混凝土的独特特征使其成为了最常用的建筑材料之一。现如今，混凝土在世界各地建筑中的地位举足轻重，其需求也越来越大。尽管有明显的优势，但混凝土在可持续性方面也有一定的局限性。不过，这种局限性可以通过适当的施工手段进行弥补。
由于混凝土行业需要提取大量原材料，消耗大量能源，还会产生大量污染和废物，因此对环境的影响非常大。而且，尽管混凝土被认为是一种持久耐用的材料，但仍然有足够的证据表明，全球许多混凝土结构没有达到其既定的使用寿命，因为许多混凝土结构质量下降的速度非常快。
鉴于上述局限性以及全球消耗混凝土数量庞大等原因，任何可以帮助混凝土结构延长寿命、或优化节约原材料及能源消耗的举措，无论多么微小，都能够对经济和环境产生巨大影响。
正是由于这一问题至关重要，近年来在混凝土、防水设计及其它相关方面的可持续性方法的研究层出不穷。其中最有效的方法之一是使用水泥替代物，比如使用辅助性凝胶材料（SCMs）以及减渗外加剂（PRAs）。
这些材料，如：粉煤灰、矿渣和硅粉，都是其它工业的副产品[1]。因此，这些材料可以成为替代水泥的可持续性产品，因为它们很大程度上减少了原材料和能源的消耗。
SCM的优势还不止这些。这些材料还可以降低混凝土的渗透性，增加混凝土的寿命。同时，这些材料能够帮助建造更持久耐用的混凝土结构，无需经常维修或更换，有助于保护自然资源和环境。
由于具有这些优势，目前SCM已经成为混凝土一个不可或缺的重要组成部分。但是SCMs材料本身并不能满足所有项目的所有要求，因此在很多情况下，还需要加入其它的混凝土外加剂。
为满足当今混凝土的多样化需求，已经研发了出多种类型的添加剂，这其中就包括PRAs（减渗外加剂）。在ACI 212.3R-16的第15章，PRAs被定义为是一种可调节水分及水分流动并限制氯离子渗透从而提高混凝土的耐久性的材料[2]。
由于混凝土的渗透性与耐久性之间具有直接关系，PRAs是帮助构建更耐久、可持续性建筑结构的有效外加剂。尤其对那些暴露在水及水性化学品之下的建筑结构颇为有效。
基于上述原因以及SCMs和PRAs各自的优势，或许把二者结合使用会是一个完美组合。事实上，混凝土添加剂在某些情况下确实可以产生协同效应。因此，将二者添加到混凝土混合料中应该会起到促进作用，但现实情况并非总是如此。
这是因为，并不是所有PRAs都具有相同的化学成分。在化学成分不同的影响下，SCMs和PRAs在同时使用时，有时对某些情况有帮助，有时反而会降低它们的优势。因此，在同时采用SCMs和PRAs的时候，需要非常谨慎。首先需要详细了解二者的化学性能以及它们可能会产生的相互作用，然后再根据需求做出更恰当的选择。
近几十年来，人们根据不同的化学成分和作用机制研发出多种类型的PRAs，以降低混凝土的渗透性。因此，不同的PRA有效性也不同。
其中一种常见的类型就是可与氢氧化钙（CH）反应的PRA[3]。这类外加剂包括（但不限于）活性硅酸盐，可与混凝土拌合物中波特兰水泥水化后释放出的氢氧化钙（CH）发生反应，在混凝土毛细孔洞和细微裂缝中产生不溶性状晶体，从而提高抵御水分进入的能力。
同时，SCMs则是一种在与波特兰水泥混合时，可通过水化反应或火山灰反应（PR）增强混凝土特性的材料。但是，重要的是要记住，火山灰反应（PR）本质上是SCM与氢氧化钙（CH）的化学反应形成胶凝物质，如硅酸钙水合物。
图1: 使用硅酸盐基防水技术降低混凝土的渗透性
通过对比SCMs和硅酸盐基的PRAs的化学反应，可以推断出二者皆需要氢氧化钙（CH）来产生化学反应。但是，混凝土中的氢氧化钙（CH）含量是有限的，水合硅酸盐水泥中含有约15%-25%的氢氧化钙（CH）。
另一方面，随着SCMs在混凝土中的使用越来越多，水泥用量和氢氧化钙（CH）的含量随之减少。随着SCM含量的增加，对氢氧化钙（CH）的需求（以便产生火山灰反应（PR））也越来越大。
在实际应用中，在目前混合料中增加SCM含量会大大降低氢氧化钙（CH）的总量，而且随着时间的推移会越来越低。因此，如果混合料中同时使用SCMs和硅酸盐基的PRAs，由于氢氧化钙（CH）含量有限，二者的性能尤其是长期性能，将会大大降低。
尽管氢氧化钙（CH）的含量缺乏以及二者（SCMs和硅酸盐基的PRAs）结合所造成的性能下降，在短期内或在实验室条件下不容易被发现。但事实上，在实际应用中或在建筑结构的整个生命周期中，同时使用SCMs和硅酸盐基PRAs并不是一个可靠的选择。
综上所述，SCMs与氢氧化钙（CH）的反应性会因为硅酸盐基的外加剂而受到限制，反之亦然。因此，由于硅酸盐基的PRAs具有这样的局限性（尤其是与含有SCMs的材料混合之后），我们应该采用不依赖氢氧化钙（CH）的PRAs。
由于混凝土在使用寿命期间容易出现开裂现象或受到化学侵蚀，因此理想的PRAs需要能够密封裂缝并在建筑结构的整个使用期间为其提供保护。但是，硅酸盐基的PRAs由于可能产生的化学反应，特别是在后期阶段，无法满足这一要求。
图2: 添加结晶型外加剂KIM显著降低的粉煤灰混合物的渗透性
只有可以起到催化剂作用的材料才能满足这样的要求。也就是说需要采用合适的PRAs与其混合，比如凯顿国际的KIM®混凝土防水外加剂，在短期和长期内都可为混凝土提供防水保护，且不会被消耗掉，与混凝土结构同寿命，并且遇水能够随时被激活。
将KIM添加到混凝土中后，不需要通过氢氧化钙（CH）反应来提供保护。相反，KIM中含有的Krystol®结晶技术能够与水和未水化的水泥颗粒发生化学反应，形成不溶于水的针状晶体，这些晶体能够填充混凝土中的毛细孔洞和细微裂缝，从而堵住水流及水污染物的通道。
这就使得KIM能够显著降低混凝土的渗透性。这可以从 AGRA 地球与环境（AGRA Earth and Environmental）公司所做的安那西斯岛（Annacis Island）污水处理厂的报告中看出。报告显示，KIM能够降低高达75%的渗透性[4]。
简而言之，使用像KIM这样的PRA，对含有任何SCMs的混凝土结构都可以提供长久防水保护，因为进入到建筑结构任何水分都会触发该化学反应，起到保护作用的同时不影响建筑结构的SCM含量。
凯顿国际公司技术总监
美国混凝土协会成员
国际材料与结构研究实验联合会成员
[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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