引气剂

引气剂

摘要：引气剂是一种能使混凝土或砂浆及水泥净浆中产生细小、均匀分布的，而且硬化后能保留微气泡的外加剂。本文介绍了主要引气剂的制备过程、引气剂的作用机理、分子结构与性能、含气量的影响因素、气泡分布特征以及对混凝土性能的影响，还说明了在施工时的注意事项。

关键词：引气剂；作用机理；含气量；混凝土性能，施工

引言

引气剂是一种能使混凝土或砂浆及水泥净浆中产生细小、均匀分布的，而且硬化后能保留微气泡的外加剂。在混凝土或砂浆中加入引气剂后，他能使混凝土或砂浆的某些方面想能有明显的提高，能使他们的使用寿命大大延长。因此，它在促使混凝土成为一种经久耐用的建筑材料方面能起到很大的作用。

引气剂发挥作用是在混凝土拌合时，可以引入适量的、均匀分布而又各自分离的气泡，在混凝土硬化后，这些微气泡仍然存在。正是这些有计划、有限制的引入的、大小在0.05-1.25mm的气泡（一般是空气泡）的存在，使得引气剂能使新拌混凝土及硬化混凝土的一些性能明显提高。而引气剂一般情况下不明显改变混凝土的凝结、硬化特性。

一般讲，对混凝土内部适宜的空气引入量约为3-6%。当掺加引气剂太少时，其作用太弱，使混凝土对气候变化及对化学侵蚀的抵抗能力增加的不够多，对混凝土的耐久性的改善也比较轻微。掺加的引气剂太多时，则会使混凝土中引入的空气量太大，使混凝土的强度有过多的降低[1,2]。

上世纪三十年代，在美国随着汽车和公路交通的迅速发展，混凝土路面发生裂缝以致破坏的现象增多，尤其是在北方冬季期间，为防止混凝土路面冻结而撒氯化钙、氯化钠等盐类时破坏更为严重。为了解决上述问题，有关学者专门进行了调查研究。通过试验发现，混凝土中掺入树脂和油类后，混凝土的多种性能有明显改善，从而促进了引气剂的研究和开发工作。我国的引气剂开发研究始于五十年代，首先研制松香热聚物引气剂，接着进行了松香皂、OP乳化剂、801-2等引气剂的应用研究工作。

1 主要引气剂的制造过程简介

1.1 松香及其热聚物类

松香的化学结构很复杂，其中含有松脂酸类、芳香烃类、芳香醇类、芳香醛类及氧化物类等。可以用以下的式子来表示它：C20H30O2

松香酸的结构式如下：

图1 松香酸结构式

因松香酸中具有羧—COOH，加入碱以后会发生皂化反应而生成皂类。

松香中除松香酸外，其余的成分如烃类、醇类、醛类及氧化物不易皂化。除以上成分外，松香中还有许多未定结构的化合物。

将松香与苯酚、硫酸和其氧化钠等几种物质作原料，在一定的温度下，以适当的比例配合，在合适条件下反应。反应过程相当复杂，松香酸中羧基与酚类的羟基，在有浓硫酸存在下，取适当的温度和反应时间，则发生缩合反应而生成脂类。松香与苯酚经过缩合、聚合等作用，变成为一种分子比较大的物质，在经过氢氧化钠处理变成钠盐的缩合热聚物。这种物质属于表面活性剂范畴内。反应式可表示如下：

图2 制备松香热聚物化学反应

1.2 非离子型表面活性剂

用于混凝土作为引气剂的主要是聚乙二醇型非离子表面活性剂。它由含有活泼氢原子的憎水原料同环氧乙烷进行加成而制得。

羟基、羧基、氨基和酰胺基等氢原子，由于它们的化学活性较强，很容易发生反应。凡是含有上述原子团的憎水性原料，都可以与环氧乙烷反应，生成聚乙二醇型非离子表面活性

剂。例如：烷基酚可以发生如下的反应而生成环氧乙烷加成物，即烷基酚聚氧乙烯醚：

图3 烷基酚聚氧乙烯醚的合成

当参加聚合反应的环氧乙烷比例越大时，n的数目就越大，则生成的表面活性剂其水溶性就越好。烷基酚、脂肪酸、高级脂肪酸或脂肪酰胺等，也可以很容易与环氧乙烷进行加成反应而制成表面活性剂[3]。

1.3 烷基苯磺酸盐类

它由苯环上带有一个长链烷基的烷基苯，经用浓硫酸、发烟硫酸或液体三氧化硫作为磺化剂而制得。进过研究，发现烷基的碳原子数以接近12时为最合适，性能较好，这个烷基不是直链的正构烷基，二是带有支链的含有12个碳原子的各种烷基。工业上常用廉价的石油化学制品丙烯为原料，使它聚合成丙烯四聚体——十二烯，与苯反应后得到十二烷基苯的复杂混合物，再经磺化即成为产品十二烷基苯磺酸钠。反应过程如下式所示：

图4 十二烷基苯磺酸钠的制备反应

十二烷基苯磺酸钠容易合成，工业上可制成高纯度产品。它易溶于水，水溶液极易气泡，产生的泡沫多。但若溶液的粘度较低则气泡也较易消失。

2引气剂的作用机理

2.1降低液—气界面张力作用

常用的引气剂能在气液界面处形成正吸附，具有较大的表面活性。他们吸附于界面时，分子成定向排列，极性基朝向水中，非极性基朝向空气，这均使溶液的表面张力下降，根据引气剂组分、结构的不同其下降的程度不一样。使表面张力下降也使表面能降低，体系总表面能更低则更趋于稳定。

2.2水化膜厚度及机械强度增大作用

当引气剂形成吸附层后，它们相当于形成了一个膜层，由于引起分子间的引力使膜层有一定强度，再加上引气剂分子的水化作用，使形成的膜层更为加厚，这就使气泡的合并变难，

起到了保护作用。

2.3气泡表层液膜之间的静电斥力作用

许多引气剂属于离子型，他们带有某种电性。故引气剂在液膜的两边整齐排列后，他们的同种电荷要互相排斥，使得气泡也不易进一步靠近。

此外，加有引气剂的泡膜有更大的表面弹性效应，减小了液膜的流失。这些因素均可使加有引气剂时，其气泡更为稳定。

2.4微细固体颗粒沉积气泡表面形成的“罩盖”作用

混凝土中加入的阴离子型引气剂，如十二烷基苯磺酸钠，易与水泥水化的Ca(OH)2反应生成难溶的十二烷基苯磺酸钙盐。这些从溶液中沉淀出来的阴离子引气剂钙盐颗粒，会吸收和集中在气泡表面，从而在气泡表面形成“罩盖”薄膜。引气剂通过其极性基团可能吸附水泥颗粒或水泥水化颗粒，从而使这些颗粒在气泡表面形成微细固体颗粒“罩盖”薄膜[4]。

一般说来，加有引气剂水溶液的表面张力降低的越多，其起泡性越大。但表面张力的降低与引起性能之间并不完全是平行关系。通常，随着引气剂浓度的提高，表面张力与起泡能力并不保持直线正比关系。在低浓度时，随引气剂浓度增大，起泡能力下降的多，一般其起泡能力也大，但也有较少数引气剂，它降低表面张力不太大，而其起泡力也不少，相反的情况也偶有遇到。表面张力与起泡能力之间所以没有发现完全对应的关系，其原因可能是由于表面张力测定时是在静止平衡状态下进行的，而起泡过程则是在搅动、扩张、蒸发等运动的过程中发生，此两者状态是不同的。

3 引气剂的分子结构与性能

3.1引气剂极性基对性能的影响

极性基的结构直接影响引气剂分子的物理性质（溶解度、离解度、粘度、表面膜特性等）和化学性质（对水泥矿物表面的化学活性、与其他离子的化学反应等）。常用引气剂特性如表1所示[4]。

表1 常用引气剂的极性基特性