molecole d'acqua, forma un film d'acqua solvatato stabile tra le particelle di cemento. Questo film impedisce il contatto diretto tra le particelle di cemento e fornisce lubrificazione tra di loro. Inoltre, quando viene aggiunto il superfluidificante, possono entrare nel sistema pasta anche piccole bolle, circondate da un film molecolare adsorbito dal superfluidificante. Queste bolle portano la stessa carica elettrica del film di adsorbimento sulle particelle di cemento, e la repulsione elettrostatica tra le bolle e le particelle di cemento migliora la dispersione delle particelle di cemento, aumentando la loro capacità di scorrimento.