Измерения отражения и передачи микроволн для оценки поведения воды в геополимерах с различными прекурсорами

Экологичный бетон под микроскопом

Бетон повсюду, но производство его ключевого компонента — портландцемента — сопровождается большими выбросами углекислого газа. Геополимеры, новый класс «зелёных» вяжущих, изготовленных из промышленных побочных продуктов вместо цемента, обещают существенно снизить эти выбросы. Однако чтобы применять их безопасно в зданиях и на мостах, инженерам необходимо понять, что происходит с водой внутри этих материалов в процессе отвердения. В этом исследовании показан изящный, неразрушающий способ наблюдать за невидимым поведением воды с помощью микроволн, что потенциально даёт строителям новый инструмент для мониторинга экологичных бетонов в реальном времени.

От цементных блоков к более чистым строительным материалам

Обычный бетон основан на цементе, производимом в высокотемпературных печах — процесс, составляющий примерно 7% мировых выбросов CO₂. Геополимеры заменяют значительную часть этого цемента алюмосиликатными порошками, такими как зола‑уносление (fly ash) из угольных электростанций, молотый гранулированный доменный шлак (GGBFS) из сталелитейного производства и прокалённая глина, известная как метакаолин. При смешивании этих порошков с щелочными растворами они образуют твёрдый, похожий на камень материал без энергоёмкой стадии кальцинации, что потенциально сокращает выбросы до 80%. Но движение воды и её переходы состояний в процессе формирования вяжущего сложнее, чем в обычном цементе, и существенно влияют на прочность, долговечность и трещиностойкость.

Использование микроволн как мягкого рентгена

Молекулы воды сильно взаимодействуют с микроволнами, поэтому даже незначительные изменения в том, как вода удерживается внутри материала, могут проявляться в изменениях микроволнового сигнала, проходящего через него. Исследователи использовали стандартную прямоугольную металлическую трубу — волновод, подключённый к векторному анализатору цепей — точному микроволновому прибору. Свежие пасты геополимера, приготовленные из золы‑уносления (FA), шлака (GGBFS) и метакаолина (MK), заливали в волновод и оставляли там примерно на 30 часов, пока пропускали микроволны и регистрировали отражённые и прошедшие сигналы. Два разных щелочных раствора с соотношением силикат натрия к гидроксиду натрия 1 и 2,5 позволяли варьировать содержание воды и химию, не меняя основную установку.

Прослушивание скрытых превращений воды

Ключевой вывод заключался в том, что количество микроволновой энергии, проходящей через образец (передача), было гораздо более чувствительно к внутренним изменениям, чем количество энергии, отражающейся от поверхности (отражение). Отражение менялось менее чем на полдецибела при удвоении толщины образца, в то время как передача изменялась до 35 децибел, чётко показывая происходящее внутри. Отслеживая передачу со временем и извлекая электрическое свойство, называемое диэлектрической проницаемостью, команда могла сделать выводы о том, присутствует ли вода в виде подвижной «свободной» воды или более плотно связанной «связанной» воды. Тщательные взвешивания показали, что все образцы потеряли менее 2,5% массы, поэтому меняющийся микроволновой сигнал в основном отражал то, как вода связывалась в структуре, а не просто испарялась.

Разные порошки — разные истории воды

Зола‑уносление и шлак, оба содержащие значительное количество кальция, вели себя похоже на традиционный цемент: по мере отвердевания свободная вода постепенно переходила в связанную в нарастающей твёрдой сети, и микроволновая передача соответственно увеличивалась. Порошок из золы проявлял особенно большие потери микроволн, то есть поглощал больше сигнала и вызывал более выраженные изменения. Метакаолин, с очень низким содержанием кальция, показал иную картину. Для одного из растворов материал, по-видимому, со временем абсорбировал дополнительную воду в свою тонкую реакционноспособную структуру, снижая передачу по мере того, как больше воды вели себя как микроволновая губка. Для другого раствора метакаолин демонстрировал более цементоподобный сдвиг от свободной к связанной воде. Микроскопия (SEM) и химический анализ (EDS) подтвердили, что метакаолин образовал самую плотную, наименее трещиноватую микроструктуру, тогда как зола была более пористой и частично прореагировавшей.

Что это значит для будущих зданий

Проще говоря, исследование показывает, что микроволновая передача может выступать в роли стетоскопа для «зелёных» бетонов, прослушивая, как вода переходит от свободного к запертому состоянию по мере набора материалом прочности. Оно показывает, что разные промышленные побочные порошки отвердевают по-разному: богатые кальцием зола и шлак следуют гидратационному пути, тогда как низкокальциевый метакаолин может демонстрировать обратную тенденцию в зависимости от активирующего раствора. Этот неразрушающий метод мониторинга может помочь инженерам оптимизировать составы смесей, режимы выдержки и контроль качества геополимерных бетонов, ускоряя безопасное внедрение материалов с низким углеродным следом в реальных конструкциях.

Цитирование: 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

Ключевые слова: геополимерный бетон, микроволновое зондирование, связывание воды, зола-уносление шлак метакаолин, устойчивое строительство