Silica Fume: la guida dell’ACI per comprendere l’uso di questa super aggiunta

Premessa

Negli ultimi anni, l'uso della fume di silice come materiale pozzolanico per migliorare le proprietà del calcestruzzo ha ricevuto una notevole attenzione.

La fume di silice, spesso chiamata anche polvere di silice, microsilice o fume di silice condensata, è utilizzata sia come sostituto parziale del cemento portland che in combinazione con esso. Tuttavia, il termine più appropriato, come definito dall'ACI 116R, è "silica fume".

L'interesse iniziale per la fume di silice è stato stimolato dall'adozione di rigide misure di controllo dell'inquinamento atmosferico in vari paesi, che miravano a prevenire il rilascio di questo materiale nell'ambiente.

Recentemente, con la disponibilità di additivi riduttori d'acqua ad alta gamma (HRWRA), sono emerse nuove opportunità per utilizzare la fume di silice come componente del materiale cementizio nel calcestruzzo, ottenendo così resistenze molto elevate e livelli di durabilità superiori.

Le prime ricerche sulla fume di silice nel calcestruzzo iniziarono nei paesi scandinavi, specialmente in Islanda, Norvegia e Svezia. La prima pubblicazione risale al 1952 ad opera di Bernhardt. Successivamente, altri studi significativi furono condotti da Fiskaa, Hansen e Moum (1971), Traetteberg (1977), Jahr (1981), Asgeirsson e Gudmundsson (1979), Løland (1981), e Gjørv e Løland (1982). Nel 1976, uno standard norvegese permise l'uso della fume di silice nel cemento misto, seguito, due anni dopo, dalla possibilità di aggiungere direttamente la fume di silice nel calcestruzzo.

In Sud Africa, Oberholster e Westra pubblicarono nel 1981 risultati di ricerche sull'uso della fume di silice per controllare la reazione alcali-aggregato. In Nord America, il primo articolo fu pubblicato da Buck e Burkes nel 1981, seguito da ulteriori ricerche condotte da CANMET, l'Università di Sherbrooke, Norcem e la Waterways Experiment Station. I primi grandi impieghi di calcestruzzo con fume di silice negli Stati Uniti furono realizzati da Norcem nel 1978 per resistere agli attacchi chimici. Il primo progetto appaltato pubblicamente con calcestruzzo contenente fume di silice fu eseguito dal Corpo degli Ingegneri nel 1983.

Una Guida ACI sui Silica Fume per calcestruzzo

L’American Concrete Institute da tempo si è occupata di questa importante risorsa che consente da un lato di migliorare le prestazioni del calcestruzzo, dall’altro di riusare uno scarto industriale, attraverso un Report che nel tempo è stato aggiornato.

Ad oggi il testo più aggiornato e disponibile sul sito di ACI è:
ACI PRC-234-06: Guide for the Use of Silica Fume in Concrete (Reapproved 2012)

Questa guida del ACI Committee 244 fornisce una panoramica dettagliata delle proprietà fisiche e chimiche della fume di silice, delle interazioni con il cemento portland, degli effetti sul calcestruzzo fresco e indurito, delle applicazioni tipiche recenti, delle modalità di proporzionamento, specifica e gestione in campo del calcestruzzo con fume di silice, e delle aree che necessitano di ulteriori ricerche.

Che cosa è la Silica Fume

La fume di silice è un sottoprodotto che deriva dalla riduzione del quarzo ad alta purezza con carbone o coke e trucioli di legno in un forno ad arco elettrico durante la produzione di metallo di silicio o leghe di ferrosilicio.

La fume di silice, che si condensa dai gas che fuoriescono dai forni, ha un contenuto molto alto di biossido di silicio amorfo e consiste in particelle sferiche molto fini.

Il contenuto di SiO₂ della fume di silice è strettamente correlato alla produzione delle leghe di silicio. Le leghe di ferrosilicio sono prodotte con contenuti nominali di silicio che variano dal 61 al 98%.

Quando il contenuto di silicio raggiunge il 98%, il prodotto viene chiamato metallo di silicio anziché ferrosilicio.

Con l'aumento del contenuto di silicio nella lega, il contenuto di SiO₂ nella fume di silice aumenterà. La maggior parte dei dati pubblicati e dell'uso sul campo della fume di silice proviene dalla produzione di leghe di ferrosilicio al 75% o superiore. Sono state fatte applicazioni limitate utilizzando fume provenienti dalla produzione di leghe di ferrosilicio al 50%.

La fume viene raccolta anche come sottoprodotto nella produzione di altre leghe di silicio. Esistono pochi dati pubblicati sulle proprietà di queste fume. L'uso di queste fume dovrebbe essere evitato a meno che non siano disponibili dati sufficienti che ne garantiscano la qualità e l'efficacia.

Diversi altri prodotti di silice amorfa vengono occasionalmente confusi con la fume di silice. Questi prodotti sono fabbricati intenzionalmente e, sebbene possano offrire buone prestazioni nel calcestruzzo, sono generalmente troppo costosi per tale uso.

La fume di silice utilizzata nel calcestruzzo è caratterizzata da particelle estremamente fini, con dimensioni significativamente più piccole rispetto ad altri componenti del calcestruzzo.

Le dimensioni tipiche delle particelle di fume di silice sono le seguenti:

• Diametro delle Particelle: Le particelle di fume di silice hanno un diametro medio che varia tra 0,1 e 0,2 micrometri (μm). Questo è circa 100 volte più piccolo del diametro medio delle particelle di cemento portland.
• Superficie Specifica: Grazie alla loro finezza, le particelle di fume di silice hanno una superficie specifica molto elevata, che può variare tra 15.000 e 30.000 m²/kg. Questo elevato valore di superficie specifica è uno dei fattori chiave che contribuiscono alle eccellenti proprietà pozzolaniche della fume di silice, permettendo una reattività chimica significativa nel calcestruzzo.
• Forma delle Particelle: Le particelle di fume di silice sono generalmente sferiche. Questa caratteristica morfologica facilita una migliore distribuzione e un riempimento più efficace degli spazi vuoti all'interno della matrice cementizia, contribuendo a migliorare la densità e la resistenza del calcestruzzo.

L'elevata finezza e la morfologia delle particelle di fume di silice permettono una reazione pozzolanica efficiente, che porta alla formazione di ulteriori prodotti di idratazione, migliorando così la microstruttura del calcestruzzo.

Questo si traduce in una maggiore resistenza meccanica, una ridotta permeabilità e una migliore durabilità del calcestruzzo, rendendo la fume di silice un componente prezioso per applicazioni ad alte prestazioni.

Uso della Silica Fume nel Cemento e nel Calcestruzzo

Come suddetto grazie alla sua finezza e alle proprietà pozzolaniche, la fume di silice è diventata un additivo prezioso per il calcestruzzo ad alte prestazioni.

Inizialmente, la fume di silice è stata considerata come un sostituto parziale del cemento.

Ma la sua capacità di migliorare le proprietà del calcestruzzo ha fatto comprendere al mercato che la sua reattività la rendeva l’ideale soluzione per raggiungere prestazioni speciali, e non solo ridurre il clinker del cemento.

L'aggiunta di fume di silice al calcestruzzo può migliorare significativamente diverse proprietà del materiale, tra cui, ovviamente, la resistenza alla compressione.

La fume di silice può aumentare la resistenza alla compressione del calcestruzzo, permettendo di raggiungere valori estremamente elevati. Questo è particolarmente utile in strutture che richiedono elevate prestazioni meccaniche.
Inoltre il calcestruzzo con fume di silice presenta una durabilità superiore, grazie alla riduzione della permeabilità e alla maggiore resistenza agli attacchi chimici. Questo lo rende adatto per infrastrutture esposte a condizioni ambientali severe, come ponti e viadotti.

Vi sono però dei problemi da considerare con il suo uso, per esempio l’impatto sulla lavorabilità. L'uso della fume di silice aumenta la domanda di acqua nel calcestruzzo, il che può influenzare la lavorabilità del materiale. Per mantenere il rapporto acqua-materiali cementizi desiderato, è spesso necessario utilizzare additivi riduttori d'acqua o HRWRA.

La maggiore coesione del calcestruzzo con fume di silice può richiedere un maggiore slump per ottenere la stessa lavorabilità apparente.

Con la richiesta sempre più urgente di ridurre l’impatto della produzione del cemento sull’ambiente da tempo si sta considerando anche l'impiego della fume di silice a monte, ovvero nella produzione dei cementi compositi, Già dagli anni ‘80, diversi produttori di cemento hanno iniziato a commercializzare cementi compositi contenenti una percentuale di fume di silice (generalmente tra il 7 e l'8%). Questi cementi sono utilizzati per migliorare la durabilità e ridurre la reattività alcali-silice.
In Islanda, tutto il cemento prodotto dal 1979 è miscelato con fume di silice per contrastare la reazione alcali-silice. Inoltre, è stato dimostrato che l'uso di cementi compositi contenenti fume di silice può ridurre il calore di idratazione, rendendo questi cementi adatti per applicazioni in cui il controllo della temperatura è critico.

Il problema della conservazione della Silica Fume

Vi è poi un altro problema che deve essere seriamente considerato nell’uso dei Silica Fume, soprattutto ora che il mercato offre in modo così diffuso questo materiale visto le sue prestazioni.

La fume di silice, essendo un materiale molto fine e reattivo, può essere influenzata negativamente dall'esposizione all'umidità durante lo stoccaggio.

L'umidità può portare a una serie di problematiche che devono essere attentamente gestite per garantire la qualità e l'efficacia del materiale quando viene utilizzato nel calcestruzzo. L'umidità può causare l'agglomerazione delle particelle di fume di silice, trasformandole in grumi. Questo può compromettere la dispersione uniforme della fume nel calcestruzzo, riducendo l'efficacia del materiale pozzolanico. Peraltro l'assorbimento di umidità può iniziare una parziale idratazione della fume di silice, riducendo la sua reattività quando viene miscelata con il cemento. Questo può portare a una diminuzione delle prestazioni meccaniche e della durabilità del calcestruzzo.

Ecco perchè quando si prevede l’uso di premiscelati contenenti silica fume in fase di produzione del calcestruzzo è necessario eseguire ispezioni regolari dei contenitori di stoccaggio o dei sacchi, per verificare la presenza di umidità e soprattutto l’assenza di grumi. Sarebbe opportuno eseguire periodicamente dei test di valutazione del livello di reattività.

Conclusioni

Le silica fume sono un booster prestazionale di eccezionale importanza per il calcestruzzo, soprattutto in un momento in cui la sostenibilità ci spinge all’uso di materiali più durevoli e che riusano prodotti di scarto degli altri processi industriali.

Ma proprio per le sue eccezionali qualità l’uso deve essere gestito con un’importante attenzione e quindi consapevolezza tecnica.

La guida dell’American Concrete Institute rappresenta un supporto di conoscenza di eccezionale utilità. In questo breve articolo ne ho ripreso solo alcuni passi essenziali, e consiglio quindi una lettura diretta a tutte le figure che operano nel settore.