多年來，各公司已向混凝土中注入二氧化碳，以捕捉排放和改善早期性能。儘管研究人員無法完全解釋這一方法的有效性，建築行業仍然廣泛採用。現在，麻省理工學院的科學家表示，他們終於能夠實時觀察到這一化學過程的發生。透過激光成像技術，研究團隊捕捉到二氧化碳與新鮮水泥漿接觸時所發生的快速反應。觀察結果揭示了一條臨時的化學途徑，重新塑造了材料的硬化方式。這一過程產生了更均勻的結合結構，並提升了早期強度。
這些研究結果可能幫助工程師微調已在美國市場上推出的低碳混凝土技術。這項研究也提供了更清晰的視角，顯示作為全球碳密集材料之一的水泥，如何在保持性能的同時儲存捕獲的碳。
麻省理工學院的研究揭示二氧化碳對水泥性能的影響
追蹤隱藏反應，麻省理工學院混凝土可持續性中心和土木及環境工程系的研究人員使用拉曼共聚焦顯微鏡，在水泥樣品的固化過程中持續監測其前 24 小時。該技術通過分析激光光與化學鍵的相互作用來識別材料。每種化合物都留下獨特的光譜特徵。以往的研究主要依賴理論和間接測量，因為這些反應發生得太快，傳統工具無法檢測到。「我們使用拉曼光譜學更好地理解一些歷史上最有趣的材料，從死海古卷到古羅馬混凝土，」副教授阿德米爾·馬西克表示。
「與之相比，水泥漿似乎不那麼光鮮，但用激光照射注入二氧化碳的水泥漿在硬化過程中，讓我們能夠可視化到之前未曾見過的現象。」
研究團隊發現，二氧化碳最初捕獲了水泥溶解過程中釋放的鈣。這一臨時變化減緩了正常的水化過程，並改變了水泥漿內部的環境。隨著鈣的被固定，溶解的硅酸鹽在材料中擴散並組裝成互聯的硅膠網絡。該硅膠僅能存活短暫時間。幾小時後，當注入的二氧化碳完全礦化後，標準的水化過程重新開始。氫氧化鈣形成並立即與硅膠網絡反應，產生了水合硅酸鈣，即 C-S-H，該化合物是水泥結合強度的來源。
然而，與傳統水泥不同的是，這種新的 C-S-H 在材料中均勻分佈，而不是聚集於水泥顆粒周圍。
研究結果為低碳水泥技術提供新方向
「最初，硅膠的短暫性在拉曼數據中看起來像是一個意外，」研究生馬爾欽·哈尤德切克表示。「但很快就清楚，其突然消失是一個每個注入二氧化碳的樣品中一致且不可否認的特徵。」這一變化的路徑留下了更均勻的內部結構。在測試中，含有等於水泥重量 1%的二氧化碳的水泥漿，在 24 小時後平均達到比參考樣品高出 13%的抗壓強度。研究結果也挑戰了以往的假設。研究人員發現，碳酸鈣顆粒更像是強度發展的旁觀者，而非驅動者。
「多年來，我們一直在向水泥產品中注入二氧化碳，但並未完全理解其在內部的作用，」馬西克表示。「現在我們理解了性能提升的機制，便可以開始控制它。」
研究人員警告，劑量仍然至關重要。過量的二氧化碳可能會鎖定過多的鈣，並破壞有益的反應。儘管如此，這項研究為工程師提供了一條設計更強大、低碳水泥產品的路徑，以應對未來基建項目的需求。該研究已發表於《美國陶瓷學會期刊》。
