作為混凝土的重要組成材料，膠凝材料與功能外加劑是實現混凝土高性能化的關鍵技術。一方面，膠凝材料經水化作用后形成硬化漿體，與混凝土內砂石組分粘結成為整體。其中，硬化漿體的微結構與混凝土性能密切相關；另一方面，功能外加劑以較低的用量實現對混凝土微結構優化與調控，從而滿足不同服役性能要求。近年來，隨著大型基礎設施與現代工程結構的快速發展，混凝土技術所面臨問題主要體現為上述膠凝材料與功能外加劑兩個方面。基于上述分析，本文將圍繞重大工程需求，重點介紹混凝土技術在膠凝材料與功能外加劑方向的新進展，分析上述技術所面臨問題，并對未來研究工作進行展望。
一、傳統硅酸鹽水泥
硅酸鹽水泥的快速發展亟需重視收縮開裂與適應性問題。從英國工程師Joseph Aspdin獲得授權專利起，硅酸鹽水泥及其混凝土在不到200年的發展歷程中已成為全世界用量最大的基礎材料。隨著水泥行業的科技進步，硅酸鹽水泥的生產工藝與各方面性能指標得到了顯著的提升。近年來，我國新的水泥燒成工藝通過高固氣比懸浮預熱預分解技術，使得水泥產量增加40%以上，廢氣中的SO2和NOX排放降低50%以上，同時能耗顯著降低。除了燒成工藝的進步，硅酸鹽水泥的粉磨技術也得到快速發展，水泥細度和比表面積也在不斷增加，大幅提高了水泥強度。
盡管如此，現有研究表明，隨著水泥細度的增加，水泥快速水化的集中放熱，將加劇混凝土早期收縮，增大溫度開裂風險。其中，當水泥比表面積由280m2/kg增加至380m2/kg， 其開裂溫度增加9.5℃，開裂時間提前約1倍。其次，水泥熟料礦物中C3S含量超過55%，呈現上升趨勢。一方面，高C3S含量有效提高混凝土的早期強度；另一方面，隨著C3S含量的提高，水泥水化放熱量集中，極大增加了水泥混凝土的早期開裂風險。最后，隨著水泥行業低碳綠色化的發展需要，越來越多的工業廢渣作為混合材被摻入硅酸鹽水泥中，提升水泥基材料性能。然而，近年來優質原材料的匱乏，導致低品質或低活性混合材，如煤矸石、爐底渣等的大量不合理使用，從而影響水泥混凝土的工作性能與力學性能。
同樣地，大量工業副產物石膏，如脫硫石膏、磷石膏和氟石膏，由于其溶解速度的差異，會導致水泥凝結時間異常，與高效減水劑相容性變差。針對上述問題，硅酸鹽水泥的未來的發展方向在于水泥熟料礦物組成的設計與優化。在水泥材料設計方面，未來應重點借助于計算機模擬方法研究水泥水化機理，優化水泥組分和性能。另一方面，積極開展具有低水化熱特性的高貝利特水泥研究與應用，從而在減少混凝土開裂的同時，大幅度降低硅酸鹽水泥生產能耗。
二、新型膠凝材料
煅燒粘土-石灰石復合膠凝材料（LC3）是綠色低碳硅酸鹽水泥的研究前沿。煅燒粘土類礦物相比于粉煤灰與磨細礦渣具有更高的火山灰活性，在部分取代硅酸鹽水泥時并不會影響水泥基材料的早期力學性能。同時煅燒粘土礦物的原材料高嶺土儲量豐富，生產燒制工藝與硅酸鹽水泥相似，可采用水泥生產設備生產，并且煅燒溫度低，煅燒過程中不會釋放溫室氣體CO2，具有諸多優勢。瑞士洛桑聯邦理工學院Scrivener教授最新提出了煅燒粘土與石灰石復合膠凝材料體系（Limestone calcined clay cement，簡稱LC3）。在該體系中，煅燒粘土與石灰石在堿性環境下反應生成了水化產物水化碳鋁酸鈣，在兩者總摻量達到45%時，水泥基材料的力學性能與抗滲性能依然優于普通硅酸鹽水泥體系。
同時，煅燒粘土與石灰石的復合摻加能節約更多的硅酸鹽水泥熟料，進一步降低水泥生產過程中的碳排放量，因而被視為一種極具應用前景的新型低碳水泥體系。研究表明使用煅燒粘土與石灰石能顯著優化水泥基材料的孔徑結構，降低孔隙率，從而有效抑制有害介質的擴散侵入，提高混凝土抵抗氯離子侵蝕的能力。在同等條件下，煅燒粘土與石灰石復合膠凝體系的氯離子擴散系數較普通硅酸鹽水泥降低80%。盡管如此，煅燒粘土與石灰石復合膠凝體系在應用與推廣過程中仍存在一些問題亟需解決。首先，其主要原料粘土（高嶺土）來源廣泛，地區差異性較大，因此不同地區的水泥煅燒工藝、使用方法、顏色、性能都會存在較大差異。其次，由于原材料的粒徑分布和化學吸附作用，煅燒粘土與石灰石復合膠凝體系的混凝土工作性較普通硅酸鹽水泥混凝土略差，且缺少與之完全匹配的化學外加劑。
堿激發膠凝材料是硅酸鹽水泥體系外的重要膠凝材料。該膠凝材料是堿性條件下利用OH-溶解含有硅鋁鈣元素的天然或人工礦物相物質，通過溶解-縮聚反應形成硅鋁酸鹽的反應產物與微結構，產生膠結作用的一類水硬性膠凝材料。堿激發膠凝材料的硬化機理、反應產物與微結構不同于硅酸鹽水泥，根據反應機理可將反應過程大致分為4個階段：腐蝕溶解、離子平衡，膠體或微晶晶核形成，膠體或微晶核的重構，三維結構膠體與類沸石微晶的形成。基于上述反應機理， 堿激發膠凝材料具有早強快硬的特征，其24h抗壓強度可達到約20MPa，且通過增加SiO2/Al2O3摩爾比值實現凝結硬化時間由20min至210min可調控，故該膠凝材料適于快速修建與修補工程。除上述快硬早強特征外，堿激發膠凝材料具有優異的低介質滲透與耐蝕性，其氯離子滲透深度最低僅為傳統硅酸鹽水泥混凝土的約40%，甚至浸泡于10%質量濃度的硫酸溶液中45d仍然具有完整的外觀。鑒于優異的抗侵蝕性質，堿激發膠凝材料適于作為強腐蝕性環境的建筑材料或防護材料，目前該材料相關技術已形成國家標準GB/T 29423-2012《用于耐腐蝕水泥制品的堿礦渣粉煤灰混凝土》。
雖然具有優異的早期力學性能與抗侵蝕能力，但是堿激發膠凝材料收縮變形大。在相同條件下，堿激發粉煤灰與礦渣砂漿的28d自收縮變形值約為硅酸鹽水泥砂漿的2至3倍，而28d干燥收縮變形值則為4至6倍。造成上述結果的原因在于堿激發材料中介孔體積（＜50nm）明顯高于硅酸鹽水泥漿體（約為2倍），從而導致顯著的毛細孔收縮，故應重視堿激發膠凝材料的體積收縮變形問題。基于上述結果，堿激發膠凝材料的收縮變形過大，現有抗裂技術對堿激發膠凝材料的改善作用亟需進一步驗證。其次，堿激發膠凝材料使用堿性激發劑作為主要的原材料，故返堿析鹽導致的外觀質量問題及抑制機制也應重點考慮。最后，堿激發膠凝材料的成熟工作性調控技術仍然欠缺，主要表現為堿激發膠凝材料對現有減水劑的相容性差，凝結時間過快，未來新型專業減水劑與工作性調控方法的研究亟需深入開展。
三、礦物外加劑
礦物外加劑是在混凝土攪拌過程中加入的、具有一定細度和活性的用于改善新拌和硬化混凝土性能的某些礦物類產品。傳統礦物外加劑可分為天然類、人工類與工業廢料類，其作用機理為火山灰效應、填充密實效應、增塑效應和界面效應。近年來，已有研究將納米技術應用于混凝土礦物外加劑中，利用納米尺度物質小尺寸效應、量子效應、表面效應，不但可以填充常規礦物外加劑無法填充的水泥漿體間微細空隙（10nm～100nm的微孔），改善混凝土的堆積效果，釋放多余的自由水，提高顆粒的水膜層厚度。此外，利用納米材料的高化學活性和催化活性促進其與水化產物大量鍵合，同時以納米礦物外加劑為晶核在其顆粒表面形成水化硅酸鈣凝膠相，把松散的水化硅酸鈣凝膠變成納米礦物外加劑為核心的網狀結構，進而對C-S-H 膠凝結構進行改善，生成的水化產物中超高密度C-S-H 凝膠取代了低密度C-S-H 凝膠，從而顯著改善或提高水泥基復合材料的流變性能和力學性能。因此，研究納米尺度的礦物外加劑已成為實現混凝土超高性能化的關鍵技術途徑之一。
引入高活性微納米礦物外加劑顆粒后，將實現不同礦物外加劑的協同優化設計，達到功能疊加和活性互補，從而實現混凝土的超高性能化。例如江蘇蘇博特新材料股份有限公司研發的納米礦物外加劑，不僅可以有效調控混凝土的流變性能，顯著減小低水膠比混凝土的粘度，實現自流平；同時可通過礦物外加劑的次遞水化效應實現混凝土強度全周期分階段穩步提升。此外，可實現低水膠比混凝土收縮歷程與礦物外加劑膨脹調控歷程相匹配，實現全過程收縮變形控制在普通混凝土水平。此新型納米礦物外加劑在高鐵、軍工和橋梁等諸多工程都已得到應用，推動了超高性能混凝土的規模化、常規化制備與應用，引領了行業的進步。
雖然混凝土外加劑已逐漸由粗獷的直接粉磨使用，逐漸過渡到現階段的精細設計與高技術改性，有效實現了混凝土由高性能向超高性能升級，然而針對礦物外加劑作用機理、協同優化技術等方面尚待深入研究工作。
新拌性能與收縮變形是現階段實現混凝土高性能化的首要問題， 未來應大力引導混凝土功能材料的原創性研究，側重分子構效設計，解決低水膠比混凝土粘度大、脆性大與韌性差、結構溫升及溫降收縮變形大的難題。