在全球氣候變暖的大背景下，二氧化碳（CO₂）減排已成為刻不容緩的全球性課題。水泥作為現(xiàn)代建筑不可或缺的核心膠凝材料，其生產(chǎn)過程卻是名副其實(shí)的“排放大戶”，貢獻(xiàn)了全球超過8%的碳排放。尋找既能降低水泥生產(chǎn)碳足跡，又能高效利用CO₂的技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。碳化養(yǎng)護(hù)（CO₂Curing）技術(shù)，即利用CO₂與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成碳酸鈣（CaCO₃），不僅能“鎖住”CO₂，還能加速材料早期強(qiáng)度發(fā)展，可謂一石二鳥。然而，傳統(tǒng)碳化技術(shù)也面臨著挑戰(zhàn)：CO₂在材料表層快速反應(yīng)生成CaCO₃，容易堵塞孔隙通道，導(dǎo)致碳化深度不足，形成“表面硬化、內(nèi)心柔軟”的局面；此外，長期碳化會(huì)消耗關(guān)鍵的鈣硅水合物（C-S-H）凝膠，反而可能導(dǎo)致材料微觀結(jié)構(gòu)疏松、性能下降。那么，有沒有一種“催化劑”或“引導(dǎo)劑”，能夠引導(dǎo)CO₂和鈣離子（Ca²⁺）在材料深處更均勻、更有效地結(jié)合，同時(shí)保護(hù)材料主體結(jié)構(gòu)呢？

近期，由Wei Du、Sikai Xia、Jianying Yu、Jinhui Li、Weidong Zhang和Qingjun Ding組成的研究團(tuán)隊(duì)在《Case Studies in Construction Materials》上發(fā)表了一項(xiàng)創(chuàng)新性研究，為上述問題提供了一個(gè)巧妙的解決方案。他們將目光投向了一種特殊的化學(xué)添加劑——螯合劑（Chelating Agent）。想象一下，螯合劑就像一個(gè)高效的“鈣離子運(yùn)輸車”，它能夠與水泥孔隙溶液中的游離Ca²⁺結(jié)合，形成穩(wěn)定的、可溶性絡(luò)合物，從而阻止Ca²⁺在材料表面過早與CO₂反應(yīng)沉淀。這樣一來，被“裝載”的鈣離子就能隨著濃度梯度，更深入地遷移到材料的內(nèi)部孔隙中。當(dāng)CO₂也擴(kuò)散到相應(yīng)位置時(shí)，在合適的pH條件下，螯合劑會(huì)“卸下”鈣離子，使其與碳酸根離子（CO₃^2-）結(jié)合，生成細(xì)小的CaCO₃晶體，均勻地填充在深層孔隙中。這種“控釋”機(jī)制不僅避免了孔隙堵塞，促進(jìn)了深層碳化，還可能優(yōu)化CaCO₃的晶型和分布，從而在固碳的同時(shí)，顯著提升材料的致密性和長期耐久性。這項(xiàng)研究系統(tǒng)揭示了螯合劑與碳化養(yǎng)護(hù)之間的協(xié)同增效機(jī)制，為開發(fā)兼具高效固碳、優(yōu)異性能和自修復(fù)能力的下一代可持續(xù)水泥基材料開辟了新路徑。

為了驗(yàn)證這一設(shè)想，研究人員綜合運(yùn)用了多種材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的表征和測(cè)試技術(shù)。他們首先制備了摻有0.5 wt.%螯合劑的水泥凈漿和混凝土試件，并設(shè)定了不同的CO₂養(yǎng)護(hù)條件（如對(duì)凈漿采用98% CO₂、0.2 MPa壓力的加速碳化；對(duì)混凝土采用20% CO₂濃度、20°C、70%相對(duì)濕度的環(huán)境）。研究的關(guān)鍵技術(shù)方法包括：利用X射線衍射（XRD）和熱重-差示掃描量熱法（TG-DSC）分析礦物相組成與含量，以量化碳化產(chǎn)物（主要是CaCO₃）的生成和CO₂固定量；采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察微觀結(jié)構(gòu)的演化；通過低場(chǎng)核磁共振（NMR）技術(shù)測(cè)定材料的孔隙尺寸分布；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法（如ASTM C349, GB/T 50082-2009）評(píng)估試件的抗壓強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)等力學(xué)與耐久性指標(biāo)；并利用超聲波及裂縫觀測(cè)手段，評(píng)估材料的內(nèi)部致密性和裂縫自愈合能力。

通過噴涂酚酞指示劑并測(cè)量無色區(qū)寬度，研究人員量化了碳化深度。結(jié)果顯示，隨著CO₂養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長，所有試件的碳化深度均增加。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是，摻入螯合劑的水泥凈漿（CP1）在所有養(yǎng)護(hù)時(shí)間點(diǎn)（4, 8, 12, 24, 48小時(shí)）的碳化深度均顯著高于對(duì)照組（CP0）。例如，養(yǎng)護(hù)48小時(shí)后，CP1的碳化深度達(dá)到10.9 mm，比CP0的9.2 mm高出約18.5%。這直接證明螯合劑通過絡(luò)合Ca²⁺、促進(jìn)離子遷移，有效克服了“表面碳化”瓶頸，使CO₂與反應(yīng)物在材料更深層發(fā)生作用。

通過精確測(cè)量試件碳化前后的質(zhì)量變化（并扣除水分蒸發(fā)影響），計(jì)算了CO₂吸收率。結(jié)果表明，螯合劑大幅提升了CO₂固定效率。在48小時(shí)加速碳化后，摻螯合劑凈漿（CP1）的碳封存率達(dá)到42.5%，比對(duì)照組（CP0）的34.9%高出7.6個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)于在20% CO₂濃度下養(yǎng)護(hù)28天的混凝土，摻螯合劑試樣固定的CO₂量相當(dāng)于水泥質(zhì)量的18.3%，據(jù)此估算，每噸混凝土可比未摻樣品減少約12.7 kg的凈CO₂排放。

3.3. 礦化產(chǎn)物的組成 與 3.4. 礦化產(chǎn)物的含量

利用XRD和TG-DSC分析揭示了碳化過程的相變。XRD圖譜顯示，隨著碳化進(jìn)行，氫氧化鈣（Ca(OH)₂）的衍射峰減弱，而碳酸鈣（CaCO₃）的衍射峰增強(qiáng)，表明碳化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。摻入螯合劑不僅略微增加了早期水化產(chǎn)物中Ca(OH)₂和CaCO₃的含量（促進(jìn)水化），更在碳化后顯著提高了CaCO₃的最終生成量。TG-DSC定量分析證實(shí)，經(jīng)48小時(shí)碳化后，摻螯合劑凈漿（CP1）的CaCO₃含量高達(dá)38.42%，遠(yuǎn)高于對(duì)照組（CP0）的33.95%。同時(shí)，數(shù)據(jù)也觀察到長期碳化會(huì)導(dǎo)致C-S-H凝膠的脫鈣和降解，形成無定形二氧化硅（SiO₂·nH₂O）。

SEM圖像直觀展示了微觀形貌的變化。碳化前，摻螯合劑混凝土（CPLA）的結(jié)構(gòu)就比對(duì)照組（CPL）更致密。碳化3天后，兩者孔隙中均開始出現(xiàn)CaCO₃晶體填充，但CPLA更致密。關(guān)鍵差異出現(xiàn)在碳化28天后：CPL內(nèi)部出現(xiàn)了一些孔隙，這是長期碳化導(dǎo)致C-S-H凝膠降解的表現(xiàn)；而CPLA依然保持著更為致密、均勻的微觀結(jié)構(gòu)，說明螯合劑促進(jìn)生成的CaCO₃有效填充了孔隙，并對(duì)C-S-H凝膠起到了保護(hù)作用。

抗壓強(qiáng)度測(cè)試表明，無論在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)還是CO₂養(yǎng)護(hù)下，摻螯合劑混凝土（CPLA）的強(qiáng)度始終高于對(duì)照組（CPL）。在CO₂養(yǎng)護(hù)28天后，CPLA的抗壓強(qiáng)度達(dá)到43.5 MPa。研究表明，早期碳化（3-14天）因CaCO₃填充孔隙而顯著提升強(qiáng)度；但長期碳化（28天）后，由于C-S-H凝膠消耗，強(qiáng)度增長會(huì)放緩。而螯合劑的加入，通過促進(jìn)更均勻、深入的碳化反應(yīng)，不僅早期提升更顯著，也緩解了長期碳化帶來的性能衰減，保持了更優(yōu)的力學(xué)穩(wěn)定性。

氯離子擴(kuò)散系數(shù)是衡量混凝土抗?jié)B透性和耐久性的關(guān)鍵指標(biāo)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著養(yǎng)護(hù)進(jìn)行，該系數(shù)逐漸降低，材料抗?jié)B性提高。在CO₂養(yǎng)護(hù)下，早期（3-14天）因孔隙被CaCO₃填充，抗?jié)B性提升明顯；但養(yǎng)護(hù)28天后，由于C-S-H凝膠降解，其抗氯離子滲透能力略遜于同齡期標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件。然而，在所有情況下，摻螯合劑混凝土（CPLA）的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均低于對(duì)照組（CPL），證明螯合劑優(yōu)化碳化產(chǎn)物分布后，能更有效地增強(qiáng)混凝土的密實(shí)度和抗侵蝕能力。

低場(chǎng)NMR測(cè)試揭示了孔隙結(jié)構(gòu)的演變。碳化前，螯合劑就通過促進(jìn)水化，減少了大于1 μm的有害孔比例，優(yōu)化了孔徑分布。經(jīng)過28天CO₂養(yǎng)護(hù)后，兩組試件的大孔比例均有所增加（源于C-S-H凝膠降解），但摻螯合劑混凝土（CPLA）的大孔比例增加更少，且小于0.1 μm的微孔比例更高。這證實(shí)螯合劑引導(dǎo)生成的CaCO₃優(yōu)先在較大孔隙中沉淀，將其轉(zhuǎn)化為更小、封閉的孔隙，從而細(xì)化了孔隙結(jié)構(gòu)，為CO₂和離子的深入擴(kuò)散保留了通道。

超聲波在材料中傳播時(shí)，遇到缺陷或孔隙會(huì)發(fā)生散射和衰減，接收信號(hào)振幅與材料致密程度正相關(guān)。測(cè)試顯示，在任何養(yǎng)護(hù)條件下，摻螯合劑混凝土（CPLA）的超聲波最大振幅均高于對(duì)照組（CPL）。例如，CO₂養(yǎng)護(hù)28天后，CPLA的最大振幅為173.66 mV，高于CPL的150.52 mV。這從無損檢測(cè)的角度印證了螯合劑能有效提升混凝土的內(nèi)部均勻性和致密性。

研究還發(fā)現(xiàn)了螯合劑賦予混凝土優(yōu)異的自愈合能力。通過誘導(dǎo)開裂并觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，摻螯合劑混凝土（CPLA）可完全愈合的最大裂縫寬度為0.21 mm；而在CO₂養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，這個(gè)值提升到了0.35 mm。這表明，在富CO₂環(huán)境中，螯合劑能更有效地引導(dǎo)CaCO₃在裂縫處沉積，實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。

綜上所述，這項(xiàng)研究得出了清晰而有力的結(jié)論。首先，螯合劑能顯著提升水泥基材料對(duì)CO₂的利用效率，實(shí)現(xiàn)更深、更快的礦物碳化，碳封存率最高可達(dá)42.5%。其次，螯合劑通過絡(luò)合-遷移-控釋Ca²⁺的機(jī)制，不僅促進(jìn)了碳化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，還優(yōu)化了碳酸鈣的沉淀行為，從而精修了材料的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，使其更加致密。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化直接轉(zhuǎn)化為宏觀性能的全面提升：摻螯合劑并經(jīng)CO₂養(yǎng)護(hù)的混凝土，展現(xiàn)出了更高的抗壓強(qiáng)度（43.5 MPa）、更優(yōu)的抗氯離子滲透性（氯離子擴(kuò)散系數(shù)5.64 × 10^-12m²/s）以及更強(qiáng)的內(nèi)部均質(zhì)性（更高的超聲波振幅）。更為重要的是，研究揭示了螯合劑能有效緩解長期碳化導(dǎo)致的C-S-H凝膠過度降解問題，增強(qiáng)了材料的長期耐久性穩(wěn)定性，并賦予了材料在CO₂環(huán)境中突出的裂縫自愈合能力。

該研究的核心意義在于，它成功地將CO₂捕集利用、耐久性提升和自修復(fù)功能集成于單一水泥基材料體系中，提出了一種可行的、可擴(kuò)展的可持續(xù)高性能建筑材料開發(fā)策略。區(qū)別于傳統(tǒng)的單一功能低碳技術(shù)，這項(xiàng)研究揭示的螯合劑與碳化養(yǎng)護(hù)之間的協(xié)同機(jī)制，為破解碳化深度不足、離子傳輸調(diào)控困難等技術(shù)瓶頸提供了創(chuàng)新思路。它不僅為水泥行業(yè)實(shí)現(xiàn)“負(fù)碳”或“低碳”目標(biāo)提供了具有潛力的技術(shù)選項(xiàng)，也為建造更耐久、更智能、更環(huán)境友好的未來基礎(chǔ)設(shè)施奠定了材料學(xué)基礎(chǔ)。