Als Adsorptionsschichten werden Schichten von Molekülen bezeichnet, die als mono oder multimolekulare Schichten auf einer Feststoffoberfläche adsorbieren. Dabei kann es dazu kommen, dass die Oberflächeneigenschaften nicht mehr von der chemischen Zusammensetzung des Feststoffs sondern teilweise bzw. vollständig von der adsorbierten Schicht definiert werden. Adsorptionsschichten von Molekülen, die in der makroskopischen Betrachtung als flüssigkeitsähnlich definiert würden, verhalten sich im Adsorptionsschichtbereich nicht flüssigkeitsähnlich und weisen ein anderes Bewegungs und Bindungsverhalten auf. Die Moleküle der Wasseradsorptionsschicht erfahren ein geringeres Beweglichkeitspotenzial als im freien Wasser und steuern einen erheblichen Teil zur interpartikulären Haftkraft bei, der nicht vernachlässigt werden darf. Wasseradsorptionsschichten haben, abhängig von ihrer Dicke und den mit der Partikeloberfläche eingegangenen Wechselwirkungen, andere Eigenschaften als flüssiges Wasser und rufen eine Phasenänderung hervor. Es ändert sich die Phasenübergangstemperatur und die Oberflächenspannung verringert sich. Die ersten Wassermolekülschichten auf der Oberfläche werden durch Wasserstoffbrückenbindungen adsorbiert, die stärker sind als in weiterer Entfernnung von der Kornoberfläche. Sie können als chemisch gebundene Hydratationsschicht angenommen werden [83], wobei es sich nicht um eine Hydratation im Sinne der Zementchemie handelt, die als Hydratisierung bezeichnet wird, siehe auch Erläuterungen zu Abbildung 52.
Die Form der Bindung von zwei Feststoffpartikeln durch adsorbierte Wassermoleküle wird verursacht, wenn sich dünne Adsorptionsschichten von benachbarten Partikeln bei Annäherung der Partikel durchdringen und überlappen wie in Abbildung 58 dargestellt. Die Größe dieser Kraft ist proportional zu der entstehenden Kontaktfläche der sich überlappenden Wasserfilme und zu der Zugspannung afder adsorbierten Wasserfilme. Diese Haftkraft ist von der Anzahl der Kontaktpunkte, der Oberflächenrauigkeit, sowie der aufgenommenen Feuchte abhängig. Die aufgenommene Feuchte wiederum hängt davon ab, ob eine Mikroporosität durch z.B. abrasive Mahlvorgänge hervorgerufen, vorhanden ist, oder ob die Partikeloberflächen lediglich rau, jedoch geschlossen und nicht zerklüftet sind. Bei seiner Festwasserthese zur Zementerhärtung geht Keil [84] ebenfalls von pseudofesten Wasserfilmen aus, die andere physikalische Eigenschaften haben als flüssiges Wasser. Diese Wasserfilme von nur molekularen Dimensionen wirken zwischen den sich nicht unmittelbar berührenden Feinstpartikeln als Bindeglieder, worin Ende der vierziger Jahre ein Erklärungsansatz für die Grünstandsfestigkeit frischer Betone gesehen wurde.
Abbildung 58: sich überlagernde Adsorptionsfilme aus Wasser an zwei unterschiedlich
großen,ideal runden und glatten Partikeln
Nach Coelho [85] berechnet sich die interpartikuläre Kraft Faf zu:
Mit
D1 = Durchmesser des größeren Partikels
D2 = Durchmesser des kleineren Partikels,
dP = Abstand der Partikeloberflächen,
daf= Dicke des adsorbierten Filmes,
der bei beiden Partikeln als gleich groß angenommen wurde.
Über die Größe der Zugspannung σaf der adsorbierten Wasserfilme existieren in der Literatur unterschiedliche Angaben. Coelho [85] bezieht sich auf Rumpf, der eine Spannung von 0,981MN/m2 annimmt. Nach Bönsch [58] liegen im adsorptiven Bereich der Wasserschichten Spannungen von 50 MN/m2 vor. Kedzdi [30] nennt eine Größe von 1.960 MN/m2 für die ersten Moleküllagen um Partikeloberflächen, siehe auch Kap. 2.1.1. Aus Abbildung 6 geht hervor, dass die Spannung innerhalb des adsorptiven Bereiches sehr schnell und rapide abfällt und bei ca. 0,5 µm Entfernung von der Oberfläche den Zustand des normalen Umgebungswassers erreicht hat. Daher istfür eine präzise rückverfolgbare Annahme der Zugspannung die Angabe der Entfernung zur Partikeloberfläche von Bedeutung.
Näherungsweise kann die Zugspannung in einem Adsorptionsfilm berechnet werden als die Zugspannung, die aufgebracht werden muss, um die Druckspannung in einem Wassertropfen aufgrund des in ihm herrschenden Überdruckes zu überwinden. Dabei ist der Überdruck umso größer, je kleiner der Tropfenradius ist.
Bei Anwendung der Formel
zur Bestimmung des Druckes in einem Wassertropfen [86] mit Radius R und der Oberflächenspannung des Wassers σwa= 0,07275 [N/m] erhält man für eine Wasserfilmdicke von 10 ÅDurchmesser (d.h. ca. 3 Molekülschichten Wasser) und einem fiktiven Tropfenradius von 5Å eine Spannung
entsprechend 291 MN/m2. Solche sehr dünnen Adsorptionsfilme von nur wenigen Molekülschichten stellen sich lediglich durch Wasserdampfdiffusion ein. Demgegenüber sind die zu erwartenden Filmdicken bei erdfeuchten Leimen, wie sie überschlägig in Kap. 2.4.1.1 berechnet wurden, erheblich dicker.
Die Spannung von 0,981 MN/m2, die Coelho bei der Berechnung der Adsorptionsfilme annimmt, entspricht bei Rückrechnung mit der Formel 9einer Filmdicke von 0,03 µm (ca. 62 Molekülschichten Wasser).
Als Beispiel für die Abschätzung der Größenordnung der Kräfte durch sich überlappende Adsorptionsfilme wird die Adsorptionskraft berechnet für den Kontakt von zwei Partikeln mit den Durchmessern 1 µm(=D2) und 10 µm(=D1) für eine Spannung von 0,981 MN/m2 und einer Filmdicke von 0,03 µm sowie einem Partikelabstand in Höhe der Filmdicke:
Es ist die Kontaktfläche der Adsorptionsfilme
Damit ist die Adsorptionskraft im Verhältnis zu der Gewichtskraft des kleineren Partikels ausgedrückt
Faf/FP2 = 5.286 mal so groß wie die Gewichtskraft des kleineren Partikels P2.
Somit ist Faf0,4=4,15*10-06 N deutlich höher und beträgt ca. das 261.000 fache der Gewichtskraft FP2, die höhere Zugspannung wirkt sich also stärker aus als die verringerte Kontaktfläche.
Diese Vergleichegelten für ideal glatte und kugelige Partikel. Oberflächenrauhigkeiten verringern den Einfluss der Adsorptionsfilme in etwa um die Wassermenge, die in den Tälern der mittleren Rauhigkeiten Platz findet [85]. Die maßgebende Kontaktfläche weicht dann von den Überlegungen in Abbildung 58 ab und entspricht eher den Verhältnissen wie sie in Abbildung 45 dargestellt sind, d.h. vereinzelte Durchdringungen der Adsorptionsfilme an Rauhigkeitserhebungen.
Selbst wenn durch die tatsächlichen Gegebenheiten der Oberfläche, der Adsorptionsspannung oder des Partikelabstandes die Adsorptionskraft nur 1/100 der errechneten betragen würde, liegt sie immer noch erheblich über der reinen gravimetrischen Kraftkomponente.
Da die Adsorptionsfilme generell als immanent zum Partikel zugehörig betrachtet werden können, aufgrund ihrer hohen Bindungskräfte zu dessen Oberfläche, und sie gleichzeitig die Vertiefungen auf der Oberfläche ausfüllen, werden dadurch außerdem die für die Van der Waals Kräfte wirksamen Partikelabstände reduziert und die Van der Waals Kräfte verstärken sich.
Bei auftretenden Dehnungen in Folge äußerer Zugkräfte werden die Adsorptionskräfte empfindlich reagieren und bereits bei sehr geringem Auseinanderdriften der sich überlagernden Adsorptionsfilme sehr schnell nachlassen, da die Kontaktflächen sich bereits bei geringen Abstandszunahmen stark verringern.