Ottimizzazione del contenuto di materiali fini nella malta e nel calcestruzzo al fine di ridurre le emissioni di CO2

Nuove malte e calcestruzzi a basso impatto ambientale

L’impiego sinergetico di carbonato di calcio finemente macinato, dall’elevato grado di purezza, di Omya e degli innovativi additivi chimici MasterCO₂re e di MasterX-Seed STE di Master Builders Solutions consente di ottimizzare il contenuto di materiale fine nella malta e nel calcestruzzo, influendo notevolmente sulla sostenibilità, grazie ad emissioni di CO₂ ridotte e a un significativo risparmio di acqua.

Il calcestruzzo è, a livello mondiale, il primo materiale prodotto dall’uomo e oggi responsabile per circa l’8% delle emissioni globali di CO₂. Con l'aumento della popolazione e la crescente urbanizzazione, la quantità di calcestruzzo prodotto a livello mondiale continuerà ad aumentare in futuro, cosa non sostenibile per l'ambiente.

L’industria del calcestruzzo non ha quindi altra scelta se non quella di adottare misure per ridurre l'impatto ambientale delle proprie attività e prendere provvedimenti per raggiungere gli ambiziosi obiettivi dell'Accordo sul clima di Parigi.

Essendo il cemento il principale responsabile delle emissioni del calcestruzzo, l'azione più importante che i produttori di calcestruzzo possono intraprendere è quella di ridurre la frazione di cemento Portland (OPC) e aggiungere materiali inorganici alternativi.

Con cosa è possibile sostituire il cemento?

I materiali cementizi supplementari (SCM) come ceneri volanti, loppa d’altoforno e pozzolane sarebbero la scelta preferibile in quanto la loro attività pozzolanica contribuirebbe allo sviluppo della resistenza e migliorerebbe la durabilità del calcestruzzo. Purtroppo, le ceneri volanti e la loppa d’altoforno granulata (GGBS) stanno lentamente scomparendo a causa della conversione delle centrali elettriche dalla combustione del carbone a tecnologie più ecologiche (eolica, solare, ecc.) o dell'aumento della produzione di acciaio da fonti riciclate. E ovviamente le pozzolane sono reperibili solo in poche zone geografiche. Per questo motivo, attualmente sono in fase di preparazione nuove norme per una nuova gamma di Materiali Cementizi Supplementari (SCM).

Sono queste le ragioni per cui l'attenzione si concentra su alcuni dei materiali naturali più abbondanti sulla terra: argilla e calcare [1]. Questi materiali minerali sono il modo più semplice ed economico per ridurre al minimo l'impatto ambientale dei materiali da costruzione a base di cemento come il calcestruzzo. Negli ultimi anni, l'industria mineraria, e in particolare quella del carbonato di calcio, ha sviluppato processi tecnici per offrire aggregati minerali a più alto valore aggiunto per le formulazioni di malte e calcestruzzi tecnici. [2, 3, 4, 5, 6]. Allo stesso tempo, la produzione di calcestruzzo a ridotto contenuto di cemento non può avvenire senza il contributo di additivi chimici che consentono una notevole riduzione dell’acqua d’impasto mantenendo buone proprietà reologiche e il raggiungimento delle resistenze alla compressione desiderate.

Malte e calcestruzzi sostenibili con aggiunte di carbonato di calcio finemente macinato (GCC): lo studio di ricerca congiunto Master Builders Solutions e Omya

Questo lavoro esplora il potenziale per lo sviluppo di malte e calcestruzzi con ridotte emissioni di gas serra riducendo il dosaggio di cemento Portland, abbassando il contenuto di acqua e aggiungendo una quantità adeguatamente studiata di carbonato di calcio finemente macinato (GCC).

La collaborazione tra Omya e Master Builders Solutions si concentra sullo sviluppo di soluzioni affidabili sulla base del concetto di calcestruzzo a prestazione equivalente (secondo la norma EN 206) con una specifica combinazione di approcci fisici e chimici: mentre si riduce notevolmente la frazione di cemento Portland, si ottiene l’ottimizzazione del contenuto totale di materiali fini (cemento+ GCC) [8, 9, 10] utilizzando carbonato di calcio macinato con diversi gradi di finezza, ovvero Betocarb HP e Betocarb F di Omya, che interagiscono in maniera sinergetica con il superfluidificante MasterCO₂re basato sulla tecnologia Intelligent Cluster System (ICS) di Master Builders Solutions, ottimizzando in questo modo la dispersione del legante e garantendo un adeguato mantenimento della lavorabilità.

Questa combinazione ha il potenziale per ridurre la quantità di acqua e le emissioni di CO₂ associati all'utilizzo del cemento.

MasterCO₂re, grazie alle sue ottime qualità reologiche, consente un’ulteriore riduzione dell’acqua. A completamento dell’effetto di MasterCO₂re, l’aggiunta Master X-Seed STE, accelerante di indurimento di nuova generazione di Master Builders Solutions, garantisce l’aumento della resistenza alla compressione a lungo termine. Il suo meccanismo d'azione si basa sulla formazione di emicarboaluminato e monocarboaluminato, che sono considerati cristalli più forti tra i costituenti idrati del cemento [11]. La sinergia tra il calcio carbonato GCC e Master X-Seed consente una maggiore efficienza nell’ottimizzazione delle miscele di calcestruzzo.

Le pietre calcaree estratte oggi sono classificate in base alla loro mineralogia, durezza e purezza chimica [12]. La norma francese NF P 18-508 [7] ha definito una categoria Premium A per il carbonato di calcio macinato con una specifica ristretta di 3g/kg per il contenuto di argilla, superiore purezza e un’area superficiale minima. Entrambe le serie di specifiche sono riportate nella tabella 1.

Per il presente studio è stato utilizzato carbonato di calcio macinato fine, Betocarb F e Betocarb HP, per miscele di malta e di calcestruzzo. Le relative caratteristiche fisico-chimiche sono riportate nella tabella 2 e comparate a quelle di polvere di calcare tradizionale.

L’approccio alle soluzioni sostenibili analizzato nell’ambito di questo lavoro è stato testato in miscele di malta e calcestruzzo utilizzando diversi tipi di cemento.

La composizione della malta analizzata è riportata nella tabella 3: il contenuto di cemento è stato ridotto del 31%, inoltre è stato notevolmente ridotto il contenuto di acqua e aggiunto carbonato di calcio macinato Betocarb HP e Betocarb F per ottimizzare il contenuto di materiale fine.

In tutte le malte è stata ottenuta la stessa consistenza aggiustando il dosaggio di MasterCO₂re. I valori della resistenza alla compressione della malta sono riportati nelle figg. 1 e 2.

I risultati dimostrano i vantaggi dell’aggiunta di calcio carbonato macinato (GCC) per ottimizzare il contenuto totale di materiale fine se si effettua la riduzione sia del contenuto di cemento che di quello di acqua. L’effetto dell’accelerante di indurimento Master X-Seed STE sulla resistenza alla compressione a 28 giorni è considerevole e può più che compensare l’influsso della riduzione del contenuto di cemento Portland.

Lo stesso approccio è stato adottato per le miscele di calcestruzzo con due tipi di cemento (CEM II/A e CEM III/A); la frazione di cemento (OPC) è stata ridotta notevolmente così come il contenuto di acqua. 

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