消泡剂及其在水泥基材料中的应用

众多研究表明，大量结构不良的气泡是降低水泥基材料工作性能、力学性能和耐久性的最重要因素。主要体现在以下三个方面。

(1) 水泥浆体发泡严重时，泡沫聚集于泵输出口形成气垫，使泵空转运行，施工受阻[1,2]；

(2) 大量气泡使水泥浆体体积增大，但这些气泡容易破裂，引起体积收缩，产生变形；

(3) 大量气泡会导致水泥浆体密度下降，使硬化水泥浆体的力学性能和耐久性降低。

气泡一般以两种形式存在于水泥浆体中。一种是气泡受到的浮力大于水泥浆体对气相外逸产生的阻滞力时，气泡上浮聚集于液面，形成连续的可见气泡。这类气泡容易产生蜂窝麻面，导致水泥基材料表观质量缺陷。另一种是当水泥浆体对气相外逸产生足够的阻滞作用时，气泡不连续地分散于水泥浆体内部。这类气泡可显著降低水泥基材料的密度，对材料的力学性能和耐久性产生不良影响[3]。

消泡剂是能帮助减少混凝土和砂浆在拌合及施工过程中所夹带或产生的大气泡的外加剂。消泡剂由能降低液相表面张力的物质构成，通过抑制气泡形成和破除泡膜而发挥作用。消泡剂是消除水泥基材料中有害气泡最直接有效的手段[4]。利用消泡剂消除有害的大气泡，优化孔结构，使硬化后的水泥基材料达到表面平整、无蜂窝麻面、匀质性好、力学性能和耐久性好等要求。

1 消泡剂的分类

根据其主要成分可将消泡剂分为非硅系、硅系和硅醚混合型三类。非硅系以聚醚类消泡剂为主，其它还包括高级醇、酸、烃和酯等；硅系消泡剂则以硅油或白炭黑硅油膏及改性硅油为主要成分，是目前应用最广的一类消泡剂。

消泡剂具有一定的针对性和专用性。每种起泡体系的起泡机理和工艺条件各不相同，需要的消泡剂也不同，但不管是哪一类，作为消泡剂均应具备以下特质：

(1)消泡力强，用量少；

(2)加入后不影响体系的基本性质；

(3)表面张力小；

(4)与表面平衡性好；

(5)扩散性及渗透性好；

(6)耐热、耐酸碱性好；

(7)化学性质稳定，耐氧化性强；

(8)气体溶解性及透过性好；

(9)在起泡溶液中溶解度小；

(10)生理安全性高。

1.1 聚醚型消泡剂

聚醚型消泡剂于1954年首先由美国Wyandott公司投产后便得到迅速发展，特别是60年代，随着聚醚工业的发展，聚醚型消泡剂发展最为迅速。在我国，消泡剂也于1969年被成功研制并投入生产，最早用于抗生素发酵。

聚醚型消泡剂主要包括直链聚醚（如聚氧乙烯和聚氧丙烯等）、端基由醇、氨(胺)或酯化的聚醚衍生物。以环氧乙烷和环氧丙烷开环聚合制得的聚醚是一种性能优良的水溶性非离子表面活性剂，与水接触时，醚键中的氧原子能与水中的氢原子以氢键结合，分子链节成为曲折形，亲水基团朝向分子外侧，聚醚链易与水结合。当温度升高，分子运动较为剧烈，曲折形链会变为锯齿形，失去与水的结合性。使聚醚分子由低温溶解状态变为混浊状态时的温度就是聚醚的浊点。只有当体系温度超过浊点时，聚醚消泡剂才能发挥消泡作用。通过调节环氧乙烷和环氧丙烷的比例及分子量可降低浊点，从而降低消泡剂的水溶性使消泡剂在低温下也可具有很好的消泡和抑泡能力。

聚醚型消泡剂具有无毒，使用方便，分散性、热稳定性和化学稳定性好等优点，缺点是破泡率低，体系中一旦产生大量气泡，聚醚型消泡剂不能及时有效地扑灭，需另加一定量消泡剂[5]。

1.2 有机硅型消泡剂

单纯的有机硅如二甲基硅油，并不具有消泡作用，但将其乳化后，表面张力迅速降低，用量很小时即能产生很强的破泡和抑泡作用。乳化二氧化硅已成为一种重要的消泡剂成分。常用的有机硅消泡剂以硅油作为基础组分，配以适宜的溶剂、乳化剂和无机填料配制而成。乳化有机硅作为消泡剂具有优良的消泡能力，且其集难溶性、物理化学稳定性、生理惰性和耐高低温性等于一身，既可用于水体系，又可用于非水体系[6]。但其乳化问题复杂，若乳化不完全，使用时破乳将严重影响使用效果，抑泡能力差，并且容易产生硅斑，因而其应用受到了一定的限制。

1.3 硅醚混合型消泡剂

硅醚混合型消泡剂包含两种形式：一种是将硅油与聚醚采用乳化的方法复配而成；另一种是将聚醚通过接枝的方法接到硅油链上，即聚醚改性聚硅氧烷消泡剂。前者制备工艺比较简单，但乳化问题是关键；后者优点是稳定性好，自身即可乳化，无须添加其它助剂，但其制备工艺相对较复杂，条件要求较高，成本也较高。

硅醚混合型，特别是聚醚改性聚硅氧烷消泡剂，将有机硅消泡剂和聚醚消泡剂的优点有机结合起来，它不仅具有聚硅氧烷类消泡剂消泡效力强、表面张力低、挥发性低、无毒、无污染和生理惰性等特点，而且还具有聚醚类消泡剂的耐高温和耐强碱性好等特点，是一种性能优良、应用前景广阔的消泡剂[7]。在硅醚共聚物的分子中，硅氧烷段是亲油基，聚醚段是亲水基。聚醚链段的基团对硅醚共聚物的性能有很大影响，聚醚链段中聚环氧乙烷链节能提供亲水性和起泡性，聚环氧丙烷链节能提供疏水性和渗透力，可有效降低表面张力。通过调节共聚物中硅氧烷段的比例，可突出或减弱有机硅的特性。