1、第二章 混凝土外加劑的物理化學(xué)基礎(chǔ),2.1 表面活性劑的性質(zhì) 2.2 水泥分散體系的性質(zhì) 2.3 表面活性作用對混凝土流變性能影響,2.1 表面活性劑的性質(zhì),1.表面現(xiàn)象 （1）作用立場的不平衡狀態(tài) （2）物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不連續(xù)狀態(tài) （3）物質(zhì)密度的非均一性,界面,不同性質(zhì),分界面,內(nèi)部：平衡狀態(tài),界面：不平衡狀態(tài),比表面：單位質(zhì)量物質(zhì)所具有的總表面積。,2.表面活性劑的種類 定義：是可溶于液相中并且吸附在相界面上使界面能顯著降低的物質(zhì)。,憎水劑 親水基,陰離子表面活性劑在水中離解成離子， 其表面活性是由陰離子產(chǎn)生的。,肥皂能夠去污，這是由于肥皂的水溶液能使油污發(fā)生乳化形成乳狀液， 原來的油和水的界

2、面不再存在。油成為分散的微小乳化粒子懸浮于水中 而被除去。肥皂便是表面活性劑。,陽離子表面活性劑在水中也離解成離子， 但起表面活性作用的是陽離子,憎水基 親水基,十二烷基三甲基氯化銨,兩性表面活性劑是指分子中同時(shí)具有 陰和陽兩種離子的表面活性劑,十二烷基二甲基氨基乙酸鈉,它是季銨鹽陽離子部分和羧酸鹽陰離子部分構(gòu)成的兩性表面活性劑， 在酸性介質(zhì)中顯陽離子性質(zhì)，在堿性介質(zhì)顯陰離子性質(zhì)，在適當(dāng)介 質(zhì)中顯出陰、陽離子相等的等電點(diǎn)。,非離子型表面活性劑在水中不離解成離子， 其親水部分是在水中不離解的羥基和醚鍵,烷基酚聚氧乙烯醚,聚氧乙烯烷基醇酰胺,3.表面活性劑的基本性質(zhì) （1）表面吸附于表面能、表面張

3、力,正吸附：表層濃度溶液中濃度 負(fù)吸附：表層濃度溶液中濃度,極稀溶液,稀溶液,臨界膠束濃度,超臨界膠束濃度,（2）分散作用 a. b.,正吸附,表面活性劑在界面處濃度增大,表面自由能降低,體系向分散穩(wěn)定方向進(jìn)行,表面活性劑,表面吸附層,粒子間凝聚能降低,分散程度提高,固體粒子表面活性,離子濃度梯度,溶液中離子受力,斥力增大,雙電層,帶電,增大,表面活性劑,電位：粒子相對運(yùn)動(dòng)時(shí)電性斥力的大小。,分散,距離增大,c.表面活性劑是電解質(zhì)溶液,，完全潤濕； ，潤濕； ，不潤濕； ，完全不潤濕。,（3） 潤濕作用 潤濕作用是指在固體或液體表面用一種流體置換另一種流體的現(xiàn)象。 潤濕程度的大小：接觸角（潤濕

4、角）,能被液體潤濕的固體，稱為親液性固體； 不被液體潤濕的固體稱為憎液性固體。 最常見的液體為水，極性固體都為親水性，非極性固體為憎水性。 利用表面活性劑在固體表面上的吸附可以改變固體的潤濕性。,（4）潤滑作用，電保護(hù)作用,潤滑作用：表面活性劑被吸附在固體表面層后，其親水基一端會(huì)吸附一層水分子，形成一層水膜，而使相鄰的兩個(gè)固相表面被水分潤濕而分開，從而改變了固體表面相互接觸之間的摩擦力，使原來固相間摩擦力因水化層的潤滑作用而減小，這就叫潤滑作用，也叫立體保護(hù)作用。,電保護(hù)作用：在離子型表面活性劑中，由于表面活性劑離子帶電荷，被吸附后使表面形成一定的電荷，吸附水分后，水分子被極化后也形成一層帶相

5、同電性的水膜，使原來固相表面間除了立體保護(hù)作用外，還增加了一種電斥力作用，稱為電保護(hù)作用。,（5）氣泡作用,氣泡是氣相分散于液相中的分散體系，氣泡之間隔有液相不能彼此相通。,純液體中氣泡,有表面活性劑的氣泡,作用 降低表面張力 形成泡沫時(shí)，氣液兩相表面積增大，體系自由能增大。表面活性劑分子能被吸附到氣液界面上，降低表面張力，因而能得到穩(wěn)定氣泡。,具有適當(dāng)?shù)谋砻嬲扯?氣泡間液膜，受到地心吸力與曲面壓力作用，使氣泡間液體流走，膜越來越薄，直至破裂。粘度過大，使氣泡的產(chǎn)生困難。因此，粘度要求是：液體粘度小，膜的粘度大。 表面活性劑被吸附，富集在氣液表面，是表面液體濃度大，粘度也相應(yīng)比溶液內(nèi)部大。 膜

6、的電位值高 離子型表面活性劑，形成吸附雙電層帶電，電荷間的電性斥力使氣泡不易聯(lián)接。,在氣泡周圍形成牢固的膜 在氣泡周圍，應(yīng)有一層牢固的薄膜并且有一定機(jī)械強(qiáng)度。長鏈分子的表面活性劑，具有較好的機(jī)械強(qiáng)度。,（6）加溶作用,在溶質(zhì)與溶劑形成的分散系中，對于一些較難溶解的物質(zhì)，能明顯地產(chǎn)生溶解度增加的作用，叫加溶作用。 表面活性劑分子在溶液中達(dá)到某 一定濃度范圍時(shí)，形成分子團(tuán)， 稱為膠束（膠團(tuán)）。,一些原來不溶于水的物質(zhì)，被膠團(tuán)吸附而降低了表面自由能， 呈被膠團(tuán)包圍狀態(tài)而進(jìn)入溶液。形成了從熱力學(xué)觀點(diǎn)來看是穩(wěn) 定的溶液。這種加溶作用實(shí)質(zhì)上是表面活性劑把溶質(zhì)攜帶于膠 團(tuán)內(nèi)，而溶解在溶劑中，或者說是借助于某

7、一載體的分散溶解 作用。,4.表面活性劑結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系,a.分子結(jié)構(gòu) 疏水基： (1)C8C20(2)C8C20帶支鏈烷基；(3)烷基碳原子數(shù)816的烷基苯基；(4)烷基萘基，烷基碳原子數(shù)3，一般 為雙烷基；(5)松香衍生物；(6)高分子量的聚氧丙烯基； (7)長鏈全氟或高氟代烷基； (8)低分子量的全氟聚氧丙基；(9)聚硅氧烷基。,親水基： (1)陰離子表面活性劑中的極性親水基團(tuán) 羧酸基 COO- ； 磺酸根 SO-3 ； 硫酸根 OSO-3 ； 磷酸根 OPO2-3等。,(2)陽離子表面活； 伯氨基NH3H+ ；叔氨基 (CH3)2NH+ ；仲氨基 CH3NHH+ ； (3)兩性表面活性

8、劑中的極性親水基團(tuán)氨基羧基 N+H(CH2)2COO- ； 內(nèi)銨基羧基 N+(CH3)2CH2COO-等。 (4)非離子型表面活性劑中的極性親水基團(tuán) 聚乙二醇型中的醚基 O和羥基OH； 多元醇型中的羥基OH等。,b.分子量,補(bǔ)充水泥水化,（a）水泥顆粒分散在水中 （b）在水泥顆粒表面形成水化產(chǎn)物膜層 （c）膜層長大并相互連接（凝結(jié)） （d）水化物進(jìn)一步發(fā)展，填充毛細(xì)孔（硬化） 1水泥顆粒；2水；3水泥凝膠體；4晶體；5未水化的水泥顆粒內(nèi)核；6孔隙,（a),(b),(c),(d),c.親水基團(tuán)的影響 羥基（醇類OH ）： 緩凝作用，由于羥基吸附在水泥表面，與水化物表面的氧形成氫鍵，從而抑制了水化

9、作用。隨著羥基數(shù)目增加緩凝作用增強(qiáng)。 （停止水化）丙三醇丙二醇丙醇 羧酸及羧酸鹽（COOH， COOM）： 低級(jí)羧酸及鹽對混凝土有早強(qiáng)作用，如甲酸鈣、乙酸、草酸。隨著烷基（分子量）增大，逐步表現(xiàn)出緩凝作用。,羥基羧酸鹽和氨基羧酸鹽： 低級(jí)的羧酸鹽延緩水泥水化反應(yīng)，并有早強(qiáng)作用。羥基酸、氨基酸及其鹽類有緩凝作用。原因是其分子中含有絡(luò)合物形成基（ COOH、 OH 、 NH2），于水泥漿中游離的鈣離子生成不穩(wěn)定絡(luò)合物，隨著水化進(jìn)行，自行分解不影響水化繼續(xù)進(jìn)行，只是對水泥初期水化產(chǎn)生抑制作用。 磺酸鹽 典型的陰離子表面活性劑。水化初期水泥粒子帶正電，有利于吸附陰離子表面活性劑。從而引起延緩水泥水化反

10、應(yīng)的作用。也可看做是分散性提高。,胺類化合物 一級(jí)胺、二級(jí)胺、三級(jí)胺及氨基酸有緩凝作用，順序R 四級(jí)銨鹽（ ），同普通金屬陽離子一樣具有緩凝作用。 作為混凝土外加劑最有實(shí)際意義的是羥胺，特別是三乙醇胺，用作混凝土早強(qiáng)劑。,憎水基鏈短：不延緩水化,憎水基鏈長：延緩水化,.水泥分散體系的性質(zhì),水泥與水分散體系中，水泥粒子具有較大表面積，使體系表面自由能高、立場不均勻，體系范德華力較大，水泥粒子間有相互凝聚的趨勢，過早的凝聚會(huì)造成混凝土施工和強(qiáng)度發(fā)展的不利影響，因此要加入表面活性劑。,.表面活性劑在水泥分散體系中的吸附與分散,表面活性劑吸附在水泥粒子表面， 形成完整的凝膠單分子膜。在一段 時(shí)間內(nèi)阻礙

11、或破壞水泥粒子的凝聚 作用。,.水泥分散體系的電動(dòng)性質(zhì) 由于水泥的水化、水解、吸附、解離等作用，水泥顆粒帶電，形成雙電層，存在電位（電滲、電泳）。 體系加入陰離子型表面活性劑時(shí)，其吸附于水泥粒子上，使水泥顆粒帶上負(fù)電荷， 電位顯著增加。,.水泥分散體系的穩(wěn)定性,在水泥分散體系中，水泥粒子一方面受到范德華分子引力的作用，使粒子有凝聚趨勢，另一方面受到水分子膜形成的雙電層的電斥力作用，是粒子趨于分散。 加入表面活性劑后，提高了電位，電斥力增大，穩(wěn)定性增強(qiáng)。,.表面活性劑作用對混凝土流變性能影響,.混凝土的流變性 混凝土流變性能是指混凝土這種特殊的固液混合體系的變形和應(yīng)力關(guān)系隨時(shí)間變化的發(fā)展規(guī)律。,新拌混凝土的流變特性基本上符合賓漢流體。,2