在MIT的皮尔斯实验室，研究人员通过减压液体二氧化碳（CO₂）罐，瞬间将其冷却并释放出固体颗粒，随后将这些颗粒与水泥浆混合，并压制成直径约为一角硬币的圆盘，外面涂上一层植物油以保持水分和隔绝空气。研究团队使用激光观察了二氧化碳注入水泥浆后的瞬态化学反应，这是首次直接可视化这一过程。CO₂注入水泥产品如混凝土，是存储二氧化碳并减少其排放的一种方法，越来越多的公司开始提供CO₂注入的混凝土配方。
MIT混凝土可持续性中心的副教授Admir Masic及其研究生Marcin Hajduczek领导的一项新研究，发表在《美国陶瓷学会杂志》上，详细描述了CO₂与新鲜水泥浆相遇后的化学序列。以往的研究通过间接证据推测了CO₂注入的化学影响，但由于关键反应太快且消失得太彻底，常规技术无法捕捉到这些反应的瞬间。拉曼共焦显微镜能够做到这一点，其原理是用激光照射分子，散射光揭示其身份。
第一幕：捕获钙
当CO₂添加到新鲜水泥浆中时，它立即开始作用，溶解于孔隙液中并与溶解的熟料释放的钙反应，形成不同形式的碳酸钙。熟料是通过加热石灰石和铝硅酸盐材料在窑中生产的，作为水泥的主要成分。这个过程在第一小时内发生，暂时减缓了正常的水化反应。没有CO₂时，熟料释放的钙支持水泥的结合相形成。反之，钙缺失时，熟料释放的硅酸盐溶解到孔隙液中，远离来源聚集，形成互连的硅胶网络，奠定了接下来的基础。
第二幕：幽灵凝胶
一旦注入的CO₂完全矿化（约四到五小时后），正常的水化恢复。氢氧化钙开始在孔隙中沉淀，并与等待它的硅胶网络反应，形成水泥的结合能力——钙硅酸水合物（C-S-H）。这种C-S-H的形成方式与传统水化不同，分布在整个基质中，而不是集中在熟料颗粒周围。CO₂暂时抑制浆体的碱性，较低的pH值是保持硅胶完整的关键因素。
第三幕：重塑基质
随着硅胶的消耗，浆体进入常规水化，但留下的微观结构明显不同。由于新结合物在水泥基质中的分布更均匀，导致早期强度更高。在研究中，混合1% CO₂的浆体在24小时内平均压缩强度提高了13%。Masic表示：“我们多年来一直在向水泥产品中注入CO₂，但对其内部作用机制并不完全了解。现在我们可以看到并理解改进性能的机制，从而开始控制它。”
未来的研究方向
了解这个机制使研究人员可以追问更具体的问题。虽然硅胶模板解释了新C-S-H的分布，但直接测量其机械性能仍是下一步。此外，CO₂的注入量至关重要：过量的CO₂会使钙在形成和反应之前被锁定在碳酸盐中。
即便存在这些未解之谜，幽灵凝胶的捕捉为未来的研究打开了新的视野。