I tecnici Borida analizzano il meccanismo d'azione e il principio di preparazione del superfluidificante dell'acido policarbossilico

Sappiamo che l'applicazione dei superfluidificanti policarbossilati nell'ingegneria del calcestruzzo è sempre più diffusa. Rispetto ai superfluidificanti tradizionali come il naftalene solfonato e i condensati di melammina formaldeide solfonata, i superfluidificanti policarbossilati possono fornire elevata disperdibilità, fluidità e stabilità al sistema disperso di calcestruzzo a bassi dosaggi, prevenendo la perdita di slump. Inoltre, l’aumento del prezzo della naftalene industriale, il lungo ciclo di produzione dei superfluidificanti a base di naftalene e il grave inquinamento ambientale rendono imperativa l’applicazione di superfluidificanti a base di policarbossilato. Ma conoscete il meccanismo d'azione ed i principi di preparazione dei superfluidificanti policarbossilati?

Esistono relativamente poche revisioni complete sui progressi della ricerca sui superfluidificanti policarbossilati, in particolare per quanto riguarda i principi di preparazione, il meccanismo d'azione e gli aspetti correlati. Borida invita pertanto gli esperti a fornire una revisione dei progressi della ricerca riguardanti i principi di preparazione, il meccanismo d'azione e le prospettive future dei superfluidificanti policarbossilati.

1. Principi di preparazione dei superfluidificanti policarbossilati

I superfluidificanti ad alte prestazioni a base di policarbossilato sono composti macromolecolari con gruppi solfonici, gruppi carbossilici, gruppi amminici e catene laterali di poliossietilene. Sono sintetizzati in soluzione acquosa mediante copolimerizzazione radicalica, formando un tensioattivo ad alto peso molecolare a forma di pettine.

Principali materie prime: acido metacrilico, acido acrilico, etil acrilato, idrossietil acrilato, sodio allilsolfonato, metil metacrilato, metossipolietilenglicole metacrilato, polietilenglicole acrilato etossilato, etere allilico, ecc. Durante la polimerizzazione, iniziatori come persolfati idrosolubili, perossido di benzoile e azobisisobutirronitrile sono usato. Gli agenti di trasferimento di catena includono acido 3-mercaptopropionico, acido mercaptoacetico e isopropanolo.

Metodo di sintesi: In un recipiente di reazione dotato di agitatore meccanico, termometro e dispositivo gocciolatore, la soluzione di monomero, la soluzione di iniziatore e la soluzione di agente di trasferimento di catena vengono aggiunte goccia a goccia. Quando si scelgono i monomeri di polimerizzazione, è necessario tenere pienamente conto dei rapporti di reattività della copolimerizzazione. La temperatura di reazione dipende dal tipo di monomeri utilizzati e generalmente rientra nell'intervallo di 0-60 gradi. La soluzione monomerica viene aggiunta goccia a goccia nell'arco di 1-2 ore, seguita da un'ulteriore reazione di 1- ore a temperatura costante. Dopo l'aggiunta dell'acqua di neutralizzazione si scarica il prodotto.

2. Meccanismo d'azione dei superfluidificanti policarbossilati

I superfluidificanti ad alte prestazioni a base di policarbossilato sono un nuovo tipo di superfluidificante con molti vantaggi eccezionali, sebbene il loro esatto meccanismo d'azione non sia ancora completamente compreso. Ecco alcune prospettive:

Effetto ritardante: Il gruppo carbossilico agisce come componente ritardante, formando complessi con gli ioni Ca²⁺ (R-COO⁻–Ca²⁺), riducendo la concentrazione degli ioni Ca²⁺ in soluzione, ritardando la cristallizzazione di Ca(OH)₂, riducendo la formazione di CHS gel, ritardando così l'idratazione del cemento.

Affinità tra gruppi polari: I gruppi carbossilico (-COOH), idrossile (-OH), amminico (-NH₂) e poliossialchilene (-OR)n hanno forti affinità con l'acqua. Attraverso effetti tensioattivi come adsorbimento, dispersione, bagnatura e lubrificazione, forniscono disperdibilità e fluidità alle particelle di cemento. Riducendo la resistenza all'attrito tra le particelle di cemento e diminuendo l'energia libera nell'interfaccia cemento-acqua, migliorano la lavorabilità del calcestruzzo fresco. Contemporaneamente, i composti di policarbossilato si adsorbono sulla superficie delle particelle di cemento, impartendo cariche negative attraverso gli ioni carbossilato. Ciò induce repulsione elettrostatica tra le particelle, impedendo la tendenza della pasta di cemento a flocculare (teoria DLVO) e aumentando l'area di contatto tra cemento e acqua, favorendo la completa idratazione del cemento. Durante la dispersione delle particelle di cemento viene rilasciata l'acqua intrappolata all'interno degli agglomerati, migliorando la lavorabilità e riducendo la quantità di acqua di impasto necessaria.

Effetto di impedimento sterico: Le molecole di policarbossilato si adsorbono sulla superficie delle particelle di cemento in una configurazione a forma di pettine, formando uno strato di adsorbimento sulla superficie del materiale gel. Quando gli strati di adsorbimento del polimero sulle particelle di cemento si avvicinano l'uno all'altro, l'impedimento sterico tra le catene polimeriche impedisce alle particelle di agglomerarsi. Questo è uno dei motivi principali per cui i superfluidificanti policarbossilati hanno una disperdibilità superiore rispetto ad altri sistemi.

Potenziale Zeta e ritenzione della dispersione: Il meccanismo di ritenzione della dispersione dei superfluidificanti ad alte prestazioni a base di policarbossilati può essere compreso osservando la relazione tra tempo di miscelazione e potenziale zeta nella pasta di cemento. In generale, il calcestruzzo con superfluidificanti ad alte prestazioni a base di naftalene o melamina mostra una significativa perdita di slump dopo 60 minuti, mentre il calcestruzzo contenente superfluidificanti a base di policarbossilato mostra una minore perdita di slump. Questa differenza deriva dal fatto che il modello di adsorbimento tra il superfluidificante e le particelle di cemento varia. L'interazione tra lo strato di adsorbimento ad alto peso molecolare e le particelle di cemento provoca sia repulsione sterica che elettrostatica, con pochi cambiamenti nel potenziale zeta.

La ricerca sul meccanismo di dispersione del cemento suggerisce che la teoria DLVO, che spiega la dispersione per repulsione ionica, spesso non riesce a corrispondere ai risultati sperimentali. L'effetto di ingombro sterico spiega con successo l'azione dispersiva dei superfluidificanti policarbossilati sul cemento. Il polimero viene adsorbito sulla superficie delle particelle di cemento, con catene laterali che si estendono nella soluzione. Queste catene laterali creano un ostacolo sterico, impedendo alle particelle di entrare in stretto contatto, garantendone così la dispersione e la stabilità. Questo meccanismo è ampiamente accettato oggi. I polimeri con lunghe catene laterali presentano un basso potenziale zeta e un'elevata repulsione sterica, con conseguente eccellente disperdibilità. Tuttavia, una lunghezza eccessiva della catena laterale può causare aggrovigliamento tra le catene laterali superficiali delle particelle disperse, portando all'agglomerazione delle particelle.