Buzzi Unicem Next: la linea di leganti a base

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cemento
& calcestruzzo
cemento
& calcestruzzo
Buzzi Unicem Next:
la linea di leganti a base
di clinker solfoalluminato
Massimo Bocciolini*
Negli ultimi quindici anni l’edilizia ha subìto profondi cambiamenti indotti principalmente da una necessaria evoluzione normativa che ha interessato trasversalmente tutti
i settori. Se ne citano alcuni: l’introduzione delle “Norme
tecniche per le costruzioni”, l’implementazione delle norme
che governano l’isolamento termico e acustico degli edifici, l’obbligo della certificazione del controllo di produzione
industriale per chi produce calcestruzzo, l’armonizzazione
delle norme relative ai materiali da costruzione imposta dalla
Direttiva 89/106/CEE che presto verrà soppiantata dal
Regolamento n. 305/2011. In questo scenario i cementi
Portland continuano ad essere il legante idraulico più diffuso
nell’industria delle costruzioni in conseguenza del buon compromesso tra le prestazioni fisico-meccaniche, le caratteristiche di durabilità nel tempo, l’efficienza produttiva e il costo
sostenibile. Buzzi Unicem, nel continuo processo di ricerca
di materiali innovativi e di studio di come migliorare la sostenibilità ambientale delle tecnologie connesse alla produzione
e all’utilizzo del cemento Portland, ha recentemente portato
a compimento lo sviluppo di una categoria di leganti innovativi con proprietà fisico-meccaniche e di durabilità superiori ai
tradizionali cementi Portland, ma caratterizzati da inferiori
emissioni di anidride carbonica nel processo produttivo: i
leganti solfoalluminati
*Assistente Tecnico Prodotti Speciali
Direzione Qualità e
Assistenza Tecnica Buzzi Unicem
Cenni storici dei cementi a
base di solfoalluminato di
calcio (CSA)
La prima applicazione commerciale diffusa dei cementi CSA risale alla fine degli anni ’50 come legante espansivo. Successivamente, col crescere dell’esigenza
di leganti con elevate prestazioni meccaniche a breve scadenza, sono stati sviluppati per svariate applicazioni tra cui quelle
strutturali. A partire dai primi anni ’70, anche grazie alla disponibilità di minerali di
Bauxite (necessari per il ciclo produttivo),
in Cina è stata sviluppata e perfezionata
una produzione di cementi CSA per usi
strutturali soprattutto per la costruzione
di autostrade, ponti e viadotti. Analogamente, nel 1975 negli Stati Uniti sono
state sviluppate e brevettate diverse formulazioni di CSA per soddisfare la necessità di riparare le autostrade con un cemento a presa rapida, altamente resistente
e stabile. Oggi in Europa Buzzi Unicem
rappresenta uno dei primi produttori di cemento solfoalluminato a perfezionare questa tecnologia e a commercializzarla.
Il clinker solfoalluminato
di calcio
Il clinker solfoalluminato si ottiene mediante la cottura in un forno industriale
rotante di bauxite, anidrite e calcare ad
una temperatura di circa 1.300°C e la
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In cui si intende:
C
solfato di calcio
Sˆ
C4A3Ŝ
solfoalluminato
di calcio
C6A Ŝ3H32 ettringite
AH3
idrossido di alluminio
H acqua
Scansione al microscopio elettronico di un
grano di solfoalluminato di calcio osservato
in fase di formazione ad una temperatura
di circa 150°C inferiore di quella ottimale
di cottura. Si possono individuare distintamente tre zone: quella interna scura ricca
di ossido di alluminio (Al2O3), quella esterna
più chiara ricca di solfati di calcio (CaSO4)
e quella intermedia in cui si è già formato il
solfo alluminato di calcio (4CaO Al2O3 SO3)
Cristallo di silicato bicalcico belite (C2S) in
una scansione al microscopio elettronico;
la belite costituisce la fase mineralogica
che nel cemento solfoalluminato si idrata
alle lunghe stagionature
successiva macinazione.
La principale fase mineralogica ottenuta
dal processo di cottura è il solfoalluminato di calcio:
4CaO + 3Al2O3 + SO3g4CaO 3Al2O3 SO3 (Yeelimite)
La reazione di idratazione del solfoalluminato di calcio porta alla rapida formazione
di ettringite non espansiva, di solfoalluminato monocalcico idrato, parzialmente,
di idrossido di alluminio amorfo. Affinché
questa reazione si sviluppi pienamente è
necessaria la presenza di solfato di calcio come indicato nella formula di seguito
riportata:
Ŝ + 38H g C6A Ŝ
C4A3Ŝ
Š + 2CŠ
Š3H32 + 2AH3(1)
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& construction
Scansione eseguita su Next base col microscopio elettronico a 24 h dall’idratazione:
sono evidenti i cristalli di ettringite non
espansiva con la loro tipica forma prismatica
la cui reazione è descritta dalla formula (1)
Ai rapporti acqua/cemento ordinari (0.40
< a/c < 0.55), le malte e i calcestruzzi
confezionati con leganti a base di cemento
solfoalluminato mostrano una capillarità
estremamente ridotta unitamente ad una
rapidissima asciugatura della pasta indurita in conseguenza della rapida reazione
di idratazione.
Inoltre è interessante osservare come la
rapida formazione di cristalli prismatici di
ettringite (che occupa circa il doppio dello
spazio occupato dalla molecola di CSA
che la genera) sia responsabile della formazione di una struttura molto meno porosa e più compatta alle brevi stagionature rispetto a quella prodotta dai cristalli
del silicato idrato di calcio (C-S-H) nei cementi Portland ordinari.
Buzzi Unicem indica col nome Next clinker il clinker solfoalluminato finemente
macinato.
Next clinker si può utilizzare per accelerare cementi Portland e per confezionare
leganti e malte a presa rapida. Tuttavia le
prestazioni fisico-meccaniche più significative si ottengono miscelandolo con solfato di calcio (anidrite) con cemento Portland e con additivi regolatori di presa come
il carbonato di litio e l’acido citrico o tartarico.
I leganti a base di clinker
solfoalluminato: prodotti
binari
I prodotti binari a base di clinker solfoalluminato sono leganti costituiti dal proporzionamento di clinker solfoalluminato
e anidrite in maniera tale da garantire che
tutto il C4A3 Ŝ presente, se idratato, si
trasformi in ettringite non espansiva secondo la reazione (1).
Buzzi Unicem indica col nome Next base
il clinker solfoalluminato finemente macinato ed additivato con anidrite.
Le prestazioni del prodotto sono caratterizzate da costanza di qualità nel tempo,
anche in conseguenza del fatto che sono
prodotti ottenuti per miscelazione. Difatti,
tramite il dosaggio calibrato di appositi
additivi minerali, è possibile compensare
la naturale variabilità delle materie prime
di cui è composto. Le proprietà così ottenute consentono di utilizzarli sia autonomamente come leganti rapidi sia in sistemi ternari per ottenere un elevato numero di prodotti caratterizzati da basso
ritiro e da rapido sviluppo delle resistenze
meccaniche.
Prestazioni meccaniche
Si riportano i grafici che mostrano lo sviluppo medio della resistenza di una malta
normale confezionata con Next base.
(vedi grafici a pagina seguente).
I grafici mettono in evidenza che la resistenza a compressione, determinata in
malta standard, raggiunge dopo poche
ore valori che il tradizionale cemento Portland raggiunge dopo una settimana. La
resistenza prosegue la sua crescita più
lentamente ma progressivamente col trascorrere del tempo. è comunque possibile modificare le prestazioni della malta
variando il rapporto acqua/legante (facendo uso di additivi riduttori di acqua) o
facendo uso di additivi acceleranti (carbonato di litio) e ritardanti (acido citrico
e tartarico).
Le prestazioni ottenute si mantengono
costanti nel tempo, senza rischi di perdita di resistenza a lungo termine o di variazioni dimensionali causate dalla formazione ritardata di ettringite (espansioni) o
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ritiri. A conferma di quanto affermato, si
riportano di seguito i risultati dell’analisi
effettuata con il diffrattometro a raggi X
(XRD*) su un campione di Next base non
idratato e dopo 3 h, 16 h e 1 anno dall’idratazione: è possibile osservare che a
16 ore dalla miscelazione con l’acqua è
praticamente scomparso il solfato di calcio libero e che il diffrattogramma ottenuto a 16 ore (verde) non differisce molto
da quello rilevato dopo circa un anno
(blu).
Intensità (cps)
Next Base idratato dopo 1 anno
Next Base idratato dopo 16 ore
Next Base idratato dopo 3 ore
Next Base anidro
cola prefabbricazione rapida.
Buzzi Unicem nomina questa linea
di leganti Next
binder.
I leganti ternari
possono essere
utilizzati come un
cemento ordinario per confezionare miscele con
basso ritiro, rapido sviluppo delle resistenze meccaniche e rapido asciugamento.
La presenza del cemento Portland in miscela con clinker solfoalluminato e anidrite modifica in maniera determinante i
processi di idratazione del solfoalluminato di calcio: la rapida formazione di
portlandite (Ca(OH)2) originata dall’idratazione del C3S presente nel cemento
Portland, attiva la precipitazione di ettringite espansiva secondo la reazione di
idratazione di seguito riportata:
C4A3 Ŝ+6CH+8C Ŝ+90H g 3C6A Ŝ 3H32(2)
Angolo (2theta)
*XRD (X-Rays Powder Diffraction) è una tecnica analitica che consente di determinare la
composizione mineralogica di un materiale cristallino: nei diffrattogrammi sopra riportati
l’ascissa identifica l’angolo di diffrazione mentre l’ordinata è correlabile all’intensità di diffrazione di una specifica fase mineralogica
I leganti a base di clinker
solfo alluminato: prodotti
ternari
I prodotti ternari a base di clinker solfoalluminato sono leganti idraulici pronti
all’uso in cui le percentuali di clinker sol-
foalluminato, di solfato di calcio, di cemento Portland e di additivi regolatori di
presa sono state ottimizzate per garantire prestazioni adatte alla confezione di
massetti autolivellanti, colle, malte e betoncini a rapido indurimento o per la pic-
In cui si intende:
C4A3Ŝ
solfoalluminato di calcio
CH portlandite
C Ŝ
solfato di calcio
H
acqua
C6A Ŝ3H32 ettringite
La reazione (2) richiede un quantitativo
maggiore di acqua e di solfato di calcio
rispetto a quella che genera ettringite
non espansiva (reazione 1), inoltre da
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Scansione al microscopio elettronico di un
legante ternario dopo 6 ore dall’idratazione.
Si osserva la formazione diffusa di piccoli
cristalli di ettringite in grado di compensare
il ritiro
ogni mole di solfoalluminato di calcio si
ottengono 3 moli di ettringite, diversamente da ciò che accade nella reazione
di idratazione in assenza di Portlandite
(1). I prodotti di reazione, una volta che
questa si è conclusa, rimangono dimensionalmente stabili.
Anche in questo caso, le prestazioni
(tempi di presa e sviluppo delle resistenze)
possono essere modificate facendo uso
degli additivi ritardanti e acceleranti come
l’acido citrico, l’acido tartarico, il carbonato di litio e l’ossido di calcio. Il legante
così ottenuto può essere utilizzato in combinazione con i più consueti materiali e
additivi comunemente utilizzati nell’industria delle costruzioni.
Applicazione in massetti
autolivellanti di ultima generazione e nella prefabbricazione
La tendenza del mercato dei massetti è
senza dubbio orientata nella direzione dei
massetti autolivellanti a base cementizia.
I leganti ternari consentono di confezionare massetti autolivellanti con notevole
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Sostenibilità ambientale
Vista aerea della cementeria di Trino (VC)
sede dei laboratori di Ricerca e Sviluppo
dedicati allo studio di leganti speciali
I leganti a base di solfoalluminato di
calcio possono essere ritenuti ecosostenibili per i motivi di seguito riportati.
la cottura della farina sono circa 200°C
inferiori a quelle tipiche della produzione
• Il ciclo produttivo è caratterizzato da
dei cementi Portland ordinari.
ridotte emissioni di CO2 nell’ambiente
• Il clinker solfoalluminato richiede
per la contenuta presenza di carbo-
minor energia di macinazione rispetto
nato di calcio tra le materie prime e
al clinker Portland.
per il minor consumo di combustibile
• La seguente tabella permette di con-
durante la fase di cottura.
frontare i valori medi delle emissioni di
• L’energia incorporata nei cementi
CO2 in termini di tonnellate di CO2 per
solfoalluminati é inferiore rispetto ai
tonnellata di legante prodotto.
cementi Portland, in quanto le tem-
I valori sono espressi come percentuali
perature raggiunte nel forno durante
rispetto al cemento Portland.
CEM I 42.5
Next base
Next binder
Emissioni per Calcinazione
100%
36%
56%
Emissioni Totali
100%
56%
65%
cemento & calcestruzzo
Differenze tra i leganti a base di cemento
alluminoso e Next clinker
Ambedue i leganti fanno impiego nelle loro materie prime di
bauxite che, in seguito a cottura industriale, dà origine a composti
a base di alluminati di calcio (soprattutto CA e C12A7) nel cemento
alluminoso e a solfoalluminato di calcio in Next clinker. Entrambi,
in presenza di acqua e di solfato di calcio, reagiscono rapidamente formando ettringite. Entrambi i leganti possono essere usati
per accelerare i cementi Portland o per confezionare prodotti a
presa rapida o prodotti ternari a basso ritiro miscelati con cemento Portland e anidrite. Poiché la reazione di idratazione di questi
prodotti produce una quantità inferiore di Portlandite rispetto
agli ordinari cementi Portland, entrambi presentano un’ottima
resistenza agli attacchi solfatici ed al dilavamento.
Si elencano di seguito le principali caratteristiche dei due leganti,
molte delle quali si trasferiscono alle formulazioni in cui vengono
utilizzati.
Next clinker si conserva più a lungo dei cementi alluminosi, sia
nel suo imballo originale sia quando formulato in prodotti, senza
perdite significative delle sue caratteristiche prestazionali.
Next clinker, in virtù del ridotto tenore in ferro rispetto ai cementi
stabilità dimensionale, ritiri contenuti, rapida asciugatura ed elevate resistenze
alle brevi stagionature (ridotti tempi di
pedonabilità). Queste proprietà sono ottenute grazie ad una particolare formulazione che sfrutta le innovative reazioni di
idratazione e non sono conseguenti
all’uso di additivi aggiunti.
L’industria della prefabbricazione, al fine
di rispondere celermente alle esigenze
dei propri clienti di ridurre i costi di magazzino e di stagionatura e per accorciare
il time-to-market, può beneficiare dell’uso
di un prodotto ternario. Il fenomeno è oltremodo sentito nel campo della piccola
prefabbricazione come mattonelle, autobloccanti, pannelli, ecc. in cui il numero
dei pezzi prodotti con il singolo stampo
è più elevato. è infatti possibile ridurre i
tempi di stagionatura derivanti dall’utilizzo dei cementi Portland ed accelerare
la rimozione delle casseforme. Inoltre il
rapido sviluppo delle resistenze meccaniche di questi leganti non riduce affatto
le resistenze alle medie e lunghe stagionature. Infine possono essere utilizzati in
alluminosi, mostra un colore grigio più chiaro e costante nel tempo specialmente in
formulazioni con cementi di miscela.
Next clinker viene cotto ad una temperatura inferiore del cemento alluminoso riducendo l’impatto ambientale e l’incidenza dei costi dei combustibili.
è bene mettere in evidenza invece che Next clinker non può essere usato come legante per applicazioni come materiale refrattario, come avviene per alcune categorie di cementi alluminosi.
qualsiasi tipo di miscela dalla consistenza
umida, a quella fluida, sino a quella autocompattante.
Conclusioni
I prodotti Next sono il legante ideale per
un gran numero di applicazioni nell’industria della prefabbricazione e della premiscelazione in quanto consentono di formulare prodotti caratterizzati da rapido
sviluppo delle resistenze e da basso ritiro.
Le prestazioni delle miscele ternarie a
base di clinker solfoalluminato, quali, per
esempio, i tempi di presa e di lavorabilità, la consistenza, la velocità di asciugamento ecc, possono essere ottimizzate
facendo uso dei tradizionali additivi chimici: regolatori di presa (sono da preferire carbonato di litio e acido citrico), fluidificanti (b-naftalensulfonati ed eteri policarbossilati), acceleranti, ritardanti, aeranti, ecc.
Naturalmente, come per i cementi tradizionali, l’introduzione di ogni elemento
necessita di un’adeguata sperimentazione
per verificare le prestazioni attese, soprattutto in considerazione dell’elevato
numero di cementi e di additivi reperibili
oggi sul mercato. n
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