引气剂的作用机理、原理及应用

　　概述：

　　引气剂是使混凝土拌合物在拌和过程中引入空气而形成大量微小、封闭而稳定气泡的外加剂。绝大部分引气剂的成分为松香衍生物以及各种磺酸盐，如烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠，常用掺量是水泥重量的50～500ppm。引气剂主要用于抗冻性要求高的结构，如混凝土大坝、路面、桥面、飞机场道面等大面积易受冻的部位。

　　定义：

　　引气剂是指能使混凝土在拌合过程中引入大量微小、封闭而稳定的气泡的外加剂。

　　二十世纪30年代，美国的汽车交通发展迅速，而混凝土路面破坏严重，尤其是在北方地区的冬季期间，为防止混凝土路面结冰而喷撒除冰盐(如氯化钙、氯化钠)的路面破坏更加严重。通过试验研究发现，用掺入树脂和油类等助剂作为助磨剂的水泥所配制的混凝土，此类破坏程度较轻。这一发现促使人们对引气剂的作用机理和作用效果进行了深入的研究，并促使人们开发研制有效的引气剂。目前已有多种引气剂产品，并且对引气所产生的改善混凝土抗冻融性、和易性方面的效应也进行了深入研究。

　　最早取得技术专利的混凝土引气剂是文沙树脂，它是木松香精制过程中的一种副产品。我国50年代研制了以松香热聚物为主要成分的引气剂，接着进行了松香皂、OP乳化剂和801-2等引气剂的研究应用工作。目前市场上销售的引气剂主要有PC-2型引气剂、CON-A型引气剂、KF微沫剂和SJ-1、SJ-2引气剂等。

　　引气剂掺量非常小，却能因使混凝土在搅拌过程中引气而大幅度改善混凝土的抗冻融循环方面的耐久性，应用在道路、桥梁、大坝和港工等方面，大大提高了它们的使用寿命，因此，它是一种非常重要的外加剂。所以，引气剂问世至今，仍然被看作是混凝土材料科学发展过程中的一大重要发现。

　　引气剂

　　种类：

　　根据化学成分，引气剂主要有以下几类：

　　1)木材树脂酸盐；

　　2)合成洗涤剂类；

　　3)磺化木质素的盐类；

　　4)石油酸盐类；

　　5)蛋白质的盐类；

　　6)脂肪酸或树脂酸及其盐类；

　　7)有机硅化合物类；

　　8)磺酸烃的有机盐类等。

　　二、主要作用机理、原理

　　1、改善混凝土和易性(Workability)

　　引气剂的掺入使混凝土拌合物内形成大量微小的封闭状气泡，这些微气泡如同滚珠一样，减少骨料颗粒间的摩擦阻力，使混凝土拌合物的流动性增加。若保持流动性不变，就可减少用水量。同时由于水分均匀分布在大量气泡的表面，这就使能自由移动的水量减少，湿砂浆的泌水量因此减少，而保水性、粘聚性相应随之提高。

　　2、降低混凝土的强度和提高混凝土抗裂性能

　　由于大量气泡的存在，减少了混凝土的有效受力面积，使混凝土强度有所降低。但引气剂有一定的减水作用，水灰比的降低使强度得到一定补偿。但引气剂的加入，还是会使混凝土的强度下降，特别是抗压强度。。此外，由于大量气泡的存在，使混凝土的弹性变形增大，弹性模量有所降低，这对提高混凝土的抗裂性是有利的。

　　降低混凝土的强度。

　　由于大量气泡的存在，减少了混凝土的有效受力面积，使混凝土强度有所降低。但引气剂有一定的减水作用(尤其象引气减水剂，减水作用更为显著)，水灰比的降低，使强度得到一定补偿。当水灰比固定时，空气量每增加1％体积时，混凝土的抗压强度要降低4％～5％，抗折强度降低2％～3％。因此，引气剂的掺量应严格控制，一般引气量以3％～6％为宜。此外，由于大量气泡的存在，使混凝土的弹性变形增大，弹性模量有所降低，这对提高混凝土的抗裂性是有利的。

　　3、提高混凝土的抗渗性、抗冻性

　　引气剂使混凝土拌合物泌水性减小(一般泌水量可减少30%~40%)。因此泌水通道的毛细管也相应减少。同时，大量封闭的微气泡的存在，堵塞或隔断了混凝土中毛细管渗水通道，改变了混凝土的孔结构，使混凝土抗渗性得到提高。气泡有较大的弹性变形能力，对由水结冰所产生的膨胀应力有一定的缓冲作用，因而混凝土的抗冻性得到提高，耐久性也随之提高。

　　4、混凝土引气剂基本上都属于阴离子表面活性剂，其分子结构由憎水基团和亲水基团组成，亲水基团在分子溶于水解离后会因释放出阳离子而带正电荷。

　　概括起来讲，引气剂的作用机理在于：

　　在混凝土搅拌过程中能使其大量包裹微小的气泡，而这些微小的气泡又能稳定地存在于混凝土体内。

　　具体地分析，引气剂的作用机理包括以下方面：

　　1)界面活性作用

　　不加引气剂时，搅拌混凝土过程中，也会裹入一定量的气泡。但是当加入引气剂后，在水泥-水-空气体系中，引气剂分子很快吸附在各相界面上。在水泥-水界面上，形成憎水基指向水泥颗粒，而亲水基指向水的单分子(或多分子)定向吸附膜；在气泡膜(也即水-气界面)上，形成憎水基指向空气，而亲水基指向水的定向吸附层。由于表面活性剂的吸附作用，大大降低了整个体系的自由能，使得在搅拌过程中，容易引入小气泡。

　　引气剂都为表面活性剂，其界面活性作用基本上与前述的减水剂相似，而区别在于减水剂的界面活性作用主要发生在液一固界面上。而引气剂的界面活性作用主要发生在气一液界面上。含有引气剂的水溶液拌制混凝土时，由于引气剂能显著降低水的表面张力和界面能，使水溶液在搅拌过程中极易产生许多微小的封闭气泡，气泡直径大多在200μm以下。引气剂分子定向吸附在气泡表面，形成较为牢固的液膜，使气泡稳定而不易破裂。引气剂适用于抗冻、防渗、抗硫酸盐、泌水严重的混凝土、贫混凝土、轻骨料混凝土以及对饰面有要求的混凝土等。由于单掺引气剂有可能会使混凝土强度降低，故近年来较多使用引气减水剂。

　　2)起泡作用

　　泡可分为气泡、泡沫和溶胶性气泡三种。混凝土中的泡属于溶胶性气泡。

　　清净的水不会起泡，即使在剧烈搅动或振荡作用下，使水中卷入搅成细碎的小气泡而混浊，但静置后，气泡立即上浮而破灭。但是当水中加入引气剂(比如洗衣粉)后，经过振荡或搅动，便引入大量气泡。其原因是：液体表面具有自动缩小的趋势，而起泡是一种界面面积大量增加的过程，在表面张力不变的情况下，必然导致体系自由能大大增加，是热力学不稳定的系统，会导致气泡缩小、破灭。但在引气剂存在的情况下，由于它能吸附到气-液界面上，降低了界面能，即降低了表面张力，因而使起泡较容易。

　　3)稳泡作用

　　通过试验发现，将有些表面活性剂加入混凝土中，在搅拌过程中也能引入大量微小气泡，但是当将混凝土静置一定时间，或经过运输、装卸、浇注后，混凝土的含气量却大大下降，大部分气泡都溢出消失了，而引气剂则不同，掺入后，不但能使混凝土在搅拌过程中引入大量微小气泡，而且这些而且这些气泡能较稳定地存在，这是使硬化混凝土中存在一定结构的气孔的重要保证。

　　研究表明，气泡的稳定与静表面张力并非简单的关系，还取决于一些其它的条件，包括在气泡周围形成有一定机械强度和弹性的膜、要有适当的膜表面粘度、适当的液相介质粘度、使泡膜不易流失、泡膜动电电位提高等，对于混凝土这样的多项系统，情况就更复杂了。

　　由于上述作用，使得掺加引气剂的混凝土在搅拌过程中所形成的气泡大小均匀(20-1000μm)，迁移速度小，且相互聚并的可能性也很小，基本上都能稳定地存在与混凝土体内。

　　还有一项试验数据，也能够帮助说明掺加引气剂混凝土中引入的气泡的稳定性：一些阴离子引气剂在含钙量高的水泥浆溶液中有钙盐沉淀，当微细的水泥颗粒周围和气泡膜上的这种沉淀物浓度适当时，能防止气泡破灭。

　　三、引气剂产品使用技术特点、主要性能、用途。

　　（一）、引气剂产品使用技术特点：

　　1、AH系列引气剂与水泥、砂、石一起加入搅拌机，搅拌时间需延长1分钟－2分钟。

　　2、建筑工程混凝土掺量应选低限，水工混凝土掺量应选高限。

　　3、抗冻融要求较高的混凝土，以及冬季施工砼，其掺量应根据混凝土含气量的要求，通过试验确定。

　　4、引气剂也可配制溶液使用，但必须充分溶解。

　　5、引气量受配制混凝土的材料及配制操作环境温度影响，故必须尽量保持稳定才能控制含气量波动。

　　6、高频振捣不超过20秒。

　　（二）、引气剂产品主要性能

　　1、掺AH系列引气剂能提供混凝土坍落度、流动性和可塑性。

　　2、减少混凝土泌水和离析，提供混凝土的均质性。

　　3、提供混凝土的抗折强度，当含气量为3％－5％时，抗折强度提高10％－20％。

　　4、掺AH系列引气剂弹性模量较低，刚性较小，柔韧性好。

　　5、混凝土的热扩散及传导系数降低，提高了混凝土的体积稳定性，增强了野外结构的耐候性，延长道路混凝土的使用寿命。

　　6、大大提高了混凝土抗冻性、抗盐渍性、抗渗性、耐硫酸盐侵蚀及抗碱集料反应性能。

　　（三）、引气剂产品用途：

　　1、气泡结构好，气泡半径小，抗冻指标高，用于高耐久性的混凝土结构，如水坝、高等级公路、热电站冷却塔、水池水工、港口等。

　　2、撒除冰盐的混凝土公路及桥梁。

　　3、高和易性混凝土工程。

　　4、泵送混凝土。

　　四、研究进展

　　三萜皂甙混凝土引气剂Terpene saponins concrete air-entraining agent

　　目前国内传统商品引气剂主要为松香皂及松香热聚物,存在产品溶解性差、与其他外加剂复合性差、对混凝土强度降低较大等缺点。

　　三萜系混凝土引气剂具有降低溶液的表面张力，产生封闭、独立的气泡，发泡倍数高，气泡数量多，气泡间距小，稳泡时间长，能明显改善塑性混凝土的工作性能和提高硬化混凝土的耐久性能的特点,是一种在国内混凝土工程中极有应用前景的优质引气剂。

　　该引气剂以我国南方分布的天然野生植物皂甙为主要原料,从植物果实中提炼的三萜皂甙类精制而成。

　　产品特色

　　1、掺量少，气泡质量好

　　三萜系引气剂建议掺量为水泥重量的万分之0.4～1.5，掺量小，使用成本低。能引入混凝土中的气泡达10亿个之多，孔径范围为0.02～0.2 mm，为不连续的封闭球形，分布均匀，稳定性好。当含气量≥5%时，气泡间距系数L<100μm，当含气量为6%时，气泡间距系数L约为80μm。

　　2、与其他外加剂的复合性

　　产品水溶性极强,在外加剂复合上，有良好配伍的适应性，能充分体现“协同效应”，复合效果优于单剂。减水，分散、湿润、助溶、增溶、乳化、降粘等性能均有不同程度的提高，避免了松香类引气剂复合时易出现的沉淀、变色，引气效果降低的现象。能降低复合成本5%左右。

　　3、对混凝土性能的影响

　　本品对混凝土抗压强度的降低幅度明显优于国内传统引气剂产品。掺本引气剂可以提高混凝土的流动性和可塑性，减少泌水和离析，提高抗折强度10%—20%。掺本剂的混凝土热扩散、热传导系数降低，混凝土的体积稳定性和各种户外结构的耐侯性得以提高。道路混凝土广泛使用本引气剂有利于延长道路的使用寿命。泵送砼掺入本引气剂可提高流动性和泵送压力，本引气混凝土的最显著的优势是提高抗冻性和抗盐冻性,这对于其应用于道路混凝土工程是非常有利的。三萜系引气剂对混凝土其他耐久性也有不可忽视的改善效果。引气引入的微小气泡可作为体积膨胀的缓冲空间,降低和延缓其他物理膨胀(如盐晶体结晶压等)和化学反应膨胀(如碱骨料反应和硫酸盐反应等)引起的混凝土破坏。试验结果同时显示,引气还可改善混凝土的抗渗性能,仅从这一点,引气剂就可提高混凝土的综合耐久性。

　　适用范围

　　1、用于对混凝土耐久性(特别是抗冻耐久性)要求高的混凝土结构中,如水工、港工及道桥等重要工程;

　　2、北方撒除冰盐的混凝土公路、桥梁;

　　3、对施工和易性要求高的混凝土工程;

　　4、因其具有极强的水溶性,与其他外加剂具有很强的复合性能,所以是配制泵送剂等其它复合外加剂的重要组成部分，如泵送混凝土；

　　6、与减水剂复合,能起到引气、改善和易性、减少泌水和沉降，提高混凝土耐久性（抗冻融循环、抗渗）、抗侵蚀能力等作用。

　　我国混凝土外加剂的生产历史不长，但发展很快，天然高效的表面活性剂符合绿色环保的要求，随着人们对其性能的不断认识，必将得到更大的发展。