ポリカルボン酸系減水剤の吸着分散
Nov 01, 2024
セメントペースト系の不安定性は、その広い界面面積と界面エネルギーに起因し、界面の自然な減少と粒子の凝集の傾向につながります。一方、分散相粒子は小さいためブラウン運動の影響を受けやすく、沈降が妨げられることがありますが、一度衝突すると凝集が促進されます。親水性であるセメント粒子の表面は、粒子の凝集を効果的に防止する溶媒和層で覆われています。さらに、ほとんどの粒子表面は電荷を帯びているため、粒子間に静電反発力が生じ、粒子が凝集しにくくなります。粒子表面の溶媒和層の一部が消失すると、粒子間の分子引力により凝集構造が形成され、大量の混合水を内部に閉じ込めることがあります。
減水剤の添加後、セメントペーストは均一に分散した構造を示します。これは、減水剤の疎水基がセメント粒子の表面に方向性を持って吸着し、親水基が水溶液側を向いて分子吸着膜を形成するために起こります。これにより、水の表面張力LV、固液界面張力SL、セメント粒子上の水の接触角θが減少し、濡れ性が向上し、系の界面エネルギーが減少します。また、水がセメント粒子の細孔に浸透する速度も増加します。これは、固体界面での減水剤の吸着に有益であり、粒子凝集体の分散と破壊を助ける追加の効果を生み出します。
2.2 湿潤および潤滑効果
セメントに水を混ぜると粒子表面が濡れますが、その濡れ具合が生コンクリートの性能に大きく影響します。拡散が自然に起こる場合、表面自由エネルギーの減少はギブス方程式を使用して計算できます。
dG= cw dSdG=\gamma_{cw} \, dSdG= cw ds
ここで、dGdGdG は表面自由エネルギーの変化、cw\gamma_{cw} cw はセメントと水の界面の界面張力、dSdSdS は濡れている領域の変化です。これを統合すると次のようになります。
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 はセメント粒子の表面に広がります。一般に、水は一般的な液体の中で最も高い表面張力を持っており、低エネルギーの表面では水が広がるのを防ぎます。減水剤を添加すると、水の表面張力が大幅に低下すると同時に固液界面張力も低下し、低エネルギー表面上での自発的な広がりが可能になります。
減水剤は通常、アニオン性界面活性剤です。減水剤の水溶液がセメント粒子の表面と接触すると、静電相互作用により減水剤の親水基がセメント粒子表面に吸着し、一方、疎水基は水相に向かって配向します。減水剤の濃度が増加すると吸着量が増加し、表面電荷が中和され、疎水性領域の配置が緻密になり、表面の疎水性が増加して接触角が増加します。
セメント粒子の表面に吸着した親水基は水分子と容易に水素結合を形成します。十分な減水剤がセメント粒子に吸着されると、水分子の親水基と水素結合との相互作用が、水分子間の水素結合と組み合わされて、セメント粒子間に安定した溶媒和水膜を形成します。この膜はセメント粒子間の直接接触を防ぎ、粒子間に潤滑を与えます。さらに、減水剤を添加すると、減水剤に吸着された分子膜に囲まれた小さな気泡がペースト系に混入することもあります。この気泡はセメント粒子の吸着膜と同じ電荷を帯びており、気泡とセメント粒子との静電反発力によりセメント粒子の分散が促進され、セメント粒子の滑り性が向上します。
