1、表面活性劑在混凝土中的基本功能 【摘 要】多數(shù)混凝土外加劑屬于表面活性劑。表面活性劑的基本作用是降低分散體系中 兩相間的界面自由能，提高分散體系的穩(wěn)定性。本文討論了表面活性劑在混凝土中的基本 功能。【關(guān)鍵詞】表面活性劑；混凝土；基本功能表面活性劑是分子中帶有性質(zhì)不同的親水基和疏水基的雙親結(jié)構(gòu)化合物，少量使用即可使 表面或界面的一些性質(zhì)(如乳化、增溶、分散、潤(rùn)濕、滲透)發(fā)生顯著變化。它是一種功 能性精細(xì)化工產(chǎn)品。多數(shù)混凝土外加劑屬于表面活性劑。表面活性劑的基本作用是降低分散體系中兩相間的界 面自由能，提高分散體系的穩(wěn)定性。作為混凝土外加劑的表面活性劑，在考慮它們的表面 活性作用的同時(shí)，還要注意它

2、們對(duì)水泥水化反應(yīng)的影響。通常將表面活性劑的改變表面張力、潤(rùn)濕滲透、分散、乳化、增溶、起泡消泡功能稱為表 面活性劑的基本功能，外加劑在混凝土中的很多作用都與這些功能有關(guān)，下面說(shuō)明混凝土 外加劑的作用機(jī)理。潤(rùn)濕作用將水滴于石蠟上，水呈球狀，水中加入表面活性劑后，則水滴趨于鋪展。這種液體在固體 表面的鋪展性能稱為潤(rùn)濕，而加有表面活性劑的水能更快地浸透帆布或棉絮，這種液體對(duì) 于多孔性固體的浸濕過(guò)程稱為滲透。潤(rùn)濕行為和接觸角。圖1所示。一般以9 90。視為不潤(rùn)濕。液體對(duì)固體的潤(rùn)濕作用可用Young方程或接觸角來(lái)衡量：(1)表面活性劑的潤(rùn)濕功能是通過(guò)它在固一液界面上的定向吸附來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要有兩種途徑：提高

3、液體的潤(rùn)濕能力當(dāng)水與低能固體表面接觸時(shí)，由于水的表面張力比固體的表面張力大，因此水不能在低能 表面上鋪展開(kāi)來(lái)。如果在水中加入一些表面活性劑，表面活性劑分子在氣一液界面定向吸 附，以極性基團(tuán)朝向水，以非極性基團(tuán)朝向氣體，使水的表面張力降低。當(dāng)水中表面活性 劑的濃度足以使水的表面張力低于固體的表面張力時(shí)，水就可以在固體表面上鋪展開(kāi)來(lái)。 其具有這種提高液體潤(rùn)濕能力的表面活性劑被稱為潤(rùn)濕劑。改變固體表面的潤(rùn)濕性質(zhì)當(dāng)具有兩親結(jié)構(gòu)的表面活性劑吸附在高能固體表面時(shí)，將以極性基團(tuán)朝向固體表面，非極 性基團(tuán)朝向氣體形成定向排列吸附層。此時(shí)，固體表面因被表面活性劑的非極性基團(tuán)（疏 水基）覆蓋而具有低能表面特性。這

4、時(shí)固體表面就難被液體所潤(rùn)濕，表面活性劑起到了反 潤(rùn)濕作用。例如防水劑、浮選劑就具有這種反潤(rùn)濕作用。分散作用通常把一種物質(zhì)的顆粒或液滴以極微小的形態(tài)分散到另一介質(zhì)中的過(guò)程稱為分散。所得到 的均勻、穩(wěn)定的體系叫分散體。把被分散的顆粒或液滴叫做分散相，分散相所進(jìn)入的介質(zhì) 叫分散介質(zhì)。將磨細(xì)的固體顆粒分散到液體中，可能出現(xiàn)三種情況：固體粒子重新相互黏接，形成粒子凝聚體；固體粒子相互保持獨(dú)立的分散狀態(tài)；固體粒子介于上述兩種狀態(tài)之間。表面活性劑在固體分散過(guò)程中的功能，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）降低分散體系的自由能根據(jù)分散作用的熱力學(xué)原理，在固一液分散體系中，分散過(guò)程體系自由能的變化 G為：AG=yAA

5、-TAS（2）式中：AA為粒子表面積的增量；S為體系的熵變；T為環(huán)境溫度；Y為固-液表面張力。固體粒子分散時(shí)，粒子的表面積增加，使分散體系的自由能增加，體系的穩(wěn)定性下降，分 散粒子產(chǎn)生凝結(jié)傾向。若要降低不穩(wěn)定程度，提高體系的相對(duì)穩(wěn)定性，必須降低分散體系 的自由能。由公式（2）可知，必須采用表面活性劑降低固一液表面張力。（2）增加粒子間的靜電斥力溶液中的固體顆粒表面通過(guò)吸附或電離會(huì)形成帶有某種電荷的固體顆粒。它們通過(guò)靜電吸 附作用又會(huì)把部分分散在溶液中帶相反電荷的離子吸附到這些固體顆粒周圍，其余的反離 子則擴(kuò)散在溶液中。離固體顆粒表面的距離越遠(yuǎn)，反離子的濃度越低。因此雖然從溶液整 體看來(lái)是電中性

6、的，但從固體顆粒表面看存在兩個(gè)帶相反電荷的區(qū)域，即由固體顆粒表面 帶有的電荷和由它吸引的部分帶相反電荷的離子組成一個(gè)緊密吸附層，和距離固體顆粒表 面較遠(yuǎn)的帶相反電荷的離子組成一個(gè)擴(kuò)散層。固體顆粒表面附近由吸附層和擴(kuò)散層組成的 兩個(gè)不同帶電區(qū)域的結(jié)構(gòu)被稱為雙電層結(jié)構(gòu)。因此當(dāng)固體顆粒與液體進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑 移面（剪切面）上將產(chǎn)生電位差，稱為f電位。f電位值的大小表示兩層相對(duì)運(yùn)動(dòng)的勢(shì)能大 小，也就是粒子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的電性斥力的大小。若表面活性劑（離子型）被固體粒子吸 附后，可增加粒子的表面電位和加大雙電層擴(kuò)散層的厚度，f電位將增加，粒子間的斥力 將增大，固體粒子所在的分散體系的穩(wěn)定性將得到提高。（

7、3）空間保護(hù)作用表面活性劑吸附在固體顆粒表面后，其親水基團(tuán)的一端往往會(huì)吸附一層水分子，從而在固 體粒子表面形成溶劑化水膜，而使相鄰的兩個(gè)固體粒子很容易被水潤(rùn)濕而分開(kāi)，阻止凝聚 結(jié)構(gòu)的形成，產(chǎn)生空間保護(hù)作用。乳化作用乳化是一種液體以微小液滴或液晶形式均勻分散到另一種不相混溶的液體介質(zhì)中形成具有 相當(dāng)穩(wěn)定性的多相分散體系的過(guò)程。由于形成的多相分散體系外觀往往呈乳狀，所以稱其 為乳狀液或乳化液。乳狀液中以液珠形式被分散的一相叫分散相（或稱內(nèi)相、不連續(xù)相）；另一相是連成一片 的稱為分散介質(zhì)（或稱外相、連續(xù)相）。僅由內(nèi)相和外向組成的新體系，由于兩相界面的 增大，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的。若使分散體系穩(wěn)定存在

8、，則應(yīng)在分散體系中加入一種能促 使兩種互不相溶的液體形成穩(wěn)定乳狀液的物質(zhì)，該物質(zhì)即為乳化劑。因此，乳狀液是由分 散相、分散介質(zhì)和乳化劑三種成分組成。大多數(shù)具有兩親結(jié)構(gòu)的物質(zhì)都可以用作乳化劑， 表面活性劑是最常用的一類乳化劑。乳化劑的作用機(jī)理主要是它能降低分散體系的表面 張力，在其微液珠的表面上形成薄膜和雙電層等來(lái)阻止這些微液珠相互凝結(jié)，增大乳狀液 的穩(wěn)定性。增溶作用表面活性劑在水溶液中形成膠束后，具有能使不溶或微溶于水的有機(jī)化合物的溶解度顯著 增大的能力，且溶液呈透明狀，這種作用稱為增溶作用。能產(chǎn)生增溶作用的表面活性劑被 稱為增溶劑，被增溶的有機(jī)物被稱為增溶物。雖然采用乳化和增容兩種方法都能增

9、加水和油混合物的互溶性，但兩者有著顯著的區(qū)別。 乳化是將水或油以微小珠滴的形式分散到另一物質(zhì)中，得到的是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定的多相 體系，隨時(shí)間延長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)兩相分離；而增溶是表面活性劑膠束把水或油溶解到自身組織之 中，所形成的增溶體系是熱力學(xué)穩(wěn)定的單一液相，而且如果溫度、組成條件適合，則增溶 體系的形成與混合方法、混合順序無(wú)關(guān)。起泡作用“泡”是由液體薄膜包圍著的氣體，是氣體在液體中的分散體系。氣體是分散相，液體是 連續(xù)相。起泡性是表面活性劑的性能指標(biāo)之一，具有起泡功能作用的表面活性劑被稱為起 泡劑，其主要作用如下：降低表面張力根據(jù)拉普拉斯(Laplace)方程，對(duì)于球形氣泡，當(dāng)液體表面張力為r，曲率

10、半徑為R時(shí)， 在氣相和液相間產(chǎn)生的壓力差，即AP隨液體表面張力的增加而增大，隨氣泡曲率半徑增大而減小。表面活性劑有降低表面張力的作用.因 此加入表面活性劑有利于泡沫穩(wěn)定；而且研究表明，當(dāng)加入表面活性劑的濃度稍低于其臨 界膠束濃度時(shí)，泡沫會(huì)更持久。提高表面膜強(qiáng)度若使泡沫穩(wěn)定、持久，應(yīng)提高表面膜強(qiáng)度，由于(長(zhǎng)鏈分子)表面活性劑在表面膜中定向 排列的分子層排列得比較緊密，形成強(qiáng)度較大的表面膜而使泡沫不易破裂。提高液膜表面黏度，降低氣體的透過(guò)性由拉普拉斯方程可知，氣泡越小，氣、液相產(chǎn)生的壓力差?越大，當(dāng)大小氣泡相鄰時(shí)， 由于壓力差的作用，氣體可從小氣泡透過(guò)液膜擴(kuò)散到大氣泡中，結(jié)果使小氣泡變小直至消 失

11、，而大氣泡變得更大，最后破裂。如果液膜的表面黏度高，氣體透過(guò)性差，氣體擴(kuò)散慢 則有利于氣泡的穩(wěn)定。表面活性劑會(huì)被吸附、富集在氣液界面，在氣液界面上表面活性劑 分子的緊密排列，提高液膜表面黏度，使氣泡的透氣性變差。提高液膜電位值，增加靜電斥力作用當(dāng)采用離子型表面活性劑時(shí)，在氣泡液膜兩側(cè)會(huì)形成定向吸附的雙電層結(jié)構(gòu)，表面活性劑 在氣泡表面的吸附會(huì)導(dǎo)致絕對(duì)值升高，氣泡之間的靜電斥力也隨之增大。靜電斥力的增大 加大了氣泡合并過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)勢(shì)壘，因此有利于提高氣泡的穩(wěn)定性。消泡作用用于消泡作用的表面活性劑被稱為消泡劑。它是一種能以較快速度降低表面張力的物質(zhì)， 很易在已生成的泡沫的表面上鋪展開(kāi)，取代已吸附的起泡劑分子并帶走附近表面的溶液， 從而降低液膜表面黏度、彈性和強(qiáng)度。當(dāng)消泡劑進(jìn)入到氣泡液膜雙分子定向膜的中間時(shí)， 會(huì)使定向膜的