用于评估不同前驱体地质聚合物中水作用的微波反射与透射测量

显微下的更环保混凝土

混凝土无处不在，但其主要成分——波特兰水泥的生产会排放大量二氧化碳。地质聚合物是一类以工业副产物代替水泥的新型“绿色”胶结材料，有望大幅减少这些排放。然而，要将它们安全用于建筑与桥梁，工程师必须了解这些材料在硬化过程中内部水的行为。本研究探索了一种巧妙的、无损的微波观测方法，用以监测这种看不见的水的动态，可能为施工方提供实时监控生态型混凝土的新工具。

从水泥块到更清洁的建筑材料

传统混凝土依赖在高温窑炉中制造的水泥，该过程约占全球二氧化碳排放的7%。地质聚合物用含铝硅的粉料取代了大量水泥，这些粉料包括来自燃煤电厂的粉煤灰、钢铁冶炼产生的高炉矿渣细粉（GGBFS），以及称为变质高岭土的煅烧粘土。当这些粉料与碱性液体混合时，会形成类似岩石的坚硬材料，而无需耗能巨大的煅烧步骤，有望将排放减少高达80%。但在这一胶结过程中，水的迁移与相态变化比普通水泥更为复杂，且对强度、耐久性和开裂有重要影响。

将微波当作温和的“X射线”

水分子与微波交互强烈，因此材料内部水的微小约束变化会在穿过材料的微波信号中体现出来。研究人员使用了标准的矩形金属管（波导），并连接到矢量网络分析仪——一种精密的微波仪器。用粉煤灰（FA）、炉渣（GGBFS）和变质高岭土（MK）制成的新鲜地质聚合物浆体被倒入波导中，置于其中约30小时，同时发射微波并记录反射与透射信号。两种不同的碱性激活液（硅酸钠与氢氧化钠比为1和2.5）让团队在不改变基本实验装置的情况下调节水含量与化学环境。

倾听水的隐藏转变

关键发现是，样品透射的微波能量对内部变化的敏感度远高于表面反射的变化。反射随样品厚度加倍变化不到半分贝，而透射可变化多达35分贝，清晰地揭示了内部过程。通过随时间追踪透射并提取称为介电常数的电学性质，团队能够推断水是以可动的“游离水”形式存在，还是以更紧密结合的“结合水”存在。精确称重显示所有样品的质量损失均低于2.5%，因此微波信号的变化主要反映了水在结构内的结合方式，而非单纯蒸发。

不同粉料，不同的水行为

含较多钙的粉煤灰和炉渣的表现与传统水泥相似：随着混合物硬化，游离水逐渐被绑定进不断增长的固体网络中，微波透射因此增大。粉煤灰表现出特别高的微波损耗，意味着它吸收更多信号并产生更强的变化。钙含量很低的变质高岭土则呈现不同态势：在一种激活液中，材料似乎随着时间将额外的水吸入其细小、反应活性的结构中，导致透射下降，仿佛更像微波的“海绵”；而在另一种激活液中，变质高岭土表现出更接近水泥的由游离水向结合水转变。扫描电镜（SEM）图像和能谱（EDS）化学分析证实，变质高岭土形成了最致密、开裂最少的微观结构，而粉煤灰则更为多孔且部分发生反应。

对未来建筑的意义

简言之，该研究表明微波透射可以像听诊器一样监测绿色混凝土，捕捉材料在获得强度过程中水从松散到被锁定的过程。研究揭示，不同的工业副产粉料并非以相同方式硬化：富钙的粉煤灰与炉渣遵循类似水化的路径，而低钙的变质高岭土则可能根据激活溶液的不同表现相反的趋势。该无损监测方法可以帮助工程师优化配合比、养护方案和质量控制，从而加速低碳建筑材料在实际结构中的安全采用。

引用: 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

关键词: 地质聚合物混凝土, 微波传感, 水结合, 粉煤灰 炉渣 变质高岭土, 可持续建筑