Mikrowellen-Reflexions- und Transmissionsmessungen zur Bewertung der Wasserreaktion in Geopolymeren mit verschiedenen Ausgangsmaterialien

Grünerer Beton unter dem Mikroskop

Beton ist allgegenwärtig, doch die Herstellung seiner Hauptkomponente – Portlandzement – verursacht große Mengen Kohlendioxid. Geopolymere, eine neue Klasse „grüner“ Bindemittel aus industriellen Nebenprodukten statt Zement, versprechen erhebliche Emissionsreduktionen. Damit sie jedoch sicher in Gebäuden und Brücken eingesetzt werden können, müssen Ingenieure verstehen, was mit dem Wasser in diesen Materialien beim Erhärten geschieht. Diese Studie untersucht eine clevere, zerstörungsfreie Methode, dieses unsichtbare Wasserverhalten mit Mikrowellen zu beobachten, und könnte Bauherren ein neues Instrument bieten, um umweltfreundliche Betone in Echtzeit zu überwachen.

Von Zementblöcken zu saubereren Baustoffen

Konventioneller Beton beruht auf Zement, der in Hochtemperaturofen hergestellt wird – ein Prozess, der etwa 7 % der weltweiten CO2-Emissionen verursacht. Geopolymere ersetzen einen großen Teil dieses Zements durch aluminosilikathaltige Pulver wie Flugasche aus Kohlekraftwerken, gemahlenen Hochofenschlacken (GGBFS) aus der Stahlproduktion und gebrannte Tone namens Metakaolin. Wenn diese Pulver mit alkalischen Lösungen gemischt werden, entsteht ein hartes, steinartiges Material ohne den energieintensiven Kalzinierungsschritt, was die Emissionen potenziell um bis zu 80 % reduzieren kann. Die Art und Weise, wie sich Wasser während dieses Bindungsprozesses bewegt und seinen Zustand ändert, ist jedoch komplexer als bei normalem Zement und beeinflusst maßgeblich Festigkeit, Dauerhaftigkeit und Rissbildung.

Mikrowellen als sanftes Röntgen

Wassermoleküle wechselwirken stark mit Mikrowellen; winzige Änderungen darin, wie Wasser in einem Material gehalten wird, lassen sich daher als Veränderungen im durchgehenden Mikrowellensignal erkennen. Die Forschenden verwendeten eine standardmäßige rechteckige Metallröhre, einen sogenannten Wellenleiter, verbunden mit einem Vektornetzwerkanalysator – einem präzisen Mikrowellenmessgerät. Frische Geopolymerpasten aus Flugasche (FA), Schlacke (GGBFS) und Metakaolin (MK) wurden in den Wellenleiter gegossen und dort etwa 30 Stunden belassen, während Mikrowellen eingesandt und die reflektierten sowie durchgelassenen Signale aufgezeichnet wurden. Zwei verschiedene alkalische Lösungen mit Verhältnissen von Natriumsilikat zu Natriumhydroxid von 1 und 2,5 ermöglichten es dem Team, Wassergehalt und Chemie zu variieren, ohne die Grundversuchsaufstellung zu ändern.

Dem verborgenen Wandel des Wassers zuhören

Die zentrale Erkenntnis war, dass die durch das Probevolumen kommende Mikrowellenenergie (Transmission) viel empfindlicher auf innere Veränderungen reagierte als die von der Oberfläche reflektierte Energie. Die Reflexion änderte sich um weniger als ein halbes Dezibel, wenn die Probendicke sich verdoppelte, während die Transmission um bis zu 35 Dezibel variierte und damit klar das Innere sichtbar machte. Durch die Verfolgung der Transmission über die Zeit und die Ableitung einer elektrischen Größe, der Permittivität, konnte das Team darauf schließen, ob Wasser als bewegliches „freies“ Wasser oder stärker gebundenes „gebundenes“ Wasser vorlag. Sorgfältige Wägungen zeigten, dass alle Proben weniger als 2,5 % ihrer Masse verloren, sodass das sich ändernde Mikrowellensignal hauptsächlich die Art der Wasserbindung im Gefüge widerspiegelte und nicht bloß Verdunstung.

Unterschiedliche Pulver, unterschiedliche Wassererzählungen

Flugasche und Schlacke, die beide einen beträchtlichen Calciumgehalt besitzen, verhielten sich ähnlich wie traditioneller Zement: Während die Gemische aushärteten, wurde freies Wasser allmählich in das wachsende feste Netzwerk gebunden, und die Mikrowellen-Transmission nahm entsprechend zu. Flugasche zeigte besonders hohe Mikrowellenverluste, das heißt, sie absorbierte mehr des Signals und erzeugte stärkere Veränderungen. Metakaolin mit sehr geringem Calciumgehalt erzählte eine andere Geschichte. Bei einer der Lösungen schien das Material im Laufe der Zeit zusätzliches Wasser in seine feine, reaktive Struktur aufzunehmen, wodurch die Transmission sank, da mehr Wasser wie ein Mikrowellenschwamm wirkte. Bei der anderen Lösung zeigte Metakaolin eine stärker zementähnliche Umwandlung von freiem zu gebundenem Wasser. Elektronenmikroskopische (SEM)-Bilder und chemische (EDS)-Analysen bestätigten, dass Metakaolin die dichteste, am wenigsten rissige Mikrostruktur bildete, während Flugasche poröser und nur teilweise umgesetzt war.

Was das für künftige Gebäude bedeutet

Einfach gesagt zeigt die Studie, dass die Mikrowellen-Transmission wie ein Stethoskop für grüne Betone fungieren kann, indem sie verfolgt, wie Wasser beim Festwerden des Materials vom lockeren in den gebundenen Zustand übergeht. Sie macht deutlich, dass industrielle Nebenproduktpulver nicht alle gleich erstarren: Calciumreiche Flugasche und Schlacke folgen einem hydratationsähnlichen Pfad, während calciumarmes Metakaolin, abhängig von der aktivierenden Lösung, gegenteilige Trends zeigen kann. Diese zerstörungsfreie Überwachungsmethode könnte Ingenieuren helfen, Mischungsdesigns, Nachbehandlungsregime und Qualitätskontrolle für Geopolymerbetone zu optimieren und so die sichere Einführung kohlenstoffärmerer Baustoffe in realen Bauwerken zu beschleunigen.

Zitation: Hasar, U.C., Korkmaz, H. Microwave reflection and transmission measurements for evaluating water reaction within geopolymers with different precursors. Sci Rep 16, 7759 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36602-2

Schlüsselwörter: Geopolymerbeton, Mikrowellensensorik, Wasserbindung, Flugasche Schlacke Metakaolin, nachhaltiges Bauen