Simulación molecular del efecto de la adición de polielectrólitos catiónicos en la cohesión de láminas de C-S-H

Abstract

Resumen: En este trabajo se estudió la variación en la cohesión de la fase principal del cemento endurecido (C-S-H) por efecto de la adición de polielectrólitos catiónicos (las aminas cuaternarias espermina y norespermidina). El estudio de la cohesión se realiza mediante técnicas de simulación molecular (Monte Carlo) para el cálculo de la presión osmótica entre dos láminas de C-S-H en condiciones similares al cemento endurecido. El procedimiento teórico desarrollado durante la tesis permite tener en cuenta efectos no considerados en anteriores trabajos, como la influencia del tamaño iónico de cada partícula y la adición de un polielectrólito con mayor carga y diferentes longitudes de enlaces entre cada una de las cargas de la molécula. Para el cálculo de la energía del sistema, la presión osmótica y los perfiles de densidad de las especies, se implementaron diferentes simulaciones Monte Carlo en el ensamble Canónico (NVT). Para describir las interacciones del sistema se utilizó el modelo primitivo y el potencial de Lennard-Jones, los parámetros utilizados para el modelo fueron tomados del campo de fuerza CLAYFF. Los resultados obtenidos en las simulaciones muestran que el modelo primitivo desarrollado permite describir adecuadamente las interacciones electroestáticas entre las láminas de C-S-H y la solución electrolítica, corroborando que las interacciones electroestáticas son las responsables de la cohesión del cemento endurecido. Se encontró que cuando no hay presencia de polielectrólitos catiónicos, la cohesión se pierde cuando las láminas de C-S-H se encuentran a separaciones mayores de 1 nm. La adición de polielectrólitos catiónicos genera que los iones hidróxido se distribuyan alrededor de las cargas de los polielectrólitos, lo que a su vez, mediante atracción electrostática, facilita la distribución de los iones de calcio y de sodio en todo el espacio de separación entre las placas de C-S-H, esto permite que las fuerzas de cohesión existan a mayores distancias de separación entre las superficies. En presencia de la espermina se produce una mayor fuerza neta de cohesión y un efecto de mayor alcance que con la presencia de norespermidina

Abstract This work is a study of the variation in the cohesion of the main phase of hardened cement (C-S-H) due to the addition of cationic polyelectrolyte (quaternary amines spermine and norspermidine). Cohesion study is carried out by molecular simulation techniques (Monte Carlo) for calculation of the osmotic pressure between two sheets of CSH similar conditions cement hardens. The theoretical method developed in this thesis, takes into account some effects not considered in previous projects, such as the influence of ionic size of each particle and the addition of a polyelectrolyte with increased load and different bond lengths between each of the loads of the molecule. For calculating the energy of the system, the osmotic pressure and density profiles of the species, were implemented different Monte Carlo simulations in the Canonical ensemble (NVT). To describe the interactions of the system, was used the primitive model and the Lennard-Jones potential; the parameters used for the model were taken from the force field CLAYFF. The results obtained in the simulations show that the primitive model developed allows adequately describe the electrostatic interactions between the sheets of CSH and electrolyte solution, corroborating that electrostatic interactions are responsible for the cohesion of the hardened cement. It was found that when no presence of cationic polyelectrolytes, cohesion is lost when the sheets are to CSH gaps larger than 1 nm. Adding cationic polyelectrolyte that generates hydroxide ions are distributed around the polyelectrolytes loads, which in turn, by electrostatic attraction, facilitates the distribution of ions of calcium and sodium in the entire gap between the plates CSH, this allows the cohesive forces exist at greater distances of separation between the surfaces. In the presence of spermine is a greater net force of cohesion and more far-reaching effect than the presence of norspermidine