用于可持续耐久基础设施的生态高效共生火山灰-疏水性胶凝材料

保护建筑免受水害与腐蚀

桥梁、港口和高层建筑都依赖混凝土，但这种日常材料存在两个主要问题：它容易让水和腐蚀性盐类渗入；而其主要成分——水泥的生产会向大气排放大量二氧化碳。本研究探讨了一种新型胶凝材料，旨在同时解决这两类问题，帮助结构在恶劣环境中更长久地服役，同时降低气候影响。

普通水泥为何不足

标准水泥强度高但容易吸水。其微小孔隙吸收水分，将盐类、酸性物质和其他侵蚀性化学物质带入，逐步侵蚀钢筋和周围基体。同时，普通硅酸盐水泥的生产约占人为二氧化碳排放的近8%。工程师已在配比中掺入电厂粉煤灰、硅灰和煅烧粘土（偏高岭土）等工业副产物以减少排放并改善孔结构。然而，即便是这些“更环保”的掺合料，仍像海绵一样可被润湿，并允许水在孔隙中流动。

一种让混凝土排斥水的粉末

研究团队开发了一种新复合粉末，称为共生火山灰-疏水粉末，将三种矿物掺合料与少量硬脂酸锌（一种类蜡物质）结合。矿物成分有助于形成额外的结合凝胶并紧密填充颗粒，而硬脂酸锌在孔壁内表面形成憎水膜。该粉末通过精细研磨并轻度加热原料制备，使组分均匀混合并激活疏水组分。随后该粉末以替代5%至40%水泥含量的方式掺入浆体，研究人员据此评估不同掺量对和易性、强度和抗损伤性能的影响。

在强度与防护之间寻找最佳点

加入疏水粉末后，鲜浆略显不那么流动，凝结时间稍有延长，这是因为细颗粒和憎水表面对水的自由流动产生了干扰。固化过程中，强度先是略有下降，随后有所改善，在非常高的替代比例下又再次下降。掺量为25%的配方取得了最佳平衡：其抗压强度保留了普通水泥浆体的大约四分之三，抗弯和抗拉性能则保持在85%以上。与此同时，其表面行为更像一件防水外衣而非海绵，水滴呈珠状堆积而不易渗入。

抵抗水、盐与酸的考验

25%配比的作用远不止表面排水。它整体吸水量减少约三分之一，氯离子渗透（海洋环境和除冰条件下导致钢筋腐蚀的主要因素）降低超过一半，并且在酸性和富硫酸盐溶液中表现出更高的稳定性。无损脉冲检测显示声波在该混合物中传播更快，表明内部结构更致密、裂缝更少。显微与化学分析证实了性能测试的结论：复合粉末促进了填充孔隙的额外结合凝胶生成，而疏水组分则在孔壁形成涂层，打断了液体与离子沿孔隙的畅通路径。

在可比成本下降低气候影响

由于该新型胶凝材料以四分之一比例用碳强度更低的材料替代了水泥，它将每立方米浆体的温室气体足迹约减少21%。成本分析显示，尽管掺有疏水粉末的材料单位强度成本略高于普通水泥，但按成本计算其耐久性更优。换句话说，对于暴露在海水、工业废水或除冰盐等严酷环境中的结构，该配比可能寿命更长、维修更少，从项目全寿命周期来看具有吸引力。

对未来混凝土的意义

总体而言，该研究表明可以设计出既更低碳又能显著抵抗由水引起的盐蚀和酸蚀损伤的水泥基材料。最有希望的配方是以25%的专门设计疏水粉末替代水泥，实现了强度高、致密且排水的浆体，同时减少了排放。在广泛应用于实际工程并与集料配制成完整混凝土之前，该方法仍需在不同现场条件下进行进一步试验。但这些结果指向一个未来：关键基础设施可以更持久地建造，同时对地球的影响更小。

引用: S, J., V, H., Anil, A. et al. Eco-efficient symbio-pozzolanic hydrophobic cementitious binders for sustainable and durable infrastructure. Sci Rep 16, 9290 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36091-3

关键词: 疏水混凝土, 辅助胶凝材料, 耐久基础设施, 低碳水泥, 耐氯离子与耐酸性