Il parere dell'esperto / 09/07/2024

Calcestruzzo sostenibile: i vantaggi degli additivi per le miscele a base di materiali cementizi supplementari

Il contributo di Mapei all’impegno dell’industria del calcestruzzo di raggiungere la carbon neutrality entro il 2050

Autore

Giorgio Ferrari

Responsabile R&D Gruppo HPSS – High Performance Sustainable Solutions

Con gli additivi della linea MAPECUBE è possibile ridurre il dosaggio di clinker e aumentare la quantità di materiali cementizi supplementari (SCM) nei cementi di miscela per produrre calcestruzzo a bassa impronta di carbonio, con prestazioni equivalenti o superiori a quelle del calcestruzzo tradizionale. L’utilizzo di questi additivi contribuisce quindi alla riduzione delle emissioni di anidride carbonica associate alla produzione del calcestruzzo.

La produzione mondiale di calcestruzzo ha raggiunto i 14 miliardi di m³ all’anno con un impatto, in termini di emissioni di CO₂, di oltre 2.5 GTon/anno. Un livello così elevato è per lo più dovuto all’”ingrediente” fondamentale del calcestruzzo: il cemento Portland, la cui produzione ha superato i 4 miliardi di tonnellate ed è destinata a raggiungere i 5 miliardi entro il 2050⁽¹⁾.

Per questo motivo, le principali aziende produttrici di cemento e di calcestruzzo hanno assunto l’impegno di attuare, entro il 2050, strategie di decarbonizzazione per raggiungere la “carbon neutrality”, ossia la capacità di produrre il calcestruzzo in modo sostenibile con un bilancio nullo delle emissioni di CO₂.

La Figura 1 mostra il contributo delle diverse azioni di mitigazione previste da oggi al 2050. Risulta evidente che la voce “formulazione del cemento” (sezione arancio), relativa alla sostituzione del clinker con materiali cementizi supplementari (Supplementary Cementitious Materials, SCMs) caratterizzati da un minor impatto ambientale, contribuirà per il 9% (350 Mt CO₂) all’obiettivo di compensare le oltre 2.5 Gt di CO₂ attualmente prodotte.

Figura 1. Azioni per la carbon neutrality dell’industria del cemento/calcestruzzo (Fonte: Global Cement and Concrete Association, “Concrete Future – Roadmap to Net Zero”, 2021)

Verso un calcestruzzo più sostenibile

Gli SCMs comprendono sottoprodotti derivanti da processi industriali, quali le ceneri leggere dalle centrali termoelettriche a carbone (fly ash), la loppa d’altoforno macinata dalla produzione dell’acciaio (slag) e il fumo di silice (silica fume) dalla produzione del silicio e delle sue leghe. Altri SCMs sono la pozzolana naturale e la polvere di calcare (limestone). Questi materiali sono già utilizzati nella formulazione di nuovi leganti, in parziale sostituzione del clinker. Nei prossimi decenni questo processo sarà ulteriormente incrementato con il maggior utilizzo del calcare, l’introduzione delle argille calcinate (calcined clays) e delle frazioni fini originate dalla frantumazione del calcestruzzo (C&DW), che compenseranno la ridotta disponibilità delle fly ash e della loppa. Queste azioni permetteranno di ridurre il rapporto clinker/legante dall’attuale valore di 0.63 al valore intermedio di 0.58 entro il 2030, fino al valore ultimo di 0.52 entro il 2050⁽¹⁾.

L’utilizzo degli SCMs per la formulazione di nuovi cementi e come “filler” nel confezionamento del calcestruzzo rappresenta quindi un’azione fondamentale per la produzione del nuovo calcestruzzo a bassa impronta di carbonio (Low Carbon Concrete, LCC).

Diversamente dal clinker, gli SCMs non sono dotati di proprietà idrauliche autonome e manifestano proprietà leganti solo se attivati. L’attivazione avviene grazie alla reazione pozzolanica con la calce idrata che si forma durante l’idratazione del cemento, con formazione di fasi idratate di composizione del tutto simile a quelle che caratterizzano le fasi silicatiche del clinker.

Anche le cinetiche di reazione sono diverse: mentre i silicati di calcio idrati (C-S-H) prodotti per idratazione del clinker si formano già dopo poche ore dal mescolamento con l’acqua, quelli prodotti dagli SCMs si sviluppano più lentamente. Inoltre, non tutti gli SCMs partecipano alla reazione pozzolanica. Infatti, la polvere di calcare (limestone) non viene attivata dalla calce idrata e agisce prevalentemente come “filler”.

A ciò va aggiunto che le stesse reazioni di idratazione delle fasi del clinker non sono quantitative, ma lasciano sempre frazioni non reagite che non contribuiscono allo sviluppo delle resistenze meccaniche⁽²⁾.

Sulla base di queste considerazioni, l’auspicata riduzione del rapporto clinker/legante degli LCC potrebbe essere difficilmente conciliabile con l’esigenza di mantenere le stesse prestazioni meccaniche degli attuali calcestruzzi a più alta impronta di carbonio.

I nuovi additivi LCCAs

Per superare questa difficoltà è stata sviluppata una nuova classe di additivi con la funzione di compensare la perdita delle proprietà meccaniche dei calcestruzzi LCC al diminuire del rapporto clinker/legante.

Rispetto ai tradizionali additivi, che sono stati sviluppati principalmente per il controllo delle proprietà reologiche del calcestruzzo allo stato fresco (fluidificanti e superfluidificanti) e dei tempi di presa e indurimento (ritardanti e acceleranti), la funzionalità di questa nuova classe di additivi è finalizzata al controllo dell’idratazione del sistema legante nel suo complesso.

Poiché questi additivi sono stati sviluppati specificatamente per corrispondere alle esigenze di sostenibilità e di miglioramento delle prestazioni dei calcestruzzi LCC a bassa impronta di carbonio, per loro è stato proposto il nome di Low Carbon Concrete Admixtures, LCCAs⁽³⁾.

Gli additivi LCCAs della linea MAPECUBE

Mapei ha sviluppato gli additivi MAPECUBE, una gamma completa di LCCAs appositamente studiata per corrispondere alle esigenze presenti e future del calcestruzzo sostenibile, sempre più orientato verso l’utilizzo di leganti a bassa impronta di carbonio.

Gli additivi della linea MAPECUBE sono il risultato di un progetto di ricerca multidisciplinare avviato nei laboratori di Ricerca e Sviluppo di Mapei, in collaborazione con il Dipartimento di Geoscienze dell’Università di Padova. Questo progetto è rivolto allo studio delle reazioni di idratazione dei leganti a bassa impronta carbonica, con lo scopo di massimizzarne la resa e promuovere lo sviluppo ottimale delle resistenze meccaniche, sia a breve che a lungo termine. Lo schema concettuale del progetto, di cui gli additivi MAPECUBE rappresentano l’elemento centrale, prevede tre principali aree di azione, come mostrato in Figura 2.

Promozione dell’idratazione del clinker – Negli additivi MAPECUBE sono presenti nuovi composti “ibridi” di sintesi, in cui polimeri organici e composti inorganici si combinano per formare “nanocompositi” che promuovono l’idratazione del clinker. Grazie a questi composti, si ottiene anche un miglioramento della microstruttura della pasta cementizia, con conseguente aumento della durabilità del calcestruzzo. Gli stessi composti sono in grado di accelerare la reazione pozzolanica, formando così ulteriori quantità prodotti di idratazione in tempi ridotti.
Attivazione alcalina - La presenza di speciali attivatori alcalini brevettati da Mapei⁽⁴⁾ favorisce la dissoluzione degli SCMs, che precipitano sotto forma fasi solide di silicati e alluminati idrati di calcio contribuendo allo sviluppo delle resistenze meccaniche.
Attivazione calcare – Gli additivi MAPECUBE sono in grado di attivare il filler calcareo, di per sé poco reattivo, promuovendo la sua reazione con le fasi alluminose del clinker per formare nuove fasi carboalluminose che concorrono allo sviluppo delle resistenze meccaniche⁽⁵⁾.

La combinazione di questi ingredienti innovativi con additivi superfluidificanti, acceleranti e ritardanti ha permesso di sviluppare la gamma MAPECUBE con caratteristiche specifiche per ottimizzare la resa di cementi a base di SCMs diversi.

Figura 2. Aree di azione degli LCCA MAPECUBE in relazione ai diversi costituenti dei sistemi leganti a bassa impronta carbonica.

Le prove e i risultati

Nella tabella che segue vengono riportati alcuni esempi di applicazione degli additivi MAPECUBE.

La prima prova riporta lo sviluppo delle resistenze meccaniche di un calcestruzzo LCC confezionato utilizzando MAPECUBE4 (1% in peso rispetto al peso del cemento) con un cemento pozzolanico CEMIV/AP 42.5R, in cui circa il 20% di clinker è stato sostituito con una miscela di pozzolana e fly ash. Il confronto con un calcestruzzo di riferimento confezionato nelle medesime condizioni con un cemento a base di solo clinker (CEMI 52.5R), indica che MAPECUBE 4 incrementa del 16% le resistenze meccaniche a 28 giorni, nonostante il cemento utilizzato sia di classe inferiore.

Nella seconda prova è stato valutato l’effetto del MAPECUBE 3 su un cemento di miscela costituito dal 55% di clinker e dal 40% di loppa. I risultati indicano che un dosaggio di MAPECUBE 3 del 3% rispetto al peso del cemento è in grado di incrementare notevolmente le resistenze meccaniche a tutte le stagionature, permettendo di realizzare un calcestruzzo di classe di resistenza superiore.

La terza prova si riferisce al confronto tra un calcestruzzo di riferimento (dosaggio di cemento 400 kg/m³) e uno con dosaggio di cemento inferiore (350 kg/m³) additivato con 1% di MAPECUBE 60 rispetto al peso del cemento. I risultati confermano che, nonostante il diverso dosaggio di cemento, i due calcestruzzi hanno le stesse resistenze meccaniche finali. La valutazione della loro impronta di carbonio, calcolata mediante la metodologia LCA (Life Cycle Assessment), indica che il calcestruzzo con MAPECUBE60 ha un’impronta di carbonio di 333 kgCO₂eq/m³ rispetto ai 375 kgCO₂eq/m³ del calcestruzzo di riferimento, con una riduzione pari all’11.2%.

Infine, nella quarta serie di test sono stati confrontati due calcestruzzi in cui la composizione del legante è stata variata miscelando un cemento CEMI 52.5R e loppa (GGBFS) in diverse proporzioni. Nel calcestruzzo di riferimento il rapporto tra cemento e loppa è spostato a favore del cemento (CEM/GGBFS = 60/40), mentre nel campione con l’1% di MAPECUBE 60W rispetto al peso del legante tale rapporto è stato invertito (CEM/GGBFS = 40/60). I risultati indicano che il calcestruzzo con MAPECUBE 60W è caratterizzato, a tutte le stagionature, da valori di resistenza a compressione superiori rispetto al riferimento e confermano la possibilità di aumentare la frazione di SCMs nei cementi di miscela senza comprometterne le proprietà meccaniche. In questo caso, l’impronta di carbonio passa dai 240 kgCO₂eq/m³ del riferimento ai 179 kgCO₂eq/m³ per il calcestruzzo con MAPECUBE 60W, con una riduzione del 25%.

Tabella 1. Risultati dei test in calcestruzzo eseguiti con additivi MAPECUBE su diversi cementi.

Meno clinker, prestazioni equivalenti

La linea MAPECUBE è una gamma completa di LCCAs in grado di promuovere l’idratazione delle fasi del clinker e degli SCMs e incrementare le resistenze meccaniche del calcestruzzo. Con questi additivi è possibile ridurre il dosaggio di cemento nel calcestruzzo o aumentare la frazione di SCMs nei cementi di miscela per produrre calcestruzzo LCC a bassa impronta di carbonio, con prestazioni equivalenti o superiori a quelle del calcestruzzo tradizionale a base di cemento Portland.

L’utilizzo dei MAPECUBE può contribuire fin d’ora al raggiungimento degli obiettivi di riduzione delle emissioni di CO₂ associate alla produzione del calcestruzzo e svolgere un ruolo determinante per lo sviluppo del calcestruzzo sostenibile.

Note

Global Cement and Concrete Association, “Concrete Future – Roadmap to Net Zero”, 2021, https://gccassociation.org/concretefuture/wp-content/uploads/2021/10/GCCA-Concrete-Future-Roadmap-Document-AW.pdf.
R.H. Mills, “Factors influencing cessation of hydration in water cured cement pastes”, 1966, Highway Research Board Special Report, 90, pp. 406-424
G. Ferrari, M. Squinzi, “A new class of admixtures for low carbon concrete”, 2023, 16th Int. Congr. Chem. Cem., ICCC2023, Bangkok, Vol. IV, 278-281. Disponibile in https://www.ICCC-online.org/archive/
G. Ferrari et al., “A new multifunctional additive for blended cements”, 2022, Construction and Building Materials, 354, 129086.
F. Castiglioni et al., “An insight into the mechanism of hydration promotion of Low Carbon Concrete Admixtures revealed by a multidisciplinary approach”, 2024, Rilem spring convention conference on advanced construction materials and processes for a carbon neutral society, 10-12 April 2024, Milan, Italy