表面活性剂在混凝土中的基本功能

【摘 要】多数混凝土外加剂属于表面活性剂。表面活性剂的基本作用是降低分散体系中两相间的界面自由能，提高分散体系的稳定性。本文讨论了表面活性剂在混凝土中的基本功能。

【关键词】表面活性剂；混凝土；基本功能

表面活性剂是分子中带有性质不同的亲水基和疏水基的双亲结构化合物，少量使用即可使表面或界面的一些性质（如乳化、增溶、分散、润湿、渗透）发生显著变化。它是一种功能性精细化工产品。

多数混凝土外加剂属于表面活性剂。表面活性剂的基本作用是降低分散体系中两相间的界面自由能，提高分散体系的稳定性。作为混凝土外加剂的表面活性剂，在考虑它们的表面活性作用的同时，还要注意它们对水泥水化反应的影响。

通常将表面活性剂的改变表面张力、润湿渗透、分散、乳化、增溶、起泡消泡功能称为表面活性剂的基本功能，外加剂在混凝土中的很多作用都与这些功能有关，下面说明混凝土外加剂的作用机理。

1.润湿作用

将水滴于石蜡上，水呈球状，水中加入表面活性剂后，则水滴趋于铺展。这种液体在固体表面的铺展性能称为润湿，而加有表面活性剂的水能更快地浸透帆布或棉絮，这种液体对于多孔性固体的浸湿过程称为渗透。润湿行为和接触角θ图1所示。

一般以θ90°视为不润湿。液体对固体的润湿作用可用Young方程或接触角来衡量：

---------------（1）

表面活性剂的润湿功能是通过它在固一液界面上的定向吸附来实现的，主要有两种途径：

（1）提高液体的润湿能力

当水与低能固体表面接触时，由于水的表面张力比固体的表面张力大，因此水不能在低能表面上铺展开来。如果在水中加入一些表面活性剂，表面活性剂分子在气一液界面定向吸附，以极性基团朝向水，以非极性基团朝向气体，使水的表面张力降低。当水中表面活性剂的浓度足以使水的表面张力低于固体的表面张力时，水就可以在固体表面上铺展开来。其具有这种提高液体润湿能力的表面活性剂被称为润湿剂。

（2）改变固体表面的润湿性质

当具有两亲结构的表面活性剂吸附在高能固体表面时，将以极性基团朝向固体表面，非极性基团朝向气体形成定向排列吸附层。此时，固体表面因被表面活性剂的非极性基团（疏水基）覆盖而具有低能表面特性。这时固体表面就难被液体所润湿，表面活性剂起到了反润湿作用。例如防水剂、浮选剂就具有这种反润湿作用。

2.分散作用

通常把一种物质的颗粒或液滴以极微小的形态分散到另一介质中的过程称为分散。所得到的均匀、稳定的体系叫分散体。把被分散的颗粒或液滴叫做分散相，分散相所进入的介质叫分散介质。将磨细的固体颗粒分散到液体中，

可能出现三种情况：

①固体粒子重新相互黏接，形成粒子凝聚体；

②固体粒子相互保持独立的分散状态；

③固体粒子介于上述两种状态之间。

表面活性剂在固体分散过程中的功能，主要表现在以下几个方面：

（1）降低分散体系的自由能

根据分散作用的热力学原理，在固一液分散体系中，分散过程体系自由能的变化G为：

G=γA―TS ------------------（2）

式中：A为粒子表面积的增量；

S为体系的熵变；

T为环境温度；

γ为固-液表面张力。

固体粒子分散时，粒子的表面积增加，使分散体系的自由能增加，体系的稳定性下降，分散粒子产生凝结倾向。若要降低不稳定程度，提高体系的相对稳定性，必须降低分散体系的自由能。由公式（2）可知，必须采用表面活性剂降低固一液表面张力。

（2）增加粒子间的静电斥力

溶液中的固体颗粒表面通过吸附或电离会形成带有某种电荷的固体颗粒。它们通过静电吸附作用又会把部分分散在溶液中带相反电荷的离子吸附到这些固体颗粒周围，其余的反离子则扩散在溶液中。离固体颗粒表面的距离越远，反离子的浓度越低。因此虽然从溶液整体看来是电中性的，但从固体颗粒表面看存在两个带相反电荷的区域，即由固体颗粒表面带有的电荷和由它吸引的部分带相反电荷的离子组成一个紧密吸附层，和距离固体颗粒表面较远的带相反电荷的离子组成一个扩散层。固体颗粒表面附近由吸附层和扩散层组成的两个不同带电区域的结构被称为双电层结构。因此当固体颗粒与液体进行相对运动时，滑移面（剪切面）上将产生电位差，称为f电位。f电位值的大小表示两层相对运动的势能大小，也就是粒子间相对运动时的电性斥力的大小。若表面活性剂（离子型）被固体粒子吸附后，可增加粒子的表面电位和加大双电层扩散层的厚度，f电位将增加，粒子间的斥力将增大，固体粒子所在的分散体系的稳定性将得到提高。

（3）空间保护作用

表面活性剂吸附在固体颗粒表面后，其亲水基团的一端往往会吸附一层水分子，从而在固体粒子表面形成溶剂化水膜，而使相邻的两个固体粒子很容易被水润湿而分开，阻止凝聚结构的形成，产生空间保护作用。

3.乳化作用

乳化是一种液体以微小液滴或液晶形式均匀分散到另一种不相混溶的液体介质中形成具有相当稳定性的多相分散体系的过程。由于形成的多相分散体系外观往往呈乳状，所以称其为乳状液或乳化液。

乳状液中以液珠形式被分散的一相叫分散相（或称内相、不连续相）；另一相是连成一片的称为分散介质（或称外相、连续相）。仅由内相和外向组成的新体系，由于两相界面的增大，在热力学上是不稳定的。若使分散体系稳定存在，则应在分散体系中加入一种能促使两种互不相溶的液体形成稳定乳状液的物质，该物质即为乳化剂。因此，乳状液是由分散相、分散介质和乳化剂三种成分组成。大多数具有两亲结构的物质都可以用作乳化剂，表面活性剂是最常用的一类乳化剂。

乳化剂的作用机理主要是它能降低分散体系的表面张力，在其微液珠的表面上形成薄膜和双电层等来阻止这些微液珠相互凝结，增状液的稳定性。

4.增溶作用

表面活性剂在水溶液中形成胶束后，具有能使不溶或微溶于水的有机化合物的溶解度显著增大的能力，且溶液呈透明状，这种作用称为增溶作用。能产生增溶作用的表面活性剂被称为增溶剂，被增溶的有机物被称为增溶物。

虽然采用乳化和增容两种方法都能增加水和油混合物的互溶性，但两者有着显著的区别。乳化是将水或油以微小珠滴的形式分散到另一物质中，得到的是一种热力学不稳定的多相体系，随时间延长会出现两相分离；而增溶是表面活性剂胶束把水或油溶解到自身组织之中，所形成的增溶体系是热力学稳定的单一液相，而且如果温度、组成条件适合，则增溶体系的形成与混合方法、混合顺序无关。

5.起泡作用

“泡”是由液体薄膜包围着的气体，是气体在液体中的分散体系。气体是分散相，液体是连续相。起泡性是表面活性剂的性能指标之一，具有起泡功能作用的表面活性剂被称为起泡剂，其主要作用如下：

（1）降低表面张力

根据拉普拉斯（Laplace）方程，对于球形气泡，当液体表面张力为r，曲率半径为R时，在气相和

液相间产生的压力差 ，即ΔP随液体表面

张力的增加而增大，随气泡曲率半径增大而减小。表面活性剂有降低表面张力的作用.因此加入表面活性剂有利于泡沫稳定；而且研究表明，当加入表面活性剂的浓度稍低于其临界胶束浓度时，泡沫会更持久。

（2）提高表面膜强度

若使泡沫稳定、持久，应提高表面膜强度，由于（长链分子）表面活性剂在表面膜中定向排列的分子层排列得比较紧密，形成强度较大的表面膜而使泡沫不易破裂。

（3）提高液膜表面黏度，降低气体的透过性

由拉普拉斯方程可知，气泡越小，气、液相产生的压力差P越大，当大小气泡相邻时，由于压力差的作用，气体可从小气泡透过液膜扩散到大气泡中，结果使小气泡变小直至消失，而大气泡变得更大，最后破裂。如果液膜的表面黏度高，气体透过性差，气体扩散慢则有利于气泡的稳定。表面活性剂会被吸附、富集在气液界面，在气液界面上表面活性剂分子的紧密排列，提高液膜表面黏度，使气泡的透气性变差。

（4）提高液膜 电位值，增加静电斥力作用

当采用离子型表面活性剂时，在气泡液膜两侧会形成定向吸附的双电层结构，表面活性剂在气泡表面的吸附会导致绝对值升高，气泡之间的静电斥力也随之增大。静电斥力的增大加大了气泡合并过程中的动力学势垒，因此有利于提高气泡的稳定性。

6.消泡作用

用于消泡作用的表面活性剂被称为消泡剂。它是一种能以较快速度降低表面张力的物质，很易在已生成的泡沫的表面上铺展开，取代已吸附的起泡剂分子并带走附近表面的溶液，从而降低液膜表面黏度、弹性和强度。当消泡剂进入到气泡液膜双分子定向膜的中间时，会使定向膜的力学平衡受到破坏而破碎，从而达到消泡的目的。消泡功能就其作用本质来说，有破泡和抑泡之差别。破泡作用在于降低局部表面的表面张力，使膜很快变薄，被周围高张力区所拉而形成破裂点或使液膜中液体排液增快而缩短泡沫寿命。抑泡作用在于使原表面上覆盖一层表面张力恒定、扩散快、不内聚、不起泡而仅有适度表面活性的组分以降低表面弹性，使其在较长时间内保持破泡条件.

参考文献

[1] 蒋亚清.混凝土外加剂应用基础.北京：化学工业出版社，2004

[2] 阮承祥.混凝土外加剂及工作原理[M].江西科学技术出版社，2008

[3] 徐定华、徐敏著.混凝土材料概论.北京：中国标准出版社，2002