坯体成型、失水过程中的表面张力

谭兴昌

（新疆凯乐新材料有限公司 新疆 乌鲁木齐 830000）

摘要现有建筑材料成型多以拌水，或挤出成型，或挤压成型，但无论何种成型方式，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艺控制的一个难点，控制得不好会影响坯体干燥后的质量，同时也会形成大量的废坯，不仅降低了产品合格率，同时也是对人工、材料、资源的一种极大浪费。如何控制好坯体的干燥失水，一直是建材技术工作者不断探讨的问题。本人以坯体的成型、失水为例，就表面张力在坯体干燥失水过程中的应用进行一次深入探讨。

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关键词 表面张力 建筑材料 干燥控制

一、前言

表面张力学是研究吸附在物体上的液体作用力，广泛应用在油田开采中油/ 水两相的界面张力以提高油田开采效率；物理化学中的表面活性研究，如液态金属的表面张力对材料在铸造、焊接等加工过程中表面热力学行为起的作用；日用化学品的活性等。在建材行业仅就无机盐溶液的表面张力对混凝土进行一定研究，其他建材的研究均未涉及表面张力学。本文从表面张力学角度去解释原料成型以及失水过程，对砖坯干燥失水过程进行一次深入探讨。本文旨在为建材领域的科研提供更多的方向，为广大科技工作者提供一些思路。

表面张力学应用主要集中在：液体表面张力、毛细管作用、液体表面的气- 液相转换。液体表面张力主要是指液体于接触的其他固体形成表面膜，单个膜分子于接触固体的夹角由液体表面张力决定，表面张力越大，接触夹角越大，液体越不容易流动，表面张力越小，接触夹角越小，液体越容易流动；毛细管效应是以表面张力为基础的理论，当含有细微缝隙的物体与液体接触时，在浸润情况下液体沿缝隙上升或渗入，在不浸润情况下，液体沿缝隙下降的现象。在浸润情况下，缝隙越细，液体上升越高。就是指液体在细管状物体的内侧因为内聚力以及附着力的差异，克服地心引力而向上升。毛细管作用可以进一步引申，液体上升的高度为液体表面张力（即压强强度），毛细管内，液体压强越强，液体上升的高度越高，液体压强越低，液体上升的高度越低；液体在空气中存在着液- 气界相，这是液体与气体相互转化的交界地带，当液体表面张力越大，液体面积就会越小，液体内部吸附就会越强，液体不易进入界相，就难以挥发；反之表面张力越小，面积越大、内部吸附越弱，越容易挥发。

二、表面张力的作用

1.砌块成型。原材料中的水，可分为非结合、微孔隙水、吸附水、结合水、化学结合水，此分类较为详细，为了能够适合说明水表面张力作用，将其分为间隙水、吸附水、结合水，本文主要讨论间隙水和吸附水。

挤出成型时，坯体中颗粒与颗粒由于分子作用力和水对颗粒浸润作用，相互之间存在空隙由水进行填补，形成较为稳定的结构体系。水对颗粒浸润后，在颗粒表面形成水膜，水膜的厚度由水对颗粒的浸润效果决定，浸润效果越好，颗粒表面的水越少，浸润效果越差，颗粒表面水越多。浸润效果是液体表面张力的一种体现，主要由液体与固体接触后形成的液面倾角决定。倾角越大，浸润效果越差，倾角越小，浸润效果越好。水对颗粒的浸润效果越好，颗粒表面水的表面张力越低，水膜越薄，砌块的含水率越低，浸润效果越差，颗粒表面水的表面张力越高，水膜越厚。这就是在挤出成型前，原料一定要陈化的原因。

坯体成型过程中，颗粒之间的空隙需要由水填补，而颗粒级配决定着坯体成型的空隙多少，好的颗粒级配可以减少颗粒空隙，较差的颗粒级配颗粒间空隙较大，所以良好的颗粒级配可以减少砌块的间隙水。而且小颗粒由于比表面积大，表面包裹的水多，大颗粒比表面积小，包裹的水较小，所以良好的颗粒级配可以有效减少成型含水率。而降低坯体的含水率也意味着降低干燥工艺控制的难度，通过对坯体的含水量进行控制，从而达到控制干燥工艺。

2.干燥失水。在干燥过程中，坯体最先失去间隙水，然后失去颗粒表面水。失去空隙水时，由于水的减少，水的体积收缩使得表面张力增大；但在温度升高的情况下，水的表面张力会降低，减少水的体积收缩，从而促进失水。所以在干燥过程中必须保证一定的温度来，且温度随着失水过程的延续到逐渐升高。在失去间隙水的过程中，颗粒之间不断靠近，减少相互之间的空隙，从而使整体结构达到相对稳定。颗粒间的空隙就像一个毛细管，在表面颗粒失去间隙水的过程中，表层颗粒由于相互之间靠近，颗粒间的空隙变窄，使得毛细管内的水上升，能够从坯体内部向坯体表面移动。而坯体内部的间隙水，由于外部的间隙水减少，内外有一定的压力差，促使内部间隙水向坯体外部移动。在两项的共同作用下，使得坯体在干燥初期能够稳定的失水。如果在失去间隙水时，快速失水，将使得坯体内部水向外部的移动速度无法满足外部失水速度，外部颗粒快速靠近造成坯体形成开裂，或者在外部颗粒相互靠近达到稳定，内部仍存有大量间隙水时，在较高温度情况下，内部间隙水虽能够排出坯体，但是内部颗粒之间的间隙无法形成相对稳定结构，最终使得坯体结构不紧密、较“酥”。

在颗粒表面的水相对较少，但是由于浸润作用，形成的结构较为稳定，只有在相对高温的情况下，才能使水的表面张力降低，达到水脱离颗粒、离开坯体的结果。坯体的干燥开裂通常被解释为，干燥阶段，坯体由于失去水，丧失了可塑性得到了强度，如果干燥得太快，坯体内出现湿度梯度很大，导致坯体有很高的干燥应力，当坯体不在能够抵抗得住干燥应力时，坯体就会开裂。

失水过程中，毛细管作用、液体内外压强差、高温下表面张力降低，这些都是液体表面张力的作用。

3.减水剂的应用。添加减水剂一直是坯体减少用水、降低干燥工艺难度的常用手段，以十二烷基苯磺酸钠为例，就减水剂对水表面张力的影响进行说明。由于磺酸钠部分在水中电离，易于水中H3O+ 化学键合，所以十二烷基苯视为憎水基部分，磺酸钠为亲水基部分，由于憎水基与水分子相斥，所以作用在水的表面，形成较为稳定的漂浮物，而亲水基部分可以与吸附在黏土颗粒表面的水膜进行吸附，从而包裹整个黏土颗粒。由于黏土颗粒最外层减水剂憎水基的作用，颗粒之间本来由自由水填满间距，憎水基之间相互吸引又排斥自由水，使得颗粒之间的水大量减少，达到减少黏土颗粒相互之间间隙水的效果。

三、表面张力的应用

（1）原料的初级鉴别：对于野外采样过程中，可以利用表面张力对原料进行初步分析，利用水对原料的浸润性来判别，对于原料吸水效果较好的（吸水过程相对缓慢，但均匀），通常是塑性较好的页岩；但是砂岩除外，水在砂岩表面快速进入，但是过程很短。

（2）坯体失水是否度过临界点：前面对于干燥失水过程的分析中，得出了当间隙水全部排出坯体后，坯体相对稳定，基本不再有较大收缩，但颗粒表面仍有吸附水，此时通常认为含水率为（塑限含水率减去1%~2%）。从表面张力解释就是，颗粒吸附水后达到浸润饱和，但分子相互之间并不能有效形成稳定体，仍然需要水的作用来使颗粒达到稳定，而此时所测出的含水率通常要比颗粒吸附水后含水率要高，实验方法精确，通常含水率会高出1%左右，如果坯体塑性较差，含水率会有一定上升高出2%。

（3）坯体如何在干燥过程中保持不裂，由于液体与气体表面的界相存在，一定温度下，表面水在变成气体的同时，也有水蒸气变成水液滴，只有控制气体中水蒸气的含量，使表面水能够变成水蒸气进入气体，通常控制湿度为95%，就可以使液态水变成水蒸气，同时也可以保证坯体内部的水能够通过毛细管作用达到坯体表面，使坯体表面的水能达到平衡。

（4）添加减水剂：在一定量的减水剂的作用下，可以减少坯体成型时的水分，而且可以在失去间隙水的同时，由于减水剂憎水基的相互作用下，可以保证坯体内部颗粒之间的稳定性，减少干燥时的开裂，减少废坯的产生量。

对于表面张力的研究，只能在此简单讨论，更多的工作需要日后在探索。

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参考文献

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