混凝土的獨(dú)特特征使其成為了最常用的建筑材料之一。現(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(lái)越大。盡管有明顯的優(yōu)勢(shì)，但混凝土在可持續(xù)性方面也有一定的局限性。不過(guò)，這種局限性可以通過(guò)適當(dāng)?shù)氖┕な侄芜M(jìn)行彌補(bǔ)。
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(huì)產(chǎn)生大量污染和廢物，因此對(duì)環(huán)境的影響非常大。而且，盡管混凝土被認(rèn)為是一種持久耐用的材料，但仍然有足夠的證據(jù)表明，全球許多混凝土結(jié)構(gòu)沒(méi)有達(dá)到其既定的使用壽命，因?yàn)樵S多混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量下降的速度非常快。
鑒于上述局限性以及全球消耗混凝土數(shù)量龐大等原因，任何可以幫助混凝土結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)壽命、或優(yōu)化節(jié)約原材料及能源消耗的舉措，無(wú)論多么微小，都能夠?qū)?jīng)濟(jì)和環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。
正是由于這一問(wèn)題至關(guān)重要，近年來(lái)在混凝土、防水設(shè)計(jì)及其它相關(guān)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(chǎn)品[1]。因此，這些材料可以成為替代水泥的可持續(xù)性產(chǎn)品，因?yàn)樗鼈兒艽蟪潭壬蠝p少了原材料和能源的消耗。
SCM的優(yōu)勢(shì)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(shí)，這些材料能夠幫助建造更持久耐用的混凝土結(jié)構(gòu)，無(wú)需經(jīng)常維修或更換，有助于保護(hù)自然資源和環(huán)境。
由于具有這些優(yōu)勢(shì)，目前SCM已經(jīng)成為混凝土一個(gè)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(xiàng)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(dāng)今混凝土的多樣化需求，已經(jīng)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(diào)節(jié)水分及水分流動(dòng)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(guān)系，PRAs是幫助構(gòu)建更耐久、可持續(xù)性建筑結(jié)構(gòu)的有效外加劑。尤其對(duì)那些暴露在水及水性化學(xué)品之下的建筑結(jié)構(gòu)頗為有效。
基于上述原因以及SCMs和PRAs各自的優(yōu)勢(shì)，或許把二者結(jié)合使用會(huì)是一個(gè)完美組合。事實(shí)上，混凝土添加劑在某些情況下確實(shí)可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。因此，將二者添加到混凝土混合料中應(yīng)該會(huì)起到促進(jìn)作用，但現(xiàn)實(shí)情況并非總是如此。
這是因?yàn)椋⒉皇撬蠵RAs都具有相同的化學(xué)成分。在化學(xué)成分不同的影響下，SCMs和PRAs在同時(shí)使用時(shí)，有時(shí)對(duì)某些情況有幫助，有時(shí)反而會(huì)降低它們的優(yōu)勢(shì)。因此，在同時(shí)采用SCMs和PRAs的時(shí)候，需要非常謹(jǐn)慎。首先需要詳細(xì)了解二者的化學(xué)性能以及它們可能會(huì)產(chǎn)生的相互作用，然后再根據(jù)需求做出更恰當(dāng)?shù)倪x擇。
近幾十年來(lái)，人們根據(jù)不同的化學(xué)成分和作用機(jī)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(yīng)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(yīng)，在混凝土毛細(xì)孔洞和細(xì)微裂縫中產(chǎn)生不溶性狀晶體，從而提高抵御水分進(jìn)入的能力。
同時(shí)，SCMs則是一種在與波特蘭水泥混合時(shí)，可通過(guò)水化反應(yīng)或火山灰反應(yīng)（PR）增強(qiáng)混凝土特性的材料。但是，重要的是要記住，火山灰反應(yīng)（PR）本質(zhì)上是SCM與氫氧化鈣（CH）的化學(xué)反應(yīng)形成膠凝物質(zhì)，如硅酸鈣水合物。
圖1: 使用硅酸鹽基防水技術(shù)降低混凝土的滲透性
通過(guò)對(duì)比SCMs和硅酸鹽基的PRAs的化學(xué)反應(yīng)，可以推斷出二者皆需要?dú)溲趸}（CH）來(lái)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。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(lái)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(duì)氫氧化鈣（CH）的需求（以便產(chǎn)生火山灰反應(yīng)（PR））也越來(lái)越大。
在實(shí)際應(yīng)用中，在目前混合料中增加SCM含量會(huì)大大降低氫氧化鈣（CH）的總量，而且隨著時(shí)間的推移會(huì)越來(lái)越低。因此，如果混合料中同時(shí)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(zhǎng)期性能，將會(huì)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(jié)合所造成的性能下降，在短期內(nèi)或在實(shí)驗(yàn)室條件下不容易被發(fā)現(xiàn)。但事實(shí)上，在實(shí)際應(yīng)用中或在建筑結(jié)構(gòu)的整個(gè)生命周期中，同時(shí)使用SCMs和硅酸鹽基PRAs并不是一個(gè)可靠的選擇。
綜上所述，SCMs與氫氧化鈣（CH）的反應(yīng)性會(huì)因?yàn)楣杷猁}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(yīng)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(xué)侵蝕，因此理想的PRAs需要能夠密封裂縫并在建筑結(jié)構(gòu)的整個(gè)使用期間為其提供保護(hù)。但是，硅酸鹽基的PRAs由于可能產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，特別是在后期階段，無(wú)法滿足這一要求。
圖2: 添加結(jié)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(shuō)需要采用合適的PRAs與其混合，比如凱頓國(guó)際的KIM?混凝土防水外加劑，在短期和長(zhǎng)期內(nèi)都可為混凝土提供防水保護(hù)，且不會(huì)被消耗掉，與混凝土結(jié)構(gòu)同壽命，并且遇水能夠隨時(shí)被激活。
將KIM添加到混凝土中后，不需要通過(guò)氫氧化鈣（CH）反應(yīng)來(lái)提供保護(hù)。相反，KIM中含有的Krystol?結(jié)晶技術(shù)能夠與水和未水化的水泥顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(xì)孔洞和細(xì)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(bào)告中看出。報(bào)告顯示，KIM能夠降低高達(dá)75%的滲透性[4]。
簡(jiǎn)而言之，使用像KIM這樣的PRA，對(duì)含有任何SCMs的混凝土結(jié)構(gòu)都可以提供長(zhǎng)久防水保護(hù)，因?yàn)檫M(jìn)入到建筑結(jié)構(gòu)任何水分都會(huì)觸發(fā)該化學(xué)反應(yīng)，起到保護(hù)作用的同時(shí)不影響建筑結(jié)構(gòu)的SCM含量。
凱頓國(guó)際公司技術(shù)總監(jiān)
美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)成員
國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)聯(lián)合會(huì)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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