2026年6月11日
九月的某一天，麻省理工學院皮爾斯實驗室開始下雪了。
研究人員對一個裝有液態二氧化碳（CO₂）的儲槽進行減壓，使其瞬間凍結並釋放出固態薄片。這些薄片被混合到水泥漿中，並壓製成硬幣大小的圓盤，每個圓盤都用一層薄薄的植物油密封，以防止水分和空氣進入。研究團隊以雷射照射每個圓盤，首次觀察到瞬態化學反應，這或許可以解釋為什麼注入二氧化碳的水泥漿能夠更快獲得強度。
將二氧化碳注入混凝土等水泥製品是儲存二氧化碳並防止其排放到大氣中的一種方法。這項製程已引起商業關注，越來越多的公司開始提供二氧化碳注入混凝土混合料。但直到現在，人們還沒有直接觀察到水泥的化學反應。
由麻省理工學院混凝土永續發展中心和土木與環境工程系的副教授阿德米爾·馬西奇（Admir Masic）牽頭，研究生馬爾欽·哈伊杜切克（Marcin Hajduczek）擔任第一作者的一篇發表在《美國陶瓷學會雜誌》（Journal of the American Ceramic Society ）上的開放獲取論文，描述了二氧化碳與水泥漿接觸後發生的化學反應過程。論文的合作作者包括麻省理工學院的聖地亞哥·埃爾·阿瓦德（Santiago El Awad）和弗朗茨-約瑟夫·烏爾姆（Franz-Josef Ulm），以及來自印度理工學院焦特布爾分校和CarbonCure Technologies公司的研究人員。
過去的研究透過理論和間接證據拼湊出了二氧化碳注入對化學影響的大致情況；然而，關鍵反應發生得太快，消失得太徹底，以至於傳統技術無法捕捉到它們的瞬間過程。拉曼共聚焦顯微鏡可以做到這一點——它的工作原理很簡單：用雷射照射分子，散射光就能揭示其身份。光與每種物質獨特的化學鍵相互作用，能量發生變化，從而產生獨特的光譜「指紋」。即使是最短暫、最無定形的相也能留下可辨識的痕跡。
「我們利用拉曼光譜技術更好地了解了歷史上一些最有趣的材料，從死海古捲到古羅馬混凝土，」馬西奇說。 “相比之下，水泥漿可能看起來不那麼引人注目，但用激光照射注入二氧化碳的水泥漿，觀察其硬化過程，可以讓我們觀察到以前從未見過的現象。”
在 24 小時的連續掃描中，他們看到的是一場三幕化學戲劇。
第一幕：鈣的捕獲
二氧化碳一旦加入新鮮水泥漿中，便立即開始發揮作用。它溶解於孔隙溶液中，並與溶解的熟料釋放的鈣反應，生成各種形式的碳酸鈣沉澱。熟料是透過在窯爐中加熱石灰石和鋁矽酸鹽材料製成的，這些材料是水泥的主要原料，經研磨成細粉後製成。這個過程在最初一小時內完成，暫時減緩了正常的、需要鈣才能進行的水泥水化反應。
相反，當沒有 CO₂存在時，溶解熟料釋放的鈣仍可在局部存在，從而支持材料凝固過程中結合相的逐漸形成。
在缺乏鈣質的情況下，熟料釋放的矽酸鹽會溶解於孔隙溶液中，並在遠離其來源的地方沉澱，相互連接形成鏈狀結構，最終在水泥漿體中形成相互連通的二氧化矽凝膠網絡。這種無定形、易逝的凝膠為後續過程奠定了基礎。
第二幕：幽靈凝膠
注入的二氧化碳完全礦化後（大約在混合後四到五個小時），正常的水合作用恢復。氫氧化鈣開始沉澱到孔隙空間中，並與早已存在的矽膠網絡結合。
兩相反應立即開始，生成水合矽酸鈣（CSH），此化合物賦予水泥黏結能力。這種CSH的獨特之處在於其形成的位置和方式：它不像傳統水化反應那樣聚集在熟料顆粒周圍，而是分佈在整個基質中，凡是二氧化矽凝膠擴散的地方都會出現。
二氧化碳暫時抑制了水泥漿的鹼性，而較低的pH值是維持矽膠完整性的唯一因素。隨著水化作用的恢復，生成標準的水化產物，即水合矽酸鈣（CSH）和氫氧化鈣，後者透過一個自我增強的循環，將pH值拉回正常水平；矽膠與氫氧化鈣發生所謂的火山灰反應。八小時內，矽膠幾乎完全消失——原本分佈均勻的凝膠網絡在這個關鍵的早期階段迅速轉化為更多的水合矽酸鈣。
「起初，矽膠的短暫存在似乎是拉曼光譜數據中的一個偶然現象。但很快我們就發現，它的突然消失是每個注入二氧化碳的樣品中一個一致且無可否認的特徵，」Hajduczek說。
第三幕：重組矩陣
隨著矽膠的消耗，水泥漿體進入常規水化過程，但其最終產物卻截然不同。由於新的黏結劑在水泥基體中分佈得更均勻，因此早期形成的微觀結構強度更高、均勻性較好。研究表明，與對照組相比，摻入1%（以水泥重量計）二氧化碳的水泥漿體在24小時時的抗壓強度平均提高了13%。
「多年來，我們一直在向水泥產品中註入二氧化碳，但一直沒有完全了解它在水泥內部的作用。現在我們能夠觀察到二氧化碳的注入過程，並了解其提升性能的潛在機制，我們就可以開始控制二氧化碳的注入。而且，我們還有很大的提升空間，」馬西奇說。
研究結果也完善了注入CO₂ 的水泥漿早期強度較高的主要解釋：先前被懷疑會引發 CSH 生長的碳酸鈣晶體，實際上只是嵌入矽膠模板中的被動旁觀者，而不是參與反應形成 CSH。
化學反應的下一步走向
了解其機制後，研究人員可以提出更具體的問題進行研究。矽膠模板可以解釋新型CSH的分佈，但直接測量其機械性質仍是下一步的研究方向。
從實際應用角度來看，用量至關重要：如果系統中二氧化碳含量過高，鈣會在凝膠形成和反應之前就被鎖定在碳酸鹽中。如果此處使用的漿體能產生大量的水合矽酸鈣（CSH），理論上可以抵銷水泥生產過程中高達40%的碳排放（不包括生產過程中化石燃料燃燒所產生的排放）。然而，在實際應用中，實際可實現的碳抵消量可能僅為該數值的一小部分，儘管仍具有潛在的顯著意義。
即便存在這些未解之謎，這種神秘的凝膠還是被捕獲了。現在研究人員知道了該尋找什麼，最初八小時內發生的化學反應也不再是隱形的了。
論文：“二氧化碳活化水泥中二氧化矽凝膠模板水化路徑的原位拉曼光譜研究”
[圖片]
(A) 共聚焦拉曼顯微鏡（左圖）追蹤了注入二氧化碳的水泥漿樣品在24小時內的化學演變；定制載物台上的石英窗口使雷射能夠從下方進行掃描。水泥漿是新鮮混凝土的基礎材料，如圖右所示；注入二氧化碳的混凝土作為一種能夠永久儲存二氧化碳的材料，正逐漸獲得商業認可。
(B) 拉曼光譜圖顯示了二氧化碳注入水泥漿樣品中各相隨時間的演變。隨著水泥漿凝固，矽膠（灰色）逐漸轉變為標準的水化產物（黃色）。未反應的水泥以綠色顯示，儲存的二氧化碳以紅色顯示。