Modellare il modo in cui i superfluidificanti possono ridurre le proporzioni di acqua nelle miscele di cemento può aiutare a sviluppare superfluidificanti più efficienti, oltre a migliorare le prestazioni concrete, mostra il primo studio completo condotto da A*STAR.

I superfluidificanti sono polimeri che agiscono come disperdenti nelle miscele cementizie. Ostacolano l'aggregazione delle particelle di cemento, consentendo drastiche riduzioni del volume d'acqua nell'impasto senza incidere sulla sua scorrevolezza e lavorabilità. Mentre è necessaria un po' d'acqua per consentire al cemento di indurirsi in calcestruzzo attraverso l'idratazione, riducendo la proporzione di acqua nelle miscele cementizie si ottengono prodotti più resistenti.

In collaborazione con l'azienda chimica globale, Nippon Shokubai, Jianwei Zheng dell'A*STAR Institute of High Performance Computing e colleghi hanno utilizzato simulazioni di dinamica molecolare per modellare l'adsorbimento di tre nuovi superfluidificanti – eteri policarbossilati (PCE) – sulla superficie delle particelle di ossido di magnesio in una miscela di cemento.

I superfluidificanti a base di PCE hanno gruppi di acidi carbossilici caricati negativamente nella loro struttura polimerica che si adsorbono elettrostaticamente alle particelle nel cemento come l'ossido di magnesio. I lunghi gruppi di polietilenglicole fungono quindi da distanziatori, impedendo alle particelle di cemento di aggregarsi. Un certo numero di precedenti, studi di modellazione più piccoli hanno suggerito che lo spessore di questo strato di polimero adsorbito è direttamente correlato alla quantità di dispersione osservata. Il team di Zheng è il primo a condurre uno studio di modellazione completo per determinare come la forma del polimero influenza la costruzione e la profondità dello strato.

"Descriviamo la correlazione delle strutture molecolari dei superfluidificanti di tipo PCE con la conformazione del polimero e lo spessore dello strato di adsorbimento in una soluzione di pori di cemento, " spiega Zheng. Il team ha scoperto che lo spessore dello strato dipende da come i polimeri si orientano inizialmente contro la superficie delle particelle. Quelli che iniziano perpendicolarmente alla superficie formano gradualmente una coda con un anello all'estremità. Questi polimeri alla fine formano il desiderato strato più spesso Al contrario, quelli che iniziano paralleli alla superficie crescono in una coda e risultano in uno strato più sottile.

Il team prevede di condurre ulteriori simulazioni con diverse strutture polimeriche per vedere se è possibile aumentare ulteriormente la profondità dello strato. "Nel prossimo futuro potrebbero essere progettati superfluidificanti più efficienti, " dice Zheng. "L'effetto dei superfluidificanti sull'idratazione del cemento sarà preso in considerazione nei modelli futuri".