Adsorption-dispersion de superplastifiant polycarboxylique

L'instabilité des systèmes de pâte de ciment provient de leurs grandes surfaces interfaciales et de leurs énergies interfaciales, conduisant à une tendance à la réduction spontanée des interfaces et à l'agglomération des particules. D’un autre côté, la petite taille des particules en phase dispersée les rend sensibles au mouvement brownien, ce qui peut entraver la sédimentation, mais une fois les collisions se produisent, elles accélèrent l’agrégation. Les surfaces des particules de ciment, qui sont hydrophiles, sont recouvertes d'une couche solvatée qui empêche efficacement l'agrégation des particules. De plus, la plupart des surfaces des particules portent une charge électrique, créant une répulsion électrostatique entre les particules, ce qui rend difficile leur agglutination. Lorsque certaines des couches solvatées à la surface des particules disparaissent, les forces d’attraction moléculaire entre les particules peuvent conduire à la formation de structures floculées, emprisonnant une quantité importante d’eau de mélange à l’intérieur.

Après ajout d'un superplastifiant, la pâte de ciment présente une structure uniformément dispersée. Cela se produit parce que les groupes hydrophobes du superplastifiant s'adsorbent de manière directionnelle sur les surfaces des particules de ciment, les groupes hydrophiles faisant face à la solution aqueuse, formant une membrane d'adsorption moléculaire. Cela réduit la tension superficielle LV de l'eau, la tension interfaciale solide-liquide SL et l'angle de contact θ de l'eau sur les particules de ciment, améliorant ainsi sa mouillabilité et réduisant l'énergie interfaciale du système. Cela augmente également la vitesse à laquelle l'eau pénètre dans les pores des particules de ciment, ce qui est bénéfique pour l'adsorption du superplastifiant aux interfaces solides et génère des effets supplémentaires qui facilitent la dispersion et la décomposition des agglomérats de particules.

2.2 Effets de mouillage et de lubrification

Lorsque l’eau est mélangée au ciment, les surfaces des particules sont mouillées et le degré de mouillage affecte considérablement les performances du béton fraîchement mélangé. Lorsque la diffusion se produit naturellement, la réduction de l'énergie libre de surface peut être calculée à l'aide de l'équation de Gibbs :

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

où dGdGdG est le changement d'énergie libre de surface, cw\gamma_{cw} cw​ est la tension interfaciale à l'interface ciment-eau, et dSdSdS est le changement dans la zone mouillée. L'intégration de cela donne :

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 à répartir sur la surface des particules de ciment. Généralement, l’eau a la tension superficielle la plus élevée parmi les liquides courants, ce qui l’empêche de se propager sur des surfaces à faible énergie. L'ajout d'un superplastifiant réduit considérablement la tension superficielle de l'eau tout en abaissant également la tension interfaciale solide-liquide, permettant un épandage spontané sur des surfaces à faible énergie.

Les superplastifiants sont généralement des tensioactifs anioniques. Lorsque leur solution aqueuse entre en contact avec la surface des particules de ciment, les groupes hydrophiles du superplastifiant s'adsorbent sur les surfaces des particules de ciment en raison d'interactions électrostatiques, tandis que les groupes hydrophobes s'orientent vers la phase aqueuse. À mesure que la concentration du superplastifiant augmente, la quantité adsorbée augmente, les charges de surface sont neutralisées, l'agencement des régions hydrophobes devient plus compact et l'hydrophobie de la surface augmente, conduisant à un angle de contact plus élevé.

Les groupes hydrophiles adsorbés à la surface des particules de ciment forment facilement des liaisons hydrogène avec les molécules d'eau. Une fois qu'une quantité suffisante de superplastifiant est adsorbée sur les particules de ciment, l'interaction entre les groupes hydrophiles et les liaisons hydrogène dans les molécules d'eau, combinée aux liaisons hydrogène entre les molécules d'eau, forme un film d'eau solvaté stable entre les particules de ciment. Ce film empêche le contact direct entre les particules de ciment et assure la lubrification entre elles. De plus, lorsque le superplastifiant est ajouté, quelques petites bulles peuvent également pénétrer dans le système pâteux, entourées d'un film moléculaire adsorbé par le superplastifiant. Ces bulles portent la même charge électrique que le film d'adsorption sur les particules de ciment, et la répulsion électrostatique entre les bulles et les particules de ciment améliore la dispersion des particules de ciment, augmentant ainsi leur capacité de glissement.