北京
麻省理工学院研究人员利用激光成像揭示注CO₂水泥内部的快速反应。
多年来，企业一直将二氧化碳注入混凝土，以封存排放并改善早期性能。尽管研究人员无法完全解释其原理，建筑行业已经接受了这一做法。如今，麻省理工学院的科学家表示，他们终于实时观察到了这一化学过程的展开。
研究团队利用激光成像技术，捕捉到了二氧化碳与新拌水泥浆相遇时发生的快速反应。观察结果揭示了一条暂时性的化学路径，它重塑了材料的硬化方式。这一过程产生了分布更均匀的粘结结构，并提升了早期强度。
这些发现有助于工程师微调已在美国各地进入市场的低碳混凝土技术。这项工作也为水泥这一全球碳密集度最高的材料之一，如何在保持性能的同时封存所捕获的碳，提供了更清晰的图景。
追踪隐藏的反应
来自麻省理工学院混凝土可持续发展中心及土木与环境工程系的研究人员，使用拉曼共聚焦显微镜，在水泥试样固化的最初24小时内对其进行了连续监测。该技术通过分析激光与化学键的相互作用来识别材料，每种化合物都会留下独特的光谱特征。
此前的研究主要依赖理论和间接测量，因为这些反应发生得太快，传统工具无法探测。“我们曾利用拉曼光谱来更好地理解历史上一些最引人入胜的材料，从死海古卷到古罗马混凝土，”副教授阿德米尔·马西奇（Admir Masic）表示。
“相比之下，水泥浆可能没那么迷人，但将激光对准正在硬化的注CO₂水泥浆，能让我们看到此前未曾见过的东西。”研究团队发现，二氧化碳最初会捕获水泥溶解过程中释放的钙。这种暂时的转变减缓了正常的水化反应，并改变了浆体内部的化学环境。
转瞬即逝的模板
随着钙被固定，溶解的硅酸盐扩散到整个材料中，并组装成一个相互连接的硅胶网络。这个胶体仅短暂存在。
数小时后，当注入的二氧化碳完全矿化，标准水化反应重新开始。氢氧化钙生成，并立即与硅胶网络发生反应，生成水化硅酸钙（C-S-H）——赋予水泥粘结强度的化合物。
然而，与传统水泥不同，这种新的C-S-H在整个材料中形成，而不是聚集在水泥颗粒周围。“起初，硅胶的转瞬即逝看起来像是拉曼数据中的偶发信号，”研究生马尔钦·哈伊杜切克（Marcin Hajduczek）说道。
“但很快就发现，它突然消失是每一个注CO₂样品中一致且不可否认的特征。”
更强固的混凝土，新的可能
这条被改变的路径留下了更加均一的内部结构。在测试中，含有相当于水泥质量1%二氧化碳的水泥浆体，24小时后的平均抗压强度比参照样品提高了13%。
这些发现还挑战了此前的假设。研究人员发现，碳酸钙颗粒更像是旁观者，而非强度发展的驱动因素。“多年来我们一直往水泥制品中注入CO₂，却没完全弄清楚它在里面做什么，”马西奇说。
“现在我们理解了性能提升背后的机制，便可以着手进行调控。”研究人员提醒，用量仍然至关重要。过量的二氧化碳会锁定过多的钙，破坏有益的反应。即便如此，这项工作仍为工程师设计更坚固、碳足迹更低的水泥产品，用于未来的基础设施项目，提供了一份路线图。
该研究发表于《美国陶瓷学会杂志》（Journal of the American Ceramic Society）。
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