混凝土的獨特特征使其成為了最常用的建筑材料之一?，F(xiàn)如今，混凝土在世界各地建筑中的地位舉足輕重，其需求也越來越大。盡管有明顯的優(yōu)勢，但混凝土在可持續(xù)性方面也有一定的局限性。不過，這種局限性可以通過適當的施工手段進行彌補。
由于混凝土行業(yè)需要提取大量原材料，消耗大量能源，還會產生大量污染和廢物，因此對環(huán)境的影響非常大。而且，盡管混凝土被認為是一種持久耐用的材料，但仍然有足夠的證據表明，全球許多混凝土結構沒有達到其既定的使用壽命，因為許多混凝土結構質量下降的速度非?？?。
鑒于上述局限性以及全球消耗混凝土數量龐大等原因，任何可以幫助混凝土結構延長壽命、或優(yōu)化節(jié)約原材料及能源消耗的舉措，無論多么微小，都能夠對經濟和環(huán)境產生巨大影響。
正是由于這一問題至關重要，近年來在混凝土、防水設計及其它相關方面的可持續(xù)性方法的研究層出不窮。其中最有效的方法之一是使用水泥替代物，比如使用輔助性凝膠材料（SCMs）以及減滲外加劑（PRAs）。
這些材料，如：粉煤灰、礦渣和硅粉，都是其它工業(yè)的副產品[1]。因此，這些材料可以成為替代水泥的可持續(xù)性產品，因為它們很大程度上減少了原材料和能源的消耗。
SCM的優(yōu)勢還不止這些。這些材料還可以降低混凝土的滲透性，增加混凝土的壽命。同時，這些材料能夠幫助建造更持久耐用的混凝土結構，無需經常維修或更換，有助于保護自然資源和環(huán)境。
由于具有這些優(yōu)勢，目前SCM已經成為混凝土一個不可或缺的重要組成部分。但是SCMs材料本身并不能滿足所有項目的所有要求，因此在很多情況下，還需要加入其它的混凝土外加劑。
為滿足當今混凝土的多樣化需求，已經研發(fā)了出多種類型的添加劑，這其中就包括PRAs（減滲外加劑）。在ACI 212.3R-16的第15章，PRAs被定義為是一種可調節(jié)水分及水分流動并限制氯離子滲透從而提高混凝土的耐久性的材料[2]。
由于混凝土的滲透性與耐久性之間具有直接關系，PRAs是幫助構建更耐久、可持續(xù)性建筑結構的有效外加劑。尤其對那些暴露在水及水性化學品之下的建筑結構頗為有效。
基于上述原因以及SCMs和PRAs各自的優(yōu)勢，或許把二者結合使用會是一個完美組合。事實上，混凝土添加劑在某些情況下確實可以產生協(xié)同效應。因此，將二者添加到混凝土混合料中應該會起到促進作用，但現(xiàn)實情況并非總是如此。
這是因為，并不是所有PRAs都具有相同的化學成分。在化學成分不同的影響下，SCMs和PRAs在同時使用時，有時對某些情況有幫助，有時反而會降低它們的優(yōu)勢。因此，在同時采用SCMs和PRAs的時候，需要非常謹慎。首先需要詳細了解二者的化學性能以及它們可能會產生的相互作用，然后再根據需求做出更恰當的選擇。
近幾十年來，人們根據不同的化學成分和作用機制研發(fā)出多種類型的PRAs，以降低混凝土的滲透性。因此，不同的PRA有效性也不同。
其中一種常見的類型就是可與氫氧化鈣（CH）反應的PRA[3]。這類外加劑包括（但不限于）活性硅酸鹽，可與混凝土拌合物中波特蘭水泥水化后釋放出的氫氧化鈣（CH）發(fā)生反應，在混凝土毛細孔洞和細微裂縫中產生不溶性狀晶體，從而提高抵御水分進入的能力。
同時，SCMs則是一種在與波特蘭水泥混合時，可通過水化反應或火山灰反應（PR）增強混凝土特性的材料。但是，重要的是要記住，火山灰反應（PR）本質上是SCM與氫氧化鈣（CH）的化學反應形成膠凝物質，如硅酸鈣水合物。
圖1: 使用硅酸鹽基防水技術降低混凝土的滲透性
通過對比SCMs和硅酸鹽基的PRAs的化學反應，可以推斷出二者皆需要氫氧化鈣（CH）來產生化學反應。但是，混凝土中的氫氧化鈣（CH）含量是有限的，水合硅酸鹽水泥中含有約15%-25%的氫氧化鈣（CH）。
另一方面，隨著SCMs在混凝土中的使用越來越多，水泥用量和氫氧化鈣（CH）的含量隨之減少。隨著SCM含量的增加，對氫氧化鈣（CH）的需求（以便產生火山灰反應（PR））也越來越大。
在實際應用中，在目前混合料中增加SCM含量會大大降低氫氧化鈣（CH）的總量，而且隨著時間的推移會越來越低。因此，如果混合料中同時使用SCMs和硅酸鹽基的PRAs，由于氫氧化鈣（CH）含量有限，二者的性能尤其是長期性能，將會大大降低。
盡管氫氧化鈣（CH）的含量缺乏以及二者（SCMs和硅酸鹽基的PRAs）結合所造成的性能下降，在短期內或在實驗室條件下不容易被發(fā)現(xiàn)。但事實上，在實際應用中或在建筑結構的整個生命周期中，同時使用SCMs和硅酸鹽基PRAs并不是一個可靠的選擇。
綜上所述，SCMs與氫氧化鈣（CH）的反應性會因為硅酸鹽基的外加劑而受到限制，反之亦然。因此，由于硅酸鹽基的PRAs具有這樣的局限性（尤其是與含有SCMs的材料混合之后），我們應該采用不依賴氫氧化鈣（CH）的PRAs。
由于混凝土在使用壽命期間容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象或受到化學侵蝕，因此理想的PRAs需要能夠密封裂縫并在建筑結構的整個使用期間為其提供保護。但是，硅酸鹽基的PRAs由于可能產生的化學反應，特別是在后期階段，無法滿足這一要求。
圖2: 添加結晶型外加劑KIM顯著降低的粉煤灰混合物的滲透性
只有可以起到催化劑作用的材料才能滿足這樣的要求。也就是說需要采用合適的PRAs與其混合，比如凱頓國際的KIM?混凝土防水外加劑，在短期和長期內都可為混凝土提供防水保護，且不會被消耗掉，與混凝土結構同壽命，并且遇水能夠隨時被激活。
將KIM添加到混凝土中后，不需要通過氫氧化鈣（CH）反應來提供保護。相反，KIM中含有的Krystol?結晶技術能夠與水和未水化的水泥顆粒發(fā)生化學反應，形成不溶于水的針狀晶體，這些晶體能夠填充混凝土中的毛細孔洞和細微裂縫，從而堵住水流及水污染物的通道。
這就使得KIM能夠顯著降低混凝土的滲透性。這可以從 AGRA 地球與環(huán)境（AGRA Earth and Environmental）公司所做的安那西斯島（Annacis Island）污水處理廠的報告中看出。報告顯示，KIM能夠降低高達75%的滲透性[4]。
簡而言之，使用像KIM這樣的PRA，對含有任何SCMs的混凝土結構都可以提供長久防水保護，因為進入到建筑結構任何水分都會觸發(fā)該化學反應，起到保護作用的同時不影響建筑結構的SCM含量。
凱頓國際公司技術總監(jiān)
美國混凝土協(xié)會成員
國際材料與結構研究實驗聯(lián)合會成員
[2] ACI Committee 212. Report on Chemical Admixtures for Concrete. Chapter 15. American Concrete Institute, USA, p.43, 2016.
[3] ACI Committee 212. Report on Chemical Admixtures for Concrete. Chapter 15. American Concrete Institute, USA, p.43, 2016.
[4] Steward, M., and Morgan, D.R.”Annacis Island Waste Water Treatment Plant – Concrete Submittals,” Technical Report: Project VA03222. AGRA Earth and Environmental, Burnaby, BC. 1994.
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