混凝土消泡剂的研究进展

文摘 2024-12-28 07:01 河南

混凝土作为传统的建筑用料，经近年来的大力研发后，已不再局限于房屋和路面等的建设，在经过一些混凝土外加剂的改良后，得以用于更为广泛的领域。混凝土添加剂作为改善混凝土性能的常见物理或化学材料，包括减水剂、延缓剂、早强剂、缓凝剂、引气剂和消泡剂等，已根据具体的工程需求而被大量应用。为更好地提高混凝土的力学性能，并满足如泡沫混凝土一类的空气夹带混凝土的独特保温性能的优良性，消泡剂随着空气夹带混凝土的发展应运而生。自1930年以来，研究人员发现夹带适量小气泡(小于200μm)的混凝土对预拌混凝土的可加工性以及硬化后的保温性和冻融耐久性都有好处，但聚羧酸(PCE)聚合物和一些添加剂的使用更倾向于在混凝土中形成体积过大的气泡，这对混凝土的力学性能等均有不利影响。

与发泡剂所引发的气泡也大不一样，这些不均一的气泡体积大小毫无规律可言，且数量与质量也无法加以控制。因此，为避免成品混凝土因气泡问题所导致的后期开裂，通常在预拌水泥浆体中使用消泡剂来消除体积过大的大气泡，并有抑制大气泡产生的作用。

1消泡剂的分类及其作用机理

消泡剂是指通过降低体系表面张力的方式破坏气泡壁的稳定性，来降低混凝土中的空气含量，并抑制气泡产生的一类外加剂。消泡剂的基本特性是表面张力低、消泡性能好、化学性质稳定、不与消泡体系反应、储存稳定性好、绿色无毒无污染。消泡剂发展至今，常用的消泡剂类型按原料分为四种，分别为脂肪类、聚醚类、有机硅类以及聚醚改性有机硅类。

1.1脂肪类消泡剂

脂肪类消泡剂最早被广泛开发和采用，其组分涵盖了动植物油、矿物油、脂肪酸、低级醇等一系列有机化合物。

这一类消泡剂的主要成分为天然油脂，不仅价格相对便宜，而且环保性较好。然而，其消泡能力非常有限，特别是对于含有大量泡沫的体系而言，表现不佳。此外，脂肪类消泡剂的储存稳定性较差，容易导致成分分层的问题。在此背景下，祝立强等进行了相关研究，采用气相二氧化硅和自制的长链烷基硅膏，将其应用于矿物消泡剂的改进。研究结果表明，这一创新方法大幅提升了矿物消泡剂的消泡性能和抑泡性能，同时也改善了储存稳定性。另一方面，Kiyokazu及其团队对疏水二氧化硅粒径大小与矿物油消泡剂性能之间的关系进行了深入研究。基于这一研究成果，成功制备出一种新型的矿物油消泡剂，相较于传统有机硅消泡剂，该新型消泡剂表现出更出色的性能。值得注意的是，这种改进的矿物油消泡剂不仅在性能上更具竞争力，而且在建筑涂料行业应用时能够保持漆膜的光泽度，为该行业带来了显著的好处。这两项研究为建筑行业的消泡剂研发提供了有益的思路，有望改善混凝土工程和建筑涂料行业的生产效率和质量。

对于混凝土工程而言，脂肪类消泡剂作为重要的外加剂也被大量应用，其在混凝土中的作用机理与其分子结构和性质密切相关，通常包含表面活性的作用和抑制气泡形成的机理。脂肪类消泡剂通常具有亲水性和亲油性基团，在引入后这些消泡剂分子会分散在水相和混凝土颗粒表面之间。由于亲水基团与水分子相互作用，形成一层薄膜，这有助于改善混凝土的分散性。亲油基团则吸附在气泡表面，降低气泡表面张力，使气泡更容易破裂和消散。另外，脂肪类消泡剂通过减小气泡的尺寸和减少数量，抑制了气泡的形成。它们的分子可以吸附在气泡表面，阻止气泡的进一步融合和扩张。这有助于减少混凝土中气孔和大气泡的形成，提高混凝土的致密性和强度。

1.2聚醚类消泡剂

聚醚类消泡剂属于非离子型表面活性剂，其分子结构包含环氧乙烷(EO)作为亲水基、环氧丙烷(PO)作为疏水基。通过调整分子链中EO 和PO的比例，可以获得不同亲水亲油平衡值(HLB)的聚醚类消泡剂，以满足不同起泡体系的要求。一般制备聚醚类消泡剂的方法包括使用含有羟基和氨基官能团的化合物(如多元醇和胺类)、EO 和PO 作为原材料。基于此，陈健等的工作非常引人注目，他们采用支链烷基醇和环氧乙烷成功合成了一种水溶性的支链烷基聚醚型消泡剂。这项研究表明，相较于传统的线性聚醚消泡剂，这种新型消泡剂在性能上表现更出色。这一发现对于改进混凝土工程和其他应用中的泡沫控制具有重要意义。另外，许多关于聚醚类消泡剂的研究结果共同强调了通过合成和改进聚醚型消泡剂，可以显著提高消泡性能。这些成果对于改进混凝土工程、涂料和海洋工程等领域的泡沫控制技术具有潜在的应用前景。在未来的研究中，可以进一步探索这些新型消泡剂的性能和适用性，以满足不同工程需求。对于聚醚类消泡剂在混凝土中的作用机理，离不开聚醚类分子的长链结构以及与脂肪类消泡剂作用机理类似的表面活性作用。其中，多氧原子易与水分子形成亲水基团，这可使其吸附于气泡表面从而降低气泡的表面张力，进一步减少了气泡的稳定性。由于分子的长链结构，首先可在水相中形成包裹状结构，以减少气泡间的相互作用，并降低气泡的融合与聚集;长链结构可充当聚醚消泡剂的润滑部分，降低混凝土内部的内聚力，从而改善混凝土的流动性，有利于在模具中的填充浇铸，降低气泡堆积与被困的概率。这些机制共同作用，有助于控制混凝土中的气泡和泡沫，提高混凝土的性能和质量。但需要根据具体的混凝土配方和施工条件来选择适当的聚醚类消泡剂类型和剂量，以确保达到最佳效果。

1.3有机硅类消泡剂

有机硅类消泡剂在混凝土工程中扮演着重要角色，用以控制混凝土中气泡和泡沫的生成。其主要组成成分为硅氧化合物，分子结构常包含硅(Si)和氧(O)原子，并通常伴随有机基团的存在，如甲基(—CH₃)或乙基(—C₂H₅)。这些有机基团赋予有机硅类消泡剂亲水性和亲油性，使其能够在混凝土中有效地分散气泡，同时改善混凝土的流动性。值得强调的是，这类消泡剂具有卓越的消泡性能、化学性质的稳定性，并且对环境友好。然而，有机硅消泡剂具有一些独特的特性，如疏水性较强以及在水溶液中难以均匀分散。因此，通常需要将其与其他组分(如疏水白炭黑、乳化剂和增稠剂等)复合，以制备成复合型消泡剂。黎方潜等采用二甲基硅油和疏水性白炭黑作为主要消泡成分，经过乳化和增稠处理制备了有机硅消泡剂。相较于市售的消泡剂，这种改进的消泡剂表现出更为卓越的消泡性能和稳定性。

在混凝土的成型和凝固阶段，有机硅类消泡剂发挥作用的原理在于改变混凝土中气泡的表面性质，从而控制气泡的分散和稳定性。有机硅消泡剂的有机基团可以吸附在气泡表面，降低气泡之间的相互吸引力，从而避免了气泡的聚集和融合。这降低了气泡的稳定性，促使气泡更容易分散在混凝土中，进而减少气孔的形成。该机制使有机硅类消泡剂能够有效地减少混凝土中的气泡和泡沫，提高混凝土的致密性和强度。此外，有机硅类消泡剂在混凝土成型阶段还充当润滑剂，显著提高混凝土的流动性。通过减少气孔和空隙的形成，有助于提高混凝土的耐久性，降低水分渗透和化学侵蚀的风险。

有机硅类消泡剂广泛应用于各种混凝土工程，包括普通混凝土、高性能混凝土、自流平混凝土和预制混凝土等。在具体工程中，根据混凝土的配方和特定要求，可以选择适当类型和剂量的有机硅类消泡剂，以有效改善混凝土性能，并提高工程质量。

1.4聚醚改性有机硅类消泡剂

聚醚改性有机硅类消泡剂是一类通过将聚醚分子连接到有机硅主链或侧链上制备而成的消泡剂。这种消泡剂融合了聚醚类消泡剂和有机硅类消泡剂的优点，具备卓越的消泡性能、自乳化性、化学稳定性以及热稳定性。在各个领域，包括但不限于食品工业、生物发酵、生物医药、建筑、造纸、污水处理、石油化工、纺织染整和机械加工等领域，这类消泡剂已经得到广泛应用。

这种融合了聚醚和有机硅特性的消泡剂，在混凝土工程中尤为引人注目，其卓越的消泡性能使其成为控制混凝土中气泡和泡沫的理想选择。混凝土中的气泡问题会影响混凝土的密实性和强度，因此，这类改性消泡剂在提高混凝土工程质量方面发挥着关键作用。Mao等研究了聚醚改性有机硅(PMS)消泡剂与其他外加剂对混凝土中高性能修补材料的磷酸铵镁水泥(MAPC)砂浆的复合改性作用，并发现此复合消泡剂作为新的消泡配方，可将MAPC 成型体积膨胀率从7.92％降低到0.91％，并且试块的抗压强度和界面结合强度分别显著提高了34％和60％以上。此外，聚醚改性有机硅类消泡剂还在其他领域发挥着重要作用。在食品工业中，它们有助于控制食品加工过程中的泡沫，提高生产效率。在生物医药领域，它们可以用于生物发酵过程中的泡沫控制，确保生产的一致性和纯度。在石油化工和污水处理中，这类消泡剂可以减少泡沫对工艺和设备的干扰。

总之，聚醚改性有机硅类消泡剂是一种多功能、高性能的外加剂，已经在各个领域得到广泛应用。

2混凝土消泡剂应用研究进展

传统消泡剂化学结构是一种两亲表面活性剂，由亲水部分和疏水部分组成。其中，聚醚型消泡剂以其卓越的水溶性和与PCE高效减水剂的最佳相容性而著称，并被大量应用于混凝土。然而，有关合成聚醚作为混凝土消泡剂的研究甚少。对于理解聚醚型消泡剂在水溶液和水泥基材料中的结构-性能关系，以及开发新型高性能混凝土消泡剂，这一领域的研究具有重要意义。Qiao等人报道了合成不同长度烷基醇聚醚作为混凝土消泡剂，研究了引入新型消泡剂后混凝土新拌和硬化水泥砂浆的消泡性能，并充分讨论了聚醚的结构-性能关系。结果验证了烷基醇聚醚在实际应用中作为高性能消泡剂的巨大潜力，也给研究人员在传统消泡剂改性合成方面以及优化在混凝土中的消泡性能予以启发。

此外，为拓宽消泡剂在混凝土中的应用领域及提高消泡性能，研究人员一直在探索和开发新型材料和复合型消泡剂，以提高消泡剂的性能。例如，聚醚改性有机硅类消泡剂结合了聚醚类和有机硅类消泡剂的优点，具有卓越的消泡性能和稳定性。

张小芳等制备了新型的聚醚改性硅油消泡剂，并应用改善混凝土塌落度、抗压性能等。与市售的消泡剂相比，新型消泡剂可明显提高混凝土的抗压性能以及塌落度保持性能，证明了聚醚改性有机硅消泡剂方案的可行性。孙浔等探讨了花岗岩粉掺量与聚醚改性有机硅消泡剂对高性能混凝土结构与性能的影响，通过调整消泡剂在花岗岩粉高性能混凝土中的掺量，可促使其中的大体积泡沫破裂，起到了紧实混凝土的作用。这些相关的研究突显了聚醚改性有机硅消泡剂在混凝土工程中的重要作用，为改进混凝土配方和优化性能提供了有效的方法，有望在未来的混凝土工程中发挥重要作用。

基于此，纳米材料的引入也被研究，以改善消泡剂的性能。传统消泡剂仅在预拌混凝土的初始搅拌阶段表现出强大的消泡能力，并随着水泥硬化的发展而失去效力，这是水泥粒子吸附于封装消泡剂的结果。因此，开发一种仅在初始搅拌阶段具有弱消泡能力，且持续降低混凝土空气含量的新型消泡剂具有重要意义。而纳米材料的载体缓释常常被应用于需要长时间发挥作用的场景，例如医药缓释、混凝土内部固化以及裂缝自修复等，这在消泡剂的应用场景也相一致。Shan等首次报道了一种以多孔纳米颗粒为载体的新型混凝土缓释消泡剂，通过溶胶凝胶法制备了二氧化硅纳米粒子复合聚醚消泡剂的新型复合消泡剂，通过实验证明，虽然具有较弱的起始消泡能力，但随着时间的延长，仍然可以发挥很强的消泡能力，这有效避免了消泡剂的失效。此外，复合消泡剂提高了硬化水泥砂浆的抗压强度。此消泡剂的成功应用于混凝土领域，说明了纳米粒子缓释能力在面对强度更高的混凝土时也可以发挥不错的效果。但令人遗憾的是，纳米粒子复合传统消泡剂的应用研究目前还属于发展阶段，研究并不充分，希望可以在不久的将来有大量且有效的研究应用于混凝土消泡领域，以弥补纳米复合消泡剂研究的空白。

3新型消泡剂的发展趋势与挑战

消泡剂作为混凝土的常用添加剂，对于传统消泡剂的改性合成而言，无疑是巨大的挑战。此外，面临新时代环保和节能的要求，更需要设计可持续发展、绿色的新型消泡剂。新型消泡剂的发展趋势倾向于使用更环保的原材料，减少有害物质的使用，以及优化生产工艺以降低环境影响。在改性方面，新型消泡剂应与性能更为优异的纳米材料相结合。纳米材料的引入为消泡剂领域带来了新的机会。纳米消泡剂可以在微观尺度上控制气泡的形成，从而提高消泡效果。对于提升的性能方面，未来的消泡剂应具备自适应性能和多功能性的可能性，不仅可以根据混凝土的具体需求和环境条件自动调整其消泡效果，还可以提高混凝土的其他性能，如强度、耐久性和耐化学侵蚀性。

在更多的新型建筑材料研发应用后，出现了越来越多的混凝土建筑用料替代品。为更好地节能减排，新型的建筑材料(如泡沫混凝土)也不满足本身的隔热保温等应用领域，逐渐向承重型的建筑材料转变。基于此，传统混凝土在本身优良的强度等性能基础上，其消泡剂的研发会面临以下更多的挑战：①性能稳定性。新型消泡剂的设计需要具备稳定的性能，不受温度、湿度和混凝土成分变化的影响。这对于确保在不同条件下的混凝土中的一致性非常重要。②成本效益。新型消泡剂的研发和生产成本可能较高，因此，需要在性能提升和成本效益之间取得平衡，以保持其竞争力。③兼容性。新型消泡剂在混凝土中的应用可能需要与其他外加剂相兼容，如减水剂、增稠剂等，这需要进行综合性的研究和测试。

总之，新型混凝土消泡剂的发展趋势是朝着更环保、多功能、智能化的方向发展，但在实际应用中需要克服一系列挑战，确保其在混凝土工程中的有效性和可持续性。

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