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混凝土引气剂的气泡形成?引气剂的分子结构与气泡性能

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查看43 | 回复0 | 2025-2-15 11:29:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
作为一种低表面张力的表面活性剂,在混凝土搅拌过程中,掺入引气剂,即能在新拌与硬化混凝土中引入适量(按体积率计总量)微小的独立分布气泡,这些气泡的特点是:微细、封闭、互不连通。混凝土中引入这些气泡后,毛细管变得细小、曲折、分散,渗透通道减少。

1、气泡的形成
泡沫是气体分散于液体中的多相分散体系,气体是分散相(不连续相)​,液体是分散介质(连续相)​。由液体薄膜包围着的气体就形成了单个气泡,气泡的聚集物称为泡沫。气体和液体相互接触的边界称为Plateau边界,液膜将气相分开。

产生泡沫的条件有如下两个。① 气液接触 因为泡沫是气体在液体中的分散体,所以只有当气体与液体连续充分接触,才有可能产生泡沫。这是泡沫产生的必要条件,但并非充分条件。② 起泡速度高于破泡速度 起泡速度高于破泡速度,指的是气泡的寿命。无论向纯净的水中如何充气,也不可能得到泡沫,而只能出现单泡,因为纯水产生气泡其寿命只有大约0.5s,只能瞬间存在,因此不能得到稳定的泡沫。要使泡沫容易生成并能稳定存在,就必须向纯水中加入添加物,通常加入表面活性剂,这样才有可能得到稳定的泡沫。

2、引气剂的分子结构与气泡性能
作为两亲性物质,引气剂的一系列物理、化学性质皆由其分子结构决定。组成引气剂分子结构的极性基和非极性基各有影响,作用不同。

(1)极性基团的影响
极性基团的结构、组成直接影响引气剂的溶解度、离解度、表面膜的特性等物理性质,同时也影响到引气剂对水泥矿物的化学活性、与水泥浆中离子的化学反应等化学性质。
① 极性基团对溶解度的影响及其对起泡和泡沫特性的影响 引气剂的溶解度与极性基团、非极性基团基的亲水、疏水作用大小有关。极性基的亲水力大,则在相同情况下,引气剂的溶解度大,溶于水后,大部分溶质留在溶液内部,所形成溶液表面张力大,它们在溶液内部分散较均匀,化学活性大,不易形成胶团而使溶液实际浓度减小。因而在相同浓度的情况下,易溶于水的引气剂,溶解度大,实际可供起泡的分子多,引气剂分子之间作用不大,表现起泡高度大,泡沫孔径大,泡沫结构疏松。溶解度低的引气剂,易于形成胶团,溶解度小,实际可供起泡用的分子少,分子之间作用大,因而搅拌时难以起泡,表现为起泡高度小或必须强烈搅拌才能起泡,泡沫孔径小,结构致密。
② 极性基团对离解度、泡沫和水泥作用的影响 用于混凝土引气剂的表面活性剂主要有阴离子表面活性剂、阳离子表面活性剂和非离子表面活性剂,前两者可以电离出离子而表现出强烈的电性,表面活性大,起泡力大。但由于极性头之间的电斥力作用大,泡沫稳定性不好。可以加入稳泡剂,减少其极性头之间的电斥力作用,使它们排列更加紧密,增加泡沫稳定性。电斥力也有好处,它可以防止泡沫靠近而造成的破坏,增加泡沫的稳定性。但加入水泥浆中时,由于水泥颗粒带电,如果其与泡沫表面带同种电荷,则两者排斥,水泥颗粒难以进入泡沫膜中的水层,使得硬化后孔的薄壳强度低,引起硬化混凝土的强度降低。如果带异种电荷,则两者吸引,泡沫易被破坏。用作混凝土引气剂的表面活性剂的一般为阴离子表面活性剂或非离子表面活性剂。非离子表面活性剂起泡差,但其不电离,适应性好,不易受环境影响,与其他表面活性剂相容性好,因而一般可加入其他表面活性剂中,作为助剂改进泡沫性能。
③ 极性基团水合能力及其断面的影响 极性基在水中与周围的水偶极子作用发生水合,吸引水分子到泡沫表面,形成水层,使泡沫稳定,不破裂。另外,还可能吸引水泥颗粒,在其水层中水化,增加硬化后薄壳的强度。一般极性基的断面比非极性基大,故定向排列时,紧密程度取决于极性基。只有极性基断面小,电斥力作用小,才可能使其排列紧密。当然,可以通过加入稳泡剂使其参与排列,增加排列分子的吸引作用,减少电斥力作用。如在十二烷基硫酸钠(K12)中加入十二醇(R12)​,R12插入成膜的K12分子序列中,一方面,可以增加排列分子的相互联结作用(疏水作用)​;另一方面,减少S之间的排斥作用,从而增加了排列分子密度,提高了泡沫稳定性。
④ 极性基团化学性质的影响 由于泡沫处于无机的环境中,其化学性质主要取决于引气剂极性基的化学性质。对于混凝土引气剂而言,水泥中的化学环境决定了其化学作用。水泥浆中含有大量Ca2+、Mg2+、Al3+等酸根离子,许多阴离子引气剂在含钙量高的水泥水溶液中有钙盐沉淀,吸附于气泡膜上,使混凝土中的气泡实际上成了气、固、液三相气泡,固体颗粒“罩盖”薄膜使气泡表层膜厚度增大,机械强度和弹性提高,从而使大量微小气泡能够稳定地均匀分布在混凝土拌和物中,提高了气泡的稳定性。

(2)非极性基团的影响
非极性基的大小影响到引气剂的溶解度、表面活性等。一般随着非极性基的增大,溶解度下降,表面活性增大,稳泡性提高,泡径减小。当非极性基为正构烷基,表面活性剂成膜时排列紧密,非极性基作用力大,增加了泡沫的稳定性,但也会由于其容易在水中形成胶团而难以起泡;非极性基为异构烷基时,由于非极性基之间作用力小,容易起泡,但其稳定性会降低;当非极性基为芳香基时,由于其分子形状的不规则,如果不掺加稳泡剂,则起泡小,稳泡性差,而且其与其他表面活性剂配合性不好。

由于混凝土是高碱高盐的复杂体系,体系中除了气-液界面,还存在着气-固、液-固界面,表面活性剂在混凝土中所表现出来的性质往往与其在水溶液中的性质相差很大,在混凝土引气剂研究和开发中必须要时刻关注到这种差异。
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