混凝土消泡劑的發(fā)展概述

陳文紅，鄧?yán)?，蔣禹，刁立柱

（貴州科之杰新材料有限公司，貴州 龍里 551206）

0 引言

隨著混凝土行業(yè)的不斷發(fā)展，綠色環(huán)保的材料已成為當(dāng)今時(shí)代發(fā)展所趨，而高性能、無污染的綠色混凝土越來越受到人們的青睞。高性能的混凝土越來越受到人們的關(guān)注。在配制高性能混凝土?xí)r，對(duì)水泥、砂石、礦物摻合料和外加劑等有著較高的要求，而消泡劑復(fù)配聚羧酸高性能減水劑在混凝土中已成必不可少的材料。為了提高混凝土質(zhì)量指標(biāo)，消泡劑已成為混凝土外加劑中一種重要助劑。

多年來，消泡劑不斷的發(fā)展，逐步進(jìn)入各行各業(yè)。涉及攪拌的工業(yè)生產(chǎn)中，有害氣泡的消除與抑制都需要用到消泡劑。而有害氣泡的產(chǎn)生不僅會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量和外觀，還會(huì)造成資源沒有合理充分利用，增加施工周期等?；炷潦┕嚢柽^程中產(chǎn)生的有害氣泡會(huì)造成材料缺陷，消泡劑的使用可以優(yōu)化混凝土孔洞結(jié)構(gòu)，使混凝土外觀無蜂窩麻面，提高混凝土材料的力學(xué)性能，延長(zhǎng)混凝土材料的使用壽命。由此可見，對(duì)有害泡沫的控制和消除具有極大的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)意義[1]。

本文對(duì)消泡劑的種類、消泡機(jī)理以及對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響作了簡(jiǎn)要概述，以供砼行探討。

1 消泡劑的種類

消泡劑是一種化工行業(yè)的常用助劑。上世紀(jì)八十年代由德國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 Quincke 首次提出使用化學(xué)方法消泡。到目前為止，消泡劑已經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代[2]。

1.1 第一代消泡劑

主要有礦物油、脂肪族等有機(jī)物消泡劑，此類消泡劑多為油溶性，優(yōu)點(diǎn)在于其原材料生產(chǎn)成本低、技術(shù)成熟，缺點(diǎn)在于消泡效果較差、使用領(lǐng)域窄，與聚羧酸類減水劑相容性差。

1.2 第二代消泡劑

聚醚類消泡劑是以 C-O-C 為主鏈結(jié)構(gòu)的聚合物，其具有很強(qiáng)的消泡能力。此類消泡劑是一種水溶性消泡劑，可用于混凝土、外墻涂料等一般工業(yè)。由于聚醚類消泡劑使用領(lǐng)域較窄，消泡能力與破泡速率相對(duì)較差等，需要對(duì)其進(jìn)行改性處理，主要通過烷氧基硅烷對(duì)其改性。1967 年，我國成功開發(fā)并投資生產(chǎn)聚醚消泡劑，主要由醇和氨起始的線型聚醚和聚醚，如聚氧乙烯、聚氧丙烯等或末端酯化聚醚衍生物[2]。

1.3 第三代消泡劑

有機(jī)硅類消泡劑其消泡性能優(yōu)良，能快速破泡，不易揮發(fā)，Si-O 鍵能延伸使得其具有良好的耐候性、耐高低溫和耐腐蝕性，生產(chǎn)成本低廉，使用領(lǐng)域廣。此類消泡劑既有水溶性的也有油溶性的，可用于混凝土、外墻涂料、造紙等工業(yè)生產(chǎn)中。我國有機(jī)硅消泡劑的研發(fā)和使用始于上世紀(jì)中葉，隨著有機(jī)硅的不斷發(fā)展，國內(nèi)有機(jī)硅等相關(guān)產(chǎn)品的使用與研發(fā)取得了較好的效果。但相比于國外道康寧、信越等公司產(chǎn)品而言，國內(nèi)產(chǎn)品整體性能偏低。高效、高性能的有機(jī)硅消泡劑主要是靠進(jìn)口，因此國內(nèi)有機(jī)硅消泡劑有著較大發(fā)展空間。

1.4 第四代消泡劑

有機(jī)硅改性聚醚消泡劑一部分是以 Si-O-Si 為主鏈結(jié)構(gòu)，一部分是以 C-O-C 為主鏈結(jié)構(gòu)。有機(jī)硅改性聚醚消泡劑消泡速率高、適應(yīng)能力強(qiáng)，既有水溶性也有油溶性，能快速分散于水中，與混凝土外加劑復(fù)配使用時(shí)，能快速降低混凝土攪拌加工過程中產(chǎn)生的大量氣泡，集合了有機(jī)硅與聚醚的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了兩者的不足，是未來消泡劑工業(yè)化發(fā)展的方向，也是科研工作者主要的科研目標(biāo)。

2 消泡劑的作用機(jī)理

Bridging—Spreading 從消泡物質(zhì)表面張力比較低的角度出發(fā)，提出了“架橋—鋪展”機(jī)理[2]。

現(xiàn)代混凝土加工使用過程中，有時(shí)候需要消除泡沫有時(shí)候需要抑制泡沫，有時(shí)候兩種都需要。在混凝土中加入聚羧酸減水劑時(shí)使得混凝土攪拌時(shí)產(chǎn)生大量的大氣泡，同時(shí)加入一定量的引氣劑，使得混凝土產(chǎn)生均一、穩(wěn)定的氣泡，以保證混凝土在加工過程中滿足材料相關(guān)力學(xué)性能。消泡劑與聚羧酸減水劑復(fù)配加入混凝土中時(shí)泡沫消失的主要過程為：消泡劑快速鋪展于泡沫表面，消泡劑與液相泡沫形成雙層膜，液相泡沫受周圍表面張力的作用不平衡，泡沫逐漸變薄、最終破裂。如圖 1 所示。

圖 1 消泡劑的消泡過程

3 消泡劑在混凝土中的應(yīng)用

減水劑的誕生加快了混凝土工業(yè)前進(jìn)的步伐，高性能聚羧酸系減水劑減水效果好、流動(dòng)性能優(yōu)良，能保持較好的坍落度，從而在混凝土中得到廣泛使用。聚羧酸減水劑母液本身氣體含量高，其中大部分是有害氣泡?；炷猎跀嚢杓笆┕み^程中伴隨著大量氣泡產(chǎn)生，使得基材表面以及內(nèi)部產(chǎn)生孔洞、力學(xué)性能變差、耐久性降低。消泡劑的加入可以使混凝土快速消泡，液相表面張力降低，泡沫受到周圍不平衡力的作用而產(chǎn)生破裂，達(dá)到消泡抑泡的作用，優(yōu)化了混凝土基材內(nèi)部與外部的孔洞結(jié)構(gòu)，使得混凝土基材硬化后表面平滑、無蜂窩麻面、均勻光滑、力學(xué)性能優(yōu)良和耐久性等優(yōu)點(diǎn)，如圖 2

所示。2009 年，田艷華[4]對(duì)加入 3%～5% F 消泡劑與聚羧酸減水劑復(fù)配的高效減水劑進(jìn)行混凝土試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)消泡劑復(fù)配聚羧酸減水劑消除了混凝土中過多的大氣泡，混凝土孔洞結(jié)構(gòu)和密度得到改善。2016 年李煒、陸加越[5]等人通過消泡劑和引氣劑復(fù)摻對(duì)混凝土性能影響的研究，發(fā)現(xiàn)適量的消泡劑和引氣劑復(fù)合使用，可提升混凝土的含氣量穩(wěn)定性，降低硬化混凝土氣泡間距系數(shù)和平均孔徑，有效改善混凝土外觀形貌。2017 年江蘇蘇博特新材料股份有限公司徐海源[6]通過消泡劑對(duì)灌漿料新拌漿體表觀質(zhì)量的影響研究，發(fā)現(xiàn)加入有機(jī)硅消泡劑和羧化物消泡劑對(duì)灌裝料表觀質(zhì)量狀態(tài)、含氣量等工作性能的影響進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者有破泡及抑泡的效果，但有機(jī)硅消泡劑能更好得使基材表面張力快速降低，很少的用量下就能破壞氣泡的穩(wěn)定性，使其持續(xù)快速破裂。水溶性消泡劑在聚羧酸類減水劑中具有良好的溶解性，不易分層，具有良好的相容性。在水泥漿中加入水溶性消泡劑和聚羧酸減水劑，水泥漿的初始流動(dòng)性和流動(dòng)性損失也可用于評(píng)價(jià)消泡劑和聚羧酸減水劑的兼容性。與聚羧酸類減水劑具有良好相容性的水溶性消泡劑應(yīng)該對(duì)水泥漿料的初始流動(dòng)性和流動(dòng)性損失影響很小。2015 年王寧[7]等人通過消泡劑對(duì)新拌砂漿性能的影響研究發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)砂漿中添加消泡劑時(shí)，參比砂漿的含氣量大大降低，當(dāng)砂漿處于高流體狀態(tài)時(shí)，消泡劑含量增加，砂漿的流動(dòng)性逐漸增加，氣體含量逐漸減少，并且氣體最終減少。

圖 2 加消泡劑與沒加消泡劑外觀對(duì)比

4 消泡劑對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

消泡劑對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響主要有兩個(gè)方面：首先，混凝土在攪拌過程中只加入聚羧酸減水劑時(shí)，使得體系粘度較大，攪拌施工較為困難；其次，沒有加消泡劑時(shí)，混凝土基材表面以及內(nèi)部的孔洞結(jié)構(gòu)大大地影響了材料的力學(xué)性能。通過測(cè)量混凝土的坍落度度以及坍落度損失和抗壓強(qiáng)度來進(jìn)行對(duì)比，從而評(píng)估消泡劑對(duì)混凝土性能的影響。消泡劑的加入可以顯著降低混凝土的含氣量，對(duì)混凝土坍落度以及一段時(shí)間過后的坍落度損失影響不大，混凝土的強(qiáng)度顯著增加；消泡劑的引入能快速降低聚羧酸減水劑的含氣量，也能快速破除混凝土攪拌過程中產(chǎn)生的氣泡。消泡劑與水和外加劑在混凝土中一段時(shí)間后容易分離，需要連續(xù)地對(duì)混凝土進(jìn)行攪拌以保證混凝土與水、外加劑的緊密結(jié)合。除此之外，消泡劑在堿性過高時(shí)使得混凝土力學(xué)性能降低。2015年謝洪陽[8]等人通過消泡劑引氣劑對(duì)聚羧酸系減水劑混凝土的影響的研究發(fā)現(xiàn)，消泡劑含量恰當(dāng)時(shí)，能夠有效減少聚羧酸系減水劑帶來的大氣泡，并使氣泡穩(wěn)定。

5 消泡劑在混凝土外加劑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)

消泡劑經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，由最初以 C-C 鍵為主鏈結(jié)構(gòu)的礦物油類消泡劑發(fā)展到聚醚改性有機(jī)硅消泡劑；由最初的消泡性能差、使用領(lǐng)域窄發(fā)展成消泡性能良好、使用領(lǐng)域廣的消泡劑，這也印證了材料隨著時(shí)代的不斷發(fā)展而也相應(yīng)的發(fā)生著改變?，F(xiàn)如今，消泡劑在混凝土行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)主要有如下幾點(diǎn)：高水溶性，消泡劑主要是與聚羧酸減水劑通過復(fù)配均勻分散在水中而進(jìn)行應(yīng)用，水溶性較高的消泡劑能與聚羧酸減水劑復(fù)配成不同濃度的外加劑而應(yīng)用于不同的工程項(xiàng)目；經(jīng)濟(jì)性，隨著國家環(huán)保的嚴(yán)厲監(jiān)察，化工原材料生產(chǎn)成本升高，嚴(yán)重威脅著混凝土行業(yè)的生存，經(jīng)濟(jì)型消泡劑的研究已成為混凝土行業(yè)不懈的追求；綠色環(huán)保，綠色建材是建設(shè)現(xiàn)代化文明城市不可或缺的材料，所需各種外加劑環(huán)境友好，無毒無公害；結(jié)構(gòu)多樣性，不同的消泡劑結(jié)構(gòu)能更好適應(yīng)不同的高性能聚羧酸減水劑，結(jié)構(gòu)可控的消泡劑能夠更好滿足時(shí)代發(fā)展的需要。