Green Deal: calcestruzzo sostenibile grazie alle ceneri volanti e ai nuovi additivi di General Admixtures

Esigenza di sostenibilità e Green Deal: Il contributo delle Ceneri Volanti MICRO-POZZ PFA e dei nuovi additivi superfluidificanti PRIMIUM ERA

In risposta alle richieste della Comunità Europea di intervenire su tutti quei processi produttivi che contribuiscono alle emissioni in atmosfera di gas “serra” quali la CO₂, molto è stato fatto nel Settore delle Costruzioni, ma la strada per giungere all’obiettivo finale è ancora molto lunga.

Raggiungere la neutralità climatica entro il 2050 è un’impresa ardua ma le idee per conseguirla sono già oggi molto chiare. Tra le diverse soluzioni vi è certamente quella di ridurre, nella produzione dei cementi, il quantitativo di clinker, la cui produzione è la principale fonte di emissioni di CO₂ in atmosfera. Per fare questo però è necessario, tra l’altro, poter contare su:

1. Supplementary Cementitious Materials (SCM), ovvero componenti secondari che sostituiscano il clinker compensandone la capacità legante;
2. Nuovi additivi superfluidificanti per calcestruzzo, specifici per poter interagire al meglio con questi nuovi cementi a basso contenuto di clinker.

Per entrambe tali esigenze, General Admixtures S.p.A. propone oggi sul Mercato due Soluzioni Tecnologiche particolarmente interessanti:

1. MICRO-POZZ PFA: Cenere volante selezionata e controllata, dallo spiccato effetto fillerizzante e pozzolanico;
2. PRIMIUM ERA (Emissions Reducing Admixture): Additivi acrilici di nuova generazione, formulati per esibire la massima compatibilità con i cementi d’altoforno (CEM III), pozzolanici (CEM IV), nonché con i nuovi cementi a ridotto contenuto di clinker previsti dalla nuova UNI EN 197-5.

Nel presente lavoro sono state descritte le peculiarità di tali Soluzioni Tecnologiche, evidenziando in che maniera esse potranno contribuire, sia nell’Industria del Cemento che in quella del Calcestruzzo, alla razionalizzazione dei processi produttivi, portando alla realizzazione di Prodotti (cementi e calcestruzzi) dalle eccellenti prestazioni e totale sostenibilità, sia ambientale che economica.

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L’Unione Europea ha avviato, nel dicembre 2019, un pacchetto di iniziative strategiche, noto come “Green Deal”, che mira ad indirizzare la Comunità Europea sulla strada di una transizione verde, con l’obiettivo ultimo di raggiungere la neutralità climatica (azzeramento delle emissioni in atmosfera di gas ad effetto sera) entro il 2050, passando per una riduzione delle emissioni di CO₂ del 55% (rispetto al 1990) nel 2030.

In questo progetto, l’UE ha focalizzato l’attenzione su una serie di settori specifici, chiedendo a tutti gli attori coinvolti in tali attività (ad es. tessile, alimentare, elettronica, veicoli, batterie, plastiche, ecc…) di pianificare ed introdurre un rilevante efficientamento nei loro sistemi produttivi.

Il settore delle costruzioni, comprendente ovviamente anche tutta la filiera della produzione di cemento e del calcestruzzo, riveste in questo contesto un ruolo da protagonista. Secondo il Global Cement Market Report 2022, la produzione mondiale annua di cemento è stata di 4,37 miliardi di tonnellate a cui si associa la produzione di circa 14 miliardi di metri cubi di calcestruzzo. Solo in Italia, nel 2021, si è registrata una produzione di cemento di oltre 20 milioni di tonnellate.

I propositi del “Green Deal” sono molto ambiziosi e certamente lontani, male strategie su cui si intende puntare per conseguire l’obiettivo sono già oggi molto chiare:

• a) Impiego di combustibili alternativi (gas naturale e idrogeno) in sostituzione di quelli fossili;
• b) Impiego di materie prime alternative nella produzione del clinker;
• c) Riduzione del contenuto di clinker all’interno dei cementi, impiegando in sua parziale sostituzione i cosiddetti SCM (Supplementary Cementitious Material), ovvero di prodotti capaci di espletare una funzione legante in virtù di intrinseche capacità pozzolaniche (es. Cenere volante);
• d) Incremento dell’efficienza energetica di tutte le attività correlate alla produzione di cemento e calcestruzzo;
• e) Ottimizzazione delle miscele di calcestruzzo, sia in termini di contenuto di cemento che di nuovi additivi superfluidificanti (ERA, Emissions Reducing Admixtures), capaci di interagire efficacemente con i cementi a basso contenuto di clinker, consentendo loro di esprimere tutte le potenzialità intrinseche.

 

Riduzione del contenuto di clinker nei cementi

Tutti i cementi contemplati dalla UNI EN 197-1 sono ottenuti integrando il clinker (sempre presente) con uno o più costituenti secondari. A seconda del contenuto di clinker e del tipo/quantità di costituenti secondari, il cemento viene assegnato ad uno specifico gruppo o “tipo”.

Osservando le composizioni tipiche dei cinque gruppi di cementi contemplati dalla UNI EN 197-1 (dal CEM I al CEM V) è facile constatare come i primi due gruppi, il CEM I (Cemento Portland) ed il CEM II (Cemento Portland “di miscela”) siano caratterizzati da una percentuale di clinker che non può scendere al di sotto del 65% (dell’intero cemento).

Con le altre tipologie di cemento, invece, la normativa consente dosaggi di clinker ben inferiori: ad esempio, un CEM III/A (Cemento “d’altoforno”) può essere realizzato con una percentuale di clinker limitata tra il 35 ed il 65% del cemento, mentre in un CEM IV/B (Cemento “pozzolanico”), tale percentuale può essere compresa tra il 45 ed il 64%.

Ovviamente, la riduzione di clinker ammessa in queste tipologie di cemento deve essere compensata dall’introduzione di costituenti secondari quali la loppa d’altoforno (nel caso del CEM III) e le pozzolane naturali ed artificiali (nel caso del CEM/IV) capaci di contribuire allo sviluppo delle prestazioni mediante prodotti di idratazione del tutto uguali a quelli derivanti dall’idratazione del cemento (fibre di C – S – H, Silicati Idrati di Calcio).

 

Cenere volante MICRO-POZZ PFA nella produzione di cementi e calcestruzzi

Parlando di pozzolane, l’attenzione è fortemente concentrata su quelle artificiali quali la  Cenere volante MICRO-POZZ PFA .

Quest’ultima, infatti, oltre ad essere una eccellente aggiunta minerale dalla spiccata reattività pozzolanica, è di fatto un sottoprodotto derivante dalla produzione di energia elettrica (Figura 1.a) e quindi un suo efficiente riutilizzo nella filiera del cemento e del calcestruzzo ne esalta particolarmente il carattere di sostenibilità.

Si sottolinea come questa aggiunta minerale pozzolanica, essendo costituita dal 100% di materiale riciclato, abbia ottenuto la Certificazione ReMade in Italy®, che consente, tra le altre cose, di rispettare i Criteri Ambientali Minimi (CAM) predisposti con il D.M. 11/10/17.

 

 

Diverse sono le peculiarità che fanno della cenere volante MICRO-POZZ PFA un eccellente strumento per ottimizzare i contenuti di clinker nei cementi pozzolanici. Tra queste, le principali sono la caratteristica forma sferica delle sue particelle (Figura 1.b – 1.c) e la sua distribuzione granulometrica, molto affine a quella dei cementi.

La forma sferica delle particelle di cenere volante rappresenta un elemento fondamentale nel progetto di ottimizzazione dei contenuti di clinker. Come si vedrà più avanti, infatti, l’introduzione di loppa d’altoforno o di pozzolana naturale nei cementi CEM III e CEM IV possono comportare alcuni inconvenienti legati alla maggiore richiesta di acqua da parte degli impasti ed alla maggiore perdita di lavorabilità nel tempo.

Con la cenere volante MICRO-POZZ PFA questo aspetto viene fortemente attenuato proprio grazie alla forma regolare delle microsfere di cenere che, minimizzando la superficie specifica complessiva, limitano la richiesta di acqua. Inoltre, grazie ad una sorta di “effetto cuscinetto” (ball bearing effect), le sfere di cenere volante “lubrificano” le altre particelle della pasta favorendo la mobilità dell’intero sistema (Figura 2).

 

 

L’immagine di Figura 3 vuole evidenziare questo aspetto. Si tratta di un confronto di lavorabilità tra due malte realizzare con solo cemento Portland CEM I, costituito quindi sostanzialmente da solo clinker (foto a sinistra), e con lo stesso cemento “tagliato” con il 45% di cenere volante MICRO-POZZ PFA (foto a destra). A parità di acqua di impasto, la malta confezionata con la parziale sostituzione clinker-cenere mostra una lavorabilità decisamente maggiore.

 

 

Chiaramente, dal punto di vista delle prestazioni meccaniche la riduzione dei contenuti di clinker determina, se non equilibrata, una riduzione dei volumi di fibre C – S – H (Silicati idrati di calcio) che costituiscono la struttura portante delle paste cementizie. Il risultato sarebbe quello di una penalizzazione delle prestazioni, sia meccaniche (con particolare riferimento alla resistenza a compressione) che di durabilità dei conglomerati cementizi.

Sostituendo parzialmente il clinker con cenere volante si ottiene una sorta di “compensazione”, perché grazie alla sua efficiente capacità pozzolanica, la cenere volante MICRO-POZZ PFA è in grado di combinarsi con l’idrossido di calcio presente nella matrice cementizia (sottoprodotto della reazione di idratazione del clinker) per dare luogo a fibre C – S – H del tutto analoghe a quelle prodotte dal cemento.

Queste nuove fibre C – S – H, chiamate “secondarie” per distinguerle dal quelle “primarie” formate direttamente dal clinker, consentono di controllare in maniera efficace le prestazioni, meccaniche e di durabilità, dei cementi pozzolanici.

Dal punto di vista della durabilità, la parziale sostituzione di clinker con cenere volante MICRO-POZZ PFA comporta enormi benefici, soprattutto in termini di resistenza alla penetrazione dei cloruri e resistenza all’aggressione solfatica.

Per i cloruri in particolare, innumerevoli esperienze sperimentali hanno rilevato, per cementi pozzolanici o cementi portland additivati con cenere volante, una drastica riduzione del coefficiente (D) di diffusione ai cloruri.

La seguente Tabella 1 [tratta e semplificata da “Luigi Coppola – CONCRETUM, McGraw-Hill Editore – pag. 229]”, riporta alcuni valori (indicativi) dei coefficienti D associabili a tre diverse tipologie di cemento: CEM I, CEM III/A e CEM IV/A.

 

 

Per quanto attiene la maggiore resistenza dei cementi pozzolanici e d’altoforno all’aggressione solfatica, è sufficiente constatare come la norma UNI 9156 (“Cementi resistenti ai solfati – Classificazione e composizione”) non richieda alcuna prescrizione specifica ai cementi CEM III e CEM IV per poter essere classificati come “a moderata resistenza ai solfati”.

Inoltre, nessuna prescrizione specifica è richiesta ai cementi CEM III/B, CEM III/C e CEM IV/B per essere considerati cementi “ad alta resistenza ai solfati”. Per le stesse classi di resistenza, a tutti i cementi delle classi CEM I e CEM II sono invece richieste specifiche prescrizioni anche solo per essere considerati “a moderata resistenza ai solfati”.

 

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..Continua la lettura nel PDF.

Nel pdf si continua parlando di:

ADDITIVI SUPERFLUIDIFICANTI DI ULTIMA GENERAZIONE PRIMIUM ERA AD ELEVATA COMPATIBILITÀ CON CEMENTI A BASSO TENORE DI CLINKER