Modelleren hoe superplastificeerders de wateraandelen in cementmengsels kunnen verminderen, kan helpen bij het ontwikkelen van efficiëntere superplastificeerders, evenals het verbeteren van de betonprestaties, toont de eerste uitgebreide studie uitgevoerd door A*STAR.

Superplastificeerders zijn polymeren die fungeren als dispergeermiddelen in cementmengsels. Ze belemmeren de aggregatie van de cementdeeltjes, waardoor een dramatische vermindering van het watervolume in het mengsel mogelijk is zonder de stroom en verwerkbaarheid te beïnvloeden. Hoewel er wat water nodig is om cement door hydratatie tot beton te laten uitharden, het verminderen van het wateraandeel in cementmengsels resulteert in sterkere producten.

In samenwerking met het wereldwijde chemiebedrijf, Nippon Shokubai, Jianwei Zheng van het A*STAR Institute of High Performance Computing en collega's gebruikten moleculaire dynamische simulaties om de adsorptie van drie nieuwe superplastificeerders - polycarboxylaatethers (PCE's) - op het oppervlak van magnesiumoxidedeeltjes in een cementmengsel te modelleren.

Op PCE gebaseerde superplastificeerders hebben negatief geladen carbonzuurgroepen in hun polymeerruggengraat die elektrostatisch adsorberen aan deeltjes in cement zoals magnesiumoxide. De lange polyethyleenglycolgroepen fungeren dan als afstandhouders, voorkomen dat de cementdeeltjes gaan klonteren. Een aantal eerdere, kleinere modelleringsstudies suggereerden dat de dikte van deze geadsorbeerde polymeerlaag direct correleert met de hoeveelheid waargenomen dispersie. Het team van Zheng is de eerste die een uitgebreide modelstudie heeft uitgevoerd om te bepalen hoe de vorm van het polymeer de laagopbouw en diepte beïnvloedt.

"We beschrijven de correlatie van moleculaire structuren van superplastificeerders van het PCE-type met polymeerconformatie en de dikte van de adsorptielaag in cementporiënoplossing, " legt Zheng uit. Het team ontdekte dat de dikte van de laag afhangt van hoe de polymeren zich aanvankelijk oriënteren tegen het deeltjesoppervlak. De polymeren die loodrecht op het oppervlak beginnen, vormen geleidelijk een staart met een lus aan hun uiteinde. Deze polymeren vormen uiteindelijk de gewenste dikkere laag. degenen die parallel aan het oppervlak beginnen, groeien uit tot een staart en resulteren in een dunnere laag.

Het team is van plan verdere simulaties uit te voeren met verschillende polymeerstructuren om te zien of de laagdiepte verder kan worden vergroot. "In de nabije toekomst kunnen mogelijk efficiëntere superplastificeerders worden ontworpen, ", zegt Zheng. "Het effect van superplastificeerders op de hydratatie van cement zal in toekomstige modellen worden overwogen."