Mediciones de reflexión y transmisión de microondas para evaluar la reacción del agua en geopolímeros con diferentes precursores

Hormigón más verde bajo el microscopio

El hormigón está en todas partes, pero la fabricación de su ingrediente clave—el cemento Portland—libera grandes cantidades de dióxido de carbono. Los geopolímeros, una nueva clase de ligantes “verdes” elaborados a partir de subproductos industriales en lugar de cemento, prometen reducir drásticamente estas emisiones. Sin embargo, para utilizarlos con seguridad en edificios y puentes, los ingenieros deben entender qué ocurre con el agua dentro de estos materiales durante su fraguado. Este estudio explora una forma ingeniosa y no destructiva de observar ese comportamiento invisible del agua usando microondas, lo que podría proporcionar a los constructores una nueva herramienta para monitorizar en tiempo real los hormigones ecológicos.

De bloques de cemento a materiales de construcción más limpios

El hormigón convencional depende del cemento producido en hornos a alta temperatura, un proceso que representa aproximadamente el 7% de las emisiones globales de CO₂. Los geopolímeros sustituyen gran parte de este cemento por polvos aluminosilicatados como la ceniza volante procedente de centrales térmicas, la escoria de alto horno micropulverizada procedente de la siderurgia y la arcilla calcinada conocida como metacaolín. Cuando estos polvos se mezclan con líquidos alcalinos, forman un material duro y parecido a la roca sin la etapa de calcinación intensiva en energía, lo que podría reducir emisiones hasta en un 80%. Pero la forma en que el agua se mueve y cambia de estado durante este proceso de unión es más compleja que en el cemento ordinario, y afecta de forma decisiva a la resistencia, la durabilidad y la aparición de fisuras.

Usar microondas como una radiografía suave

Las moléculas de agua interactúan fuertemente con las microondas, lo que significa que pequeños cambios en la forma en que el agua está retenida dentro de un material pueden detectarse como variaciones en la señal de microondas que lo atraviesa. Los investigadores emplearon un tubo metálico rectangular estándar, llamado guía de onda, conectado a un analizador de redes vectorial—un instrumento preciso de microondas. Pastas geopolymeras frescas elaboradas con ceniza volante (FA), escoria (GGBFS) y metacaolín (MK) se vertieron en la guía de onda y permanecieron allí durante unas 30 horas mientras se enviaban microondas y se registraban las señales reflejadas y transmitidas. Dos soluciones alcalinas diferentes, con relaciones de silicato de sodio a hidróxido de sodio de 1 y 2,5, permitieron al equipo variar el contenido de agua y la química sin cambiar la configuración básica.

Escuchando las transformaciones ocultas del agua

La idea clave fue que la cantidad de energía de microondas que atraviesa la muestra (transmisión) es mucho más sensible a los cambios internos que la cantidad que rebota en la superficie (reflexión). La reflexión cambió menos de medio decibelio cuando se duplicó el espesor de la muestra, mientras que la transmisión varió hasta 35 decibelios, revelando claramente lo que ocurría en el interior. Al seguir la transmisión a lo largo del tiempo y extraer una propiedad eléctrica llamada permitividad, el equipo pudo inferir si el agua estaba presente como agua “libre” móvil o como agua más firmemente retenida “unida”. Pesados cuidadosos mostraron que todas las muestras perdieron menos del 2,5% de su masa, por lo que la señal de microondas cambiante reflejaba principalmente cómo se vinculaba el agua dentro de la estructura y no simplemente la evaporación.

Diferentes polvos, diferentes historias del agua

La ceniza volante y la escoria, que contienen cantidades significativas de calcio, se comportaron de forma similar al cemento tradicional: a medida que las mezclas endurecían, el agua libre se fue convirtiendo gradualmente en agua ligada dentro de la red sólida en crecimiento, y la transmisión de microondas aumentó en consecuencia. El polvo de ceniza volante mostró una pérdida de microondas especialmente alta, lo que significa que absorbía más de la señal y producía cambios más pronunciados. El metacaolín, con muy poco calcio, contó una historia distinta. Para una de las soluciones, el material pareció absorber agua adicional en su estructura fina y reactiva con el tiempo, reduciendo la transmisión a medida que más agua actuaba como una esponja para microondas. Para la otra solución, el metacaolín mostró un cambio más parecido al del cemento, de agua libre a agua ligada. Imágenes por microscopía (SEM) y análisis químicos (EDS) confirmaron que el metacaolín formó la microestructura más densa y menos fisurada, mientras que la ceniza volante era más porosa y parcialmente reaccionada.

Qué significa esto para los edificios del futuro

En términos sencillos, el estudio muestra que la transmisión de microondas puede funcionar como un estetoscopio para los hormigones verdes, escuchando cómo el agua pasa de suelta a atrapada a medida que el material gana resistencia. Revela que los distintos polvos procedentes de subproductos industriales no se endurecen todos de la misma manera: la ceniza volante y la escoria ricas en calcio siguen una vía similar a la hidratación, mientras que el metacaolín de bajo calcio puede mostrar la tendencia opuesta según la solución activadora. Este método de monitorización no destructiva podría ayudar a los ingenieros a optimizar las formulaciones de mezcla, los regímenes de curado y el control de calidad de los hormigones geopolymeros, acelerando la adopción segura de materiales de construcción de menor carbono en estructuras reales.

Cita: 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

Palabras clave: hormigón geopolymero, detección por microondas, retención de agua, ceniza volante escoria metacaolín, construcción sostenible