混凝土消泡劑的發展概述

陳文紅，鄧磊，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

隨著混凝土行業的不斷發展，綠色環保的材料已成為當今時代發展所趨，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注。在配制高性能混凝土時，對水泥、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。為了提高混凝土質量指標，消泡劑已成為混凝土外加劑中一種重要助劑。

多年來，消泡劑不斷的發展，逐步進入各行各業。涉及攪拌的工業生產中，有害氣泡的消除與抑制都需要用到消泡劑。而有害氣泡的產生不僅會影響產品的質量和外觀，還會造成資源沒有合理充分利用，增加施工周期等。混凝土施工攪拌過程中產生的有害氣泡會造成材料缺陷，消泡劑的使用可以優化混凝土孔洞結構，使混凝土外觀無蜂窩麻面，提高混凝土材料的力學性能，延長混凝土材料的使用壽命。由此可見，對有害泡沫的控制和消除具有極大的技術與經濟意義[1]。

本文對消泡劑的種類、消泡機理以及對混凝土力學性能的影響作了簡要概述，以供砼行探討。

1 消泡劑的種類

消泡劑是一種化工行業的常用助劑。上世紀八十年代由德國實驗物理學家 Quincke 首次提出使用化學方法消泡。到目前為止，消泡劑已經歷了四次更新換代[2]。

1.1 第一代消泡劑

主要有礦物油、脂肪族等有機物消泡劑，此類消泡劑多為油溶性，優點在于其原材料生產成本低、技術成熟，缺點在于消泡效果較差、使用領域窄，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 為主鏈結構的聚合物，其具有很強的消泡能力。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。由于聚醚類消泡劑使用領域較窄，消泡能力與破泡速率相對較差等，需要對其進行改性處理，主要通過烷氧基硅烷對其改性。1967 年，我國成功開發并投資生產聚醚消泡劑，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

有機硅類消泡劑其消泡性能優良，能快速破泡，不易揮發，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，生產成本低廉，使用領域廣。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、造紙等工業生產中。我國有機硅消泡劑的研發和使用始于上世紀中葉，隨著有機硅的不斷發展，國內有機硅等相關產品的使用與研發取得了較好的效果。但相比于國外道康寧、信越等公司產品而言，國內產品整體性能偏低。高效、高性能的有機硅消泡劑主要是靠進口，因此國內有機硅消泡劑有著較大發展空間。

1.4 第四代消泡劑

有機硅改性聚醚消泡劑一部分是以 Si-O-Si 為主鏈結構，一部分是以 C-O-C 為主鏈結構。有機硅改性聚醚消泡劑消泡速率高、適應能力強，既有水溶性也有油溶性，能快速分散于水中，與混凝土外加劑復配使用時，能快速降低混凝土攪拌加工過程中產生的大量氣泡，集合了有機硅與聚醚的優點，彌補了兩者的不足，是未來消泡劑工業化發展的方向，也是科研工作者主要的科研目標。

2 消泡劑的作用機理

Bridging—Spreading 從消泡物質表面張力比較低的角度出發，提出了“架橋—鋪展”機理[2]。

現代混凝土加工使用過程中，有時候需要消除泡沫有時候需要抑制泡沫，有時候兩種都需要。在混凝土中加入聚羧酸減水劑時使得混凝土攪拌時產生大量的大氣泡，同時加入一定量的引氣劑，使得混凝土產生均一、穩定的氣泡，以保證混凝土在加工過程中滿足材料相關力學性能。消泡劑與聚羧酸減水劑復配加入混凝土中時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用

減水劑的誕生加快了混凝土工業前進的步伐，高性能聚羧酸系減水劑減水效果好、流動性能優良，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。混凝土在攪拌及施工過程中伴隨著大量氣泡產生，使得基材表面以及內部產生孔洞、力學性能變差、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生破裂，達到消泡抑泡的作用，優化了混凝土基材內部與外部的孔洞結構，使得混凝土基材硬化后表面平滑、無蜂窩麻面、均勻光滑、力學性能優良和耐久性等優點，如圖 2

所示。2009 年，田艷華[4]對加入 3%～5% F 消泡劑與聚羧酸減水劑復配的高效減水劑進行混凝土試驗，發現消泡劑復配聚羧酸減水劑消除了混凝土中過多的大氣泡，混凝土孔洞結構和密度得到改善。2016 年李煒、陸加越[5]等人通過消泡劑和引氣劑復摻對混凝土性能影響的研究，發現適量的消泡劑和引氣劑復合使用，可提升混凝土的含氣量穩定性，降低硬化混凝土氣泡間距系數和平均孔徑，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]通過消泡劑對灌漿料新拌漿體表觀質量的影響研究，發現加入有機硅消泡劑和羧化物消泡劑對灌裝料表觀質量狀態、含氣量等工作性能的影響進行對比，發現兩者有破泡及抑泡的效果，但有機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定性，使其持續快速破裂。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，水泥漿的初始流動性和流動性損失也可用于評價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該對水泥漿料的初始流動性和流動性損失影響很小。2015 年王寧[7]等人通過消泡劑對新拌砂漿性能的影響研究發現，在標準砂漿中添加消泡劑時，參比砂漿的含氣量大大降低，當砂漿處于高流體狀態時，消泡劑含量增加，砂漿的流動性逐漸增加，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比

4 消泡劑對混凝土力學性能的影響

消泡劑對混凝土力學性能的影響主要有兩個方面：首先，混凝土在攪拌過程中只加入聚羧酸減水劑時，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，混凝土基材表面以及內部的孔洞結構大大地影響了材料的力學性能。通過測量混凝土的坍落度度以及坍落度損失和抗壓強度來進行對比，從而評估消泡劑對混凝土性能的影響。消泡劑的加入可以顯著降低混凝土的含氣量，對混凝土坍落度以及一段時間過后的坍落度損失影響不大，混凝土的強度顯著增加；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生的氣泡。消泡劑與水和外加劑在混凝土中一段時間后容易分離，需要連續地對混凝土進行攪拌以保證混凝土與水、外加劑的緊密結合。除此之外，消泡劑在堿性過高時使得混凝土力學性能降低。2015年謝洪陽[8]等人通過消泡劑引氣劑對聚羧酸系減水劑混凝土的影響的研究發現，消泡劑含量恰當時，能夠有效減少聚羧酸系減水劑帶來的大氣泡，并使氣泡穩定。

5 消泡劑在混凝土外加劑行業的發展趨勢

消泡劑經歷了四次更新換代，由最初以 C-C 鍵為主鏈結構的礦物油類消泡劑發展到聚醚改性有機硅消泡劑；由最初的消泡性能差、使用領域窄發展成消泡性能良好、使用領域廣的消泡劑，這也印證了材料隨著時代的不斷發展而也相應的發生著改變。現如今，消泡劑在混凝土行業發展趨勢主要有如下幾點：高水溶性，消泡劑主要是與聚羧酸減水劑通過復配均勻分散在水中而進行應用，水溶性較高的消泡劑能與聚羧酸減水劑復配成不同濃度的外加劑而應用于不同的工程項目；經濟性，隨著國家環保的嚴厲監察，化工原材料生產成本升高，嚴重威脅著混凝土行業的生存，經濟型消泡劑的研究已成為混凝土行業不懈的追求；綠色環保，綠色建材是建設現代化文明城市不可或缺的材料，所需各種外加劑環境友好，無毒無公害；結構多樣性，不同的消泡劑結構能更好適應不同的高性能聚羧酸減水劑，結構可控的消泡劑能夠更好滿足時代發展的需要。