Misure di riflessione e trasmissione a microonde per valutare la reazione dell’acqua nei geopolimeri con diversi precursori

Calcestruzzo più verde sotto il microscopio

Il calcestruzzo è ovunque, ma la produzione del suo ingrediente principale — il cemento Portland — genera grandi quantità di anidride carbonica. I geopolimeri, una nuova classe di leganti “verdi” realizzati con sottoprodotti industriali invece del cemento, promettono di ridurre drasticamente queste emissioni. Per impiegarli in modo sicuro in edifici e ponti, però, gli ingegneri devono capire cosa accade all’acqua all’interno di questi materiali durante l’indurimento. Questo studio esplora un modo intelligente e non distruttivo per osservare quel comportamento invisibile dell’acqua usando le microonde, offrendo potenzialmente ai costruttori uno strumento per monitorare in tempo reale i calcestruzzi ecologici.

Da blocchi di cemento a materiali da costruzione più puliti

Il calcestruzzo convenzionale si basa su cemento prodotto in forni ad alta temperatura, un processo che rappresenta circa il 7% delle emissioni globali di CO₂. I geopolimeri sostituiscono gran parte di questo cemento con polveri aluminosilicatiche come le ceneri volanti (fly ash) delle centrali a carbone, lo slag (GGBFS) della produzione dell’acciaio e l’argilla calcinata nota come metacaolino. Quando queste polveri vengono miscelate con liquidi alcalini, formano un materiale duro e simile alla roccia senza la fase di calcinazione ad elevato consumo energetico, riducendo potenzialmente le emissioni fino al 80%. Tuttavia il modo in cui l’acqua si muove e cambia stato durante questo processo legante è più complesso rispetto al cemento ordinario e influenza fortemente resistenza, durabilità e fessurazione.

Usare le microonde come un raggio X delicato

Le molecole d’acqua interagiscono fortemente con le microonde, il che significa che piccole variazioni nel modo in cui l’acqua è trattenuta all’interno di un materiale possono essere rilevate come cambiamenti nel segnale a microonde che lo attraversa. I ricercatori hanno utilizzato una comune guida d’onda rettangolare in metallo collegata a un analizzatore di rete vettoriale — uno strumento preciso per microonde. Paste geopimeriche fresche realizzate con fly ash (FA), slag (GGBFS) e metacaolino (MK) sono state versate nella guida d’onda e lasciate per circa 30 ore mentre venivano inviate microonde e registrati i segnali riflessi e trasmessi. Due diverse soluzioni alcaline, con rapporti silicato di sodio/idrossido di sodio di 1 e 2,5, hanno permesso al team di variare contenuto d’acqua e chimica senza cambiare l’impostazione di base.

Ascoltare le trasformazioni nascoste dell’acqua

L’intuizione chiave è che la quantità di energia a microonde che attraversa il campione (trasmissione) è risultata molto più sensibile ai cambiamenti interni rispetto alla quantità che rimbalza dalla superficie (riflessione). La riflessione variava di meno di mezzo decibel quando lo spessore del campione raddoppiava, mentre la trasmissione cambiava anche di 35 decibel, rivelando chiaramente ciò che avveniva all’interno. Monitorando la trasmissione nel tempo ed estraendo una proprietà elettrica chiamata permittività, il team ha potuto inferire se l’acqua era presente come acqua mobile “libera” o come acqua più strettamente legata. Pesate accurate hanno mostrato che tutti i campioni hanno perso meno del 2,5% della loro massa, perciò il segnale a microonde in evoluzione rifletteva principalmente il modo in cui l’acqua si legava nella struttura, non semplicemente l’evaporazione.

Polveri diverse, storie d’acqua diverse

Fly ash e slag, che contengono entrambi quantità significative di calcio, si sono comportati in modo simile al cemento tradizionale: con l’indurimento delle miscele, l’acqua libera si trasformava gradualmente in acqua legata nella rete solida in formazione e la trasmissione a microonde aumentava di conseguenza. La fly ash ha mostrato una perdita a microonde particolarmente elevata, cioè assorbiva di più il segnale e generava variazioni più marcate. Il metacaolino, con pochissimo calcio, ha raccontato una storia diversa. Per una delle soluzioni, il materiale sembrava assorbire ulteriore acqua nella sua struttura fine e reattiva nel tempo, abbassando la trasmissione man mano che più acqua fungeva da “spugna” per le microonde. Per l’altra soluzione, il metacaolino ha mostrato uno spostamento più simile al cemento da acqua libera ad acqua legata. Immagini al microscopio (SEM) e analisi chimiche (EDS) hanno confermato che il metacaolino formava la microstruttura più densa e meno fessurata, mentre la fly ash risultava più porosa e parzialmente reattiva.

Cosa significa per gli edifici del futuro

In termini semplici, lo studio dimostra che la trasmissione a microonde può funzionare come uno stetoscopio per i calcestruzzi verdi, ascoltando come l’acqua passa da libera a intrappolata mentre il materiale guadagna resistenza. Mostra che le diverse polveri provenienti da sottoprodotti industriali non induriscono tutte allo stesso modo: la fly ash e lo slag ricchi di calcio seguono un percorso simile all’idratrazione, mentre il metacaolino a basso contenuto di calcio può mostrare la tendenza opposta a seconda della soluzione attivante. Questo metodo di monitoraggio non distruttivo potrebbe aiutare gli ingegneri a ottimizzare le formulazioni, i regimi di maturazione e il controllo di qualità per i calcestruzzi geopolimerici, accelerando l’adozione sicura di materiali da costruzione a minore impronta di carbonio nelle strutture reali.

Citazione: 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

Parole chiave: calcestruzzo geopolimerico, rilevamento a microonde, legame con l’acqua, fly ash slag metakaolin, costruzione sostenibile