摘要現(xiàn)有建筑材料成型多以拌水，或擠出成型，或擠壓成型，但無(wú)論何種成型方式，水是建筑材料成型必不可少的原料之一。建筑材料的干燥失水控制是工藝控制的一個(gè)難點(diǎn)，控制得不好會(huì)影響坯體干燥后的質(zhì)量，同時(shí)也會(huì)形成大量的廢坯，不僅降低了產(chǎn)品合格率，同時(shí)也是對(duì)人工、材料、資源的一種極大浪費(fèi)。如何控制好坯體的干燥失水，一直是建材技術(shù)工作者不斷探討的問(wèn)題。本人以坯體的成型、失水為例，就表面張力在坯體干燥失水過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行一次深入探討。

關(guān)鍵詞表面張力建筑材料干燥控制

一、前言

表面張力學(xué)是研究吸附在物體上的液體作用力，廣泛應(yīng)用在油田開(kāi)采中油/水兩相的界面張力以提高油田開(kāi)采效率；物理化學(xué)中的表面活性研究，如液態(tài)金屬的表面張力對(duì)材料在鑄造、焊接等加工過(guò)程中表面熱力學(xué)行為起的作用；日用化學(xué)品的活性等。在建材行業(yè)僅就無(wú)機(jī)鹽溶液的表面張力對(duì)混凝土進(jìn)行一定研究，其他建材的研究均未涉及表面張力學(xué)。本文從表面張力學(xué)角度去解釋原料成型以及失水過(guò)程，對(duì)磚坯干燥失水過(guò)程進(jìn)行一次深入探討。本文旨在為建材領(lǐng)域的科研提供更多的方向，為廣大科技工作者提供一些思路。

表面張力學(xué)應(yīng)用主要集中在：液體表面張力、毛細(xì)管作用、液體表面的氣-液相轉(zhuǎn)換。液體表面張力主要是指液體于接觸的其他固體形成表面膜，單個(gè)膜分子于接觸固體的夾角由液體表面張力決定，表面張力越大，接觸夾角越大，液體越不容易流動(dòng)，表面張力越小，接觸夾角越小，液體越容易流動(dòng)；毛細(xì)管效應(yīng)是以表面張力為基礎(chǔ)的理論，當(dāng)含有細(xì)微縫隙的物體與液體接觸時(shí)，在浸潤(rùn)情況下液體沿縫隙上升或滲入，在不浸潤(rùn)情況下，液體沿縫隙下降的現(xiàn)象。在浸潤(rùn)情況下，縫隙越細(xì)，液體上升越高。就是指液體在細(xì)管狀物體的內(nèi)側(cè)因?yàn)閮?nèi)聚力以及附著力的差異，克服地心引力而向上升。毛細(xì)管作用可以進(jìn)一步引申，液體上升的高度為液體表面張力（即壓強(qiáng)強(qiáng)度），毛細(xì)管內(nèi)，液體壓強(qiáng)越強(qiáng)，液體上升的高度越高，液體壓強(qiáng)越低，液體上升的高度越低；液體在空氣中存在著液-氣界相，這是液體與氣體相互轉(zhuǎn)化的交界地帶，當(dāng)液體表面張力越大，液體面積就會(huì)越小，液體內(nèi)部吸附就會(huì)越強(qiáng)，液體不易進(jìn)入界相，就難以揮發(fā)；反之表面張力越小，面積越大、內(nèi)部吸附越弱，越容易揮發(fā)。

二、表面張力的作用

1.砌塊成型。原材料中的水，可分為非結(jié)合、微孔隙水、吸附水、結(jié)合水、化學(xué)結(jié)合水，此分類較為詳細(xì)，為了能夠適合說(shuō)明水表面張力作用，將其分為間隙水、吸附水、結(jié)合水，本文主要討論間隙水和吸附水。

擠出成型時(shí)，坯體中顆粒與顆粒由于分子作用力和水對(duì)顆粒浸潤(rùn)作用，相互之間存在空隙由水進(jìn)行填補(bǔ)，形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。水對(duì)顆粒浸潤(rùn)后，在顆粒表面形成水膜，水膜的厚度由水對(duì)顆粒的浸潤(rùn)效果決定，浸潤(rùn)效果越好，顆粒表面的水越少，浸潤(rùn)效果越差，顆粒表面水越多。浸潤(rùn)效果是液體表面張力的一種體現(xiàn)，主要由液體與固體接觸后形成的液面傾角決定。傾角越大，浸潤(rùn)效果越差，傾角越小，浸潤(rùn)效果越好。水對(duì)顆粒的浸潤(rùn)效果越好，顆粒表面水的表面張力越低，水膜越薄，砌塊的含水率越低，浸潤(rùn)效果越差，顆粒表面水的表面張力越高，水膜越厚。這就是在擠出成型前，原料一定要陳化的原因。

坯體成型過(guò)程中，顆粒之間的空隙需要由水填補(bǔ)，而顆粒級(jí)配決定著坯體成型的空隙多少，好的顆粒級(jí)配可以減少顆?？障叮^差的顆粒級(jí)配顆粒間空隙較大，所以良好的顆粒級(jí)配可以減少砌塊的間隙水。而且小顆粒由于比表面積大，表面包裹的水多，大顆粒比表面積小，包裹的水較小，所以良好的顆粒級(jí)配可以有效減少成型含水率。而降低坯體的含水率也意味著降低干燥工藝控制的難度，通過(guò)對(duì)坯體的含水量進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制干燥工藝。

2.干燥失水。在干燥過(guò)程中，坯體最先失去間隙水，然后失去顆粒表面水。失去空隙水時(shí)，由于水的減少，水的體積收縮使得表面張力增大；但在溫度升高的情況下，水的表面張力會(huì)降低，減少水的體積收縮，從而促進(jìn)失水。所以在干燥過(guò)程中必須保證一定的溫度來(lái)，且溫度隨著失水過(guò)程的延續(xù)到逐漸升高。在失去間隙水的過(guò)程中，顆粒之間不斷靠近，減少相互之間的空隙，從而使整體結(jié)構(gòu)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。顆粒間的空隙就像一個(gè)毛細(xì)管，在表面顆粒失去間隙水的過(guò)程中，表層顆粒由于相互之間靠近，顆粒間的空隙變窄，使得毛細(xì)管內(nèi)的水上升，能夠從坯體內(nèi)部向坯體表面移動(dòng)。而坯體內(nèi)部的間隙水，由于外部的間隙水減少，內(nèi)外有一定的壓力差，促使內(nèi)部間隙水向坯體外部移動(dòng)。在兩項(xiàng)的共同作用下，使得坯體在干燥初期能夠穩(wěn)定的失水。如果在失去間隙水時(shí)，快速失水，將使得坯體內(nèi)部水向外部的移動(dòng)速度無(wú)法滿足外部失水速度，外部顆?？焖倏拷斐膳黧w形成開(kāi)裂，或者在外部顆粒相互靠近達(dá)到穩(wěn)定，內(nèi)部仍存有大量間隙水時(shí)，在較高溫度情況下，內(nèi)部間隙水雖能夠排出坯體，但是內(nèi)部顆粒之間的間隙無(wú)法形成相對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，最終使得坯體結(jié)構(gòu)不緊密、較“酥”。

在顆粒表面的水相對(duì)較少，但是由于浸潤(rùn)作用，形成的結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，只有在相對(duì)高溫的情況下，才能使水的表面張力降低，達(dá)到水脫離顆粒、離開(kāi)坯體的結(jié)果。坯體的干燥開(kāi)裂通常被解釋為，干燥階段，坯體由于失去水，喪失了可塑性得到了強(qiáng)度，如果干燥得太快，坯體內(nèi)出現(xiàn)濕度梯度很大，導(dǎo)致坯體有很高的干燥應(yīng)力，當(dāng)坯體不在能夠抵抗得住干燥應(yīng)力時(shí)，坯體就會(huì)開(kāi)裂。

失水過(guò)程中，毛細(xì)管作用、液體內(nèi)外壓強(qiáng)差、高溫下表面張力降低，這些都是液體表面張力的作用。

3.減水劑的應(yīng)用。添加減水劑一直是坯體減少用水、降低干燥工藝難度的常用手段，以十二烷基苯磺酸鈉為例，就減水劑對(duì)水表面張力的影響進(jìn)行說(shuō)明。由于磺酸鈉部分在水中電離，易于水中H3O+化學(xué)鍵合，所以十二烷基苯視為憎水基部分，磺酸鈉為親水基部分，由于憎水基與水分子相斥，所以作用在水的表面，形成較為穩(wěn)定的漂浮物，而親水基部分可以與吸附在黏土顆粒表面的水膜進(jìn)行吸附，從而包裹整個(gè)黏土顆粒。由于黏土顆粒最外層減水劑憎水基的作用，顆粒之間本來(lái)由自由水填滿間距，憎水基之間相互吸引又排斥自由水，使得顆粒之間的水大量減少，達(dá)到減少黏土顆粒相互之間間隙水的效果。

三、表面張力的應(yīng)用

（1）原料的初級(jí)鑒別：對(duì)于野外采樣過(guò)程中，可以利用表面張力對(duì)原料進(jìn)行初步分析，利用水對(duì)原料的浸潤(rùn)性來(lái)判別，對(duì)于原料吸水效果較好的（吸水過(guò)程相對(duì)緩慢，但均勻），通常是塑性較好的頁(yè)巖；但是砂巖除外，水在砂巖表面快速進(jìn)入，但是過(guò)程很短。

（2）坯體失水是否度過(guò)臨界點(diǎn)：前面對(duì)于干燥失水過(guò)程的分析中，得出了當(dāng)間隙水全部排出坯體后，坯體相對(duì)穩(wěn)定，基本不再有較大收縮，但顆粒表面仍有吸附水，此時(shí)通常認(rèn)為含水率為（塑限含水率減去1%～2%）。從表面張力解釋就是，顆粒吸附水后達(dá)到浸潤(rùn)飽和，但分子相互之間并不能有效形成穩(wěn)定體，仍然需要水的作用來(lái)使顆粒達(dá)到穩(wěn)定，而此時(shí)所測(cè)出的含水率通常要比顆粒吸附水后含水率要高，實(shí)驗(yàn)方法精確，通常含水率會(huì)高出1%左右，如果坯體塑性較差，含水率會(huì)有一定上升高出2%。

（3）坯體如何在干燥過(guò)程中保持不裂，由于液體與氣體表面的界相存在，一定溫度下，表面水在變成氣體的同時(shí)，也有水蒸氣變成水液滴，只有控制氣體中水蒸氣的含量，使表面水能夠變成水蒸氣進(jìn)入氣體，通?？刂茲穸葹?5%，就可以使液態(tài)水變成水蒸氣，同時(shí)也可以保證坯體內(nèi)部的水能夠通過(guò)毛細(xì)管作用達(dá)到坯體表面，使坯體表面的水能達(dá)到平衡。

（4）添加減水劑：在一定量的減水劑的作用下，可以減少坯體成型時(shí)的水分，而且可以在失去間隙水的同時(shí)，由于減水劑憎水基的相互作用下，可以保證坯體內(nèi)部顆粒之間的穩(wěn)定性，減少干燥時(shí)的開(kāi)裂，減少?gòu)U坯的產(chǎn)生量。

對(duì)于表面張力的研究，只能在此簡(jiǎn)單討論，更多的工作需要日后在探索。

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