I Superfluidificanti MasterCO2re basati sulla tecnologia Intelligent Cluster System (ICS) offrono la soluzione al paradosso della sostenibilità nel calcestruzzo

Trasformazione del settore delle costruzione in risposta agli obiettivi di sostenibilità

Il settore delle costruzioni è attualmente in profonda trasformazione in risposta agli obiettivi di sostenibilità e al perseguimento della neutralità nelle emissioni di carbonio entro il 2050. Questo cambiamento è caratterizzato in particolare dall’introduzione di nuovi cementi a basso contenuto di clinker, supportati anche dal rilascio delle norme EN 197-5 e EN 197-6.

I produttori di calcestruzzo stanno integrando questi cementi sostenibili nelle loro pratiche, ma affrontano sfide prestazionali, principalmente legate al mantenimento della lavorabilità, alle resistenze meccaniche a compressione, alla stabilità e alla robustezza della miscela.

Un approccio comune per risolvere questi problemi comporta l'aumento del dosaggio di cemento e del contenuto di acqua. Tuttavia, questa soluzione spesso mina i benefici ambientali desiderati, portando ad un paradosso in cui la riduzione prevista delle emissioni di CO₂ viene annullata o, in alcuni casi, addirittura invertita con un aumento delle emissioni di CO₂.

Questo lavoro presenta il potenziale della gamma MasterCO₂re , una serie di superfluidificanti basati sull'innovativa tecnologia Intelligent Cluster System (ICS). Ottimizzando strategicamente la lavorabilità, la reologia e la pompabilità in miscele di calcestruzzo contenenti cementi con basso contenuto di clinker, gli additivi MasterCO₂ consentono ai produttori di sfruttare appieno i vantaggi della riduzione dell’anidride carbonica associata ai nuovi cementi. Risolvendo così il paradosso della sostenibilità.

Per vincere la sfida della sostenibilità bisogna agire sul cemento

L'urgenza di affrontare il cambiamento climatico e le sfide ambientali è enfatizzata a livello globale, con il Green Deal dell'UE che mira a rendere il continente neutrale dal punto di vista climatico entro il 2050. Il calcestruzzo, responsabile dell'8% delle emissioni globali di CO₂, richiede un'attenzione particolare, essendo un materiale da costruzione molto diffuso e la cui produzione è in continuo aumento. Sebbene le emissioni di CO₂ per m³ di calcestruzzo siano inferiori a quelle di altri materiali ^{(1, 2)}, gli enormi volumi di calcestruzzo prodotti a livello globale, attualmente pari a 13,5 milioni di m³ e destinati a crescere, rendono l'impatto ambientale complessivo di questo materiale davvero notevole. Essenziale, per vincere la sfida della sostenibilità, è agire sul cemento, la componente del calcestruzzo che è responsabile della quota più significativa delle emissioni di CO₂.

Come mostrato nella Figura 1, in 1 m³ di calcestruzzo, il cemento rappresenta solo circa il 10% ma è responsabile fino al 90% delle emissioni di CO₂. I dati sono solo a scopo illustrativo e si riferiscono a una composizione media di calcestruzzo preconfezionato con 300 kg/m³ di CEM II/A-LL e possono variare intorno a questo valore medio, a seconda della composizione della miscela.

All’interno del cemento, il clinker è il componente principale e, oltre ad essere l’attore principale nell’idratazione del cemento e nello sviluppo delle resistenze, è anche il principale responsabile della CO₂ emessa nella produzione di cemento. Il clinker viene infatti prodotto bruciando materie prime naturali come calcare, argilla e marne a temperature molto elevate, un processo molto impattante in termini di emissioni di gas serra ⁽³⁾.

L'industria del cemento si impegna a intraprendere azioni per raggiungere zero emissioni nette entro il 2050: CEMBUREAU prevede entro il 2030 di ridurre le emissioni di CO₂ del 30% per il cemento e del 40% lungo la catena di valore del calcestruzzo ⁽⁴⁾ e secondo la CEMBUREAU ROADMAP, questo sarà possibile principalmente con la tecnologia di cattura del carbonio (CCS-CCU). Fino a quando non sarà operativa questa tecnologia rivoluzionaria, sono raccomandate alcune azioni a breve e medio termine: combustibili alternativi, sostituzione del clinker, ottimizzazione delle miscele di calcestruzzo.

Lungo queste linee e con questi obiettivi, l'industria del cemento sta attualmente vivendo una profonda trasformazione: i recenti standard per il cemento EN 197-5 2021 e EN 197-6 2023 ^(5,6), che hanno introdotto nuovi cementi, con contenuto di clinker ridotto come CEM II/C-M, CEM VI e CEM II/A-F e II/B-F, evidenziano questi cambiamenti. Di fatto, molti nuovi cementi sono stati introdotti in alcuni paesi europei negli ultimi due anni. Inoltre, si osserva anche uno spostamento all'interno dei cementi della EN197-1 del 2011, da quelli con alto contenuto di clinker tradizionalmente utilizzati a quelli con contenuto di clinker inferiore ⁽⁷⁾.

Ad esempio, nel settore della prefabbricazione, il CEM I 52,5, che è stato il cemento più utilizzato fino a poco tempo fa, è ora in fase di eliminazione in diversi paesi, poiché i produttori di cemento puntano alla sua sostituzione con CEM II/A-LL 52,5, CEM II/A-LL, CEM III/A ecc.

Nel calcestruzzo preconfezionato, il cemento tradizionalmente più utilizzato, ovvero il tipo II/A-LL 42,5, viene gradualmente sostituito con una varietà di cementi con un contenuto di clinker ridotto, ad esempio CEM II/B-LL, CEM II/B-M e CEM III/A ecc.

La riduzione delle emissioni di CO₂ associata a queste modifiche del cemento è rilevante, come si può evincere dai dati nella Figura 2, calcolati grazie al database OneClick LCA che copre sia Ecoinvent 3.8 sia EPD verificate da diverse fonti.

Sia i produttori di calcestruzzo preconfezionato che quelli di calcestruzzo prefabbricato devono convertire le loro produzioni ai nuovi cementi, ma spesso incontrano problemi di prestazioni, come una minore lavorabilità e pompabilità e uno sviluppo delle resistenze più lento.

È una grande sfida, per l'industria del calcestruzzo, adattarsi al mutevole scenario e gestire la produzione giornaliera in modo concreto con i nuovi cementi, senza perdite di qualità e produttività. La trasformazione dell'edilizia richiede di ripensare processi familiari e di implementare soluzioni avanzate che consentano di stare al passo con il settore. Questo cambiamento richiede soluzioni innovative per mantenere la qualità del calcestruzzo e affrontare l'impatto ambientale.

Il ruolo degli additivi superfluidificanti

I superfluidificanti sono stati tradizionalmente l'opzione migliore per sostituire il clinker ^{(8, 9)}: consentendo la riduzione dell'acqua, permettono di produrre calcestruzzo con un rapporto acqua/cemento adeguato per ciascuna classe di resistenza e di durabilità, con quantità ridotte di cemento e acqua rispetto alla soluzione senza additivi.

Negli ultimi decenni sono state sviluppate diverse tipologie di superfluidificanti, raggiungendo prestazioni notevoli. L'utilizzo dei superfluidificanti diventa al giorno d'oggi ancora più importante: nel mutevole scenario e con i nuovi cementi, sono necessarie soluzioni nuove e più avanzate per affrontare le sfide attuali.

Master Builders Solutions ha risposto a queste esigenze con il lancio della gamma di superfluidificanti MasterCO₂re, basata sulla nuova tecnologia brevettata Intelligent Cluster System (ICS). Questa tecnologia affronta i limiti dei superfluidificanti tradizionali nella gestione dei cementi a basso clinker, consentendo di adottare pratiche sostenibili senza compromettere la qualità del calcestruzzo.

Questo documento presenta il "paradosso del calcestruzzo" che può essere evitato grazie all’utilizzo di MasterCO₂re ed alla tecnologia ICS. Verrà spiegato il meccanismo d'azione ed illustrati i risultati di prove reologiche e di pompabilità condotte sul campo, evidenziando le prestazioni superiori di questa tecnologia.

Sostenibilità: il Paradosso del Calcestruzzo può essere evitato con MasterCO₂re

Le prove in calcestruzzo sono state eseguite con le miscele riportate in Figura 3, utilizzando un mescolatore planetario ad albero verticale (P50 da OMG SICOMA, 65Hz, 1950 rpm (Figura 4). La misura della consistenza (slump) è stata effettuata dopo 5, 30, 60 e 90 minuti secondo la norma EN 12350 parte 2.

La Figura 5 riporta l'impatto della 4 miscele sulle emissioni di gas serra (GHG) e sul consumo di acqua. Il potenziale di riscaldamento globale totale (GWP tot) delle miscele è stato stimato con l' app ECO₂NOW^TM di Master Builders Solutions, basata su raccolte di dati mondiali Ecoinvent 3.8 e EPD medi del settore, considerando l'approvvigionamento di materie prime (A1), il trasporto (A2) e la produzione (A3). ⁽¹⁰⁾

Qui è raffigurato il "paradosso del calcestruzzo": la miscela 1 e la miscela 2 rappresentano la produzione attuale dell'impianto di betonaggio coinvolto nelle prove, utilizzando un superfluidificante a base di policarbossilati. Il passaggio da CEM II/A-LL 42,5 (contenente fino all'80% di clinker) a CEM II/B-LL 32,5 (contenente fino al 65% di clinker) aveva lo scopo di impattare positivamente sulla sostenibilità; tuttavia, al fine di ottenere le prestazioni attese del calcestruzzo, il preconfezionatore si è trovato a dover aumentare il dosaggio di cemento e acqua nella Miscela 2, aumentando così di fatto le emissioni di CO₂ rispetto alla Miscela 1. E questo costituisce il paradosso.

La tecnologia di MasterCO₂re consente nella Miscela 3 e nella Miscela 4 un'ulteriore riduzione dell'acqua senza impatti negativi sulla reologia del calcestruzzo e sulla pompabilità. Le misure correttive come l'aumento del dosaggio di acqua e cemento della Miscela 2 possono quindi essere evitate e il paradosso viene risolto. 39 kg di CO₂ eq/m³ vengono risparmiati nella Miscela 4 rispetto alla Miscela 2. Il cemento con basso clinker di tipo II/B-LL 32.5 può essere utilizzato nel calcestruzzo senza diluire l'impatto positivo sulla sostenibilità e l’acqua può essere conservata anche nelle miscele 3 e 4 (Figura 5).

Il mantenimento della lavorabilità, come riportato nella Figura 6, è notevolmente migliorato con l’utilizzo di MasterCO₂re. Ciò è dovuto ai Cluster Intelligenti, che consentono un rilascio del polimero nel tempo, come verrà descritto nel capitolo successivo. La resistenza a compressione misurata in provini cubici da 15x15x15cm in base alla norma UNI EN 12390 parte 2 e 3 è riportata in Figura 7; si evince che la riduzione del contenuto di cemento nella miscela di calcestruzzo a basso tenore di clinker non influisce sulla resistenza misurata: i valori della miscela 4 sono paragonabili a quelli della miscela 2.

Il "paradosso del calcestruzzo" è quindi risolto: il nuovo cemento più sostenibile può essere utilizzato a parità di prestazioni meccaniche senza diluire il suo impatto positivo sulle emissioni di CO₂. La Figura 8 mostra l'aspetto del calcestruzzo subito dopo la miscelazione per le 4 miscele che sono state realizzate. L'aspetto del calcestruzzo nella Miscela 3 era visivamente molto simile alla Miscela 1 e alla Miscela 2. La Miscela 4 aveva un aspetto leggermente più coeso, ma ancora abbastanza buono, in considerazione della notevole riduzione di acqua.

Non trascurabile è l'importanza dei costi, quando si produce calcestruzzo. La Figura 9 mostra il costo del cemento dalle 4 miscele di calcestruzzo: oltre a non essere migliore in termini di emissioni di gas serra, la Miscela 2 era anche più costosa rispetto alla Miscela 1. D'altra parte, la Miscela 3 e la Miscela 4 con il nuovo superfluidificante, consentono anche un risparmio complessivo.

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L'articolo prosegue illustrando il meccanismo d'azione della tecnologia Intelligent Cluster System (ICS) e altre evidenze emerse nel corso di test di laboratorio che dimostrano l'efficacia del nuovo superfluidificante MasterCO₂re di Master Builders Solutions nei calcestruzzi a basso contenuto di clinker.
Nell'articolo completo in PDF tutti i riferimenti bibliografici.

Ringraziamenti

Il presente articolo è stato presentato al 52° Simposio dell'Institute of Concrete Technology, tenutosi presso Hillscourt Hotel, Birmingham l'11 Aprile 2024, dal titolo "Verso un calcestruzzo a zero emissioni: produrre calcestruzzo, non CO₂". Si ringrazia per la gentile concessione.