Cosa Sono i Materiali Cementizi Supplementari (MCS)?

I materiali cementizi supplementari (SCM) sono sottoprodotti industriali o materiali naturali lavorati che sostituiscono parzialmente il clinker di cemento Portland nel calcestruzzo, contribuendo alla resistenza attraverso reazioni pozzolaniche o idrauliche latenti con l'idrossido di calcio rilasciato durante l'idratazione del cemento. I quattro SCM principali sono la cenere volante, la scoria granulata d'altoforno macinata (GGBS), il fumo di silice e l'argilla calcinata; le pozzolane naturali (cenere vulcanica, scisto opalino) costituiscono una quinta categoria. La maggior parte dei cementi miscelati (PPC, PSC: vedi OPC vs PPC vs PSC) si basano su di essi.

Le due famiglie chimiche

Gli SCM agiscono attraverso uno dei due meccanismi. I materiali pozzolanici (cenere volante, fumo di silice, argilla calcinata, pozzolane naturali) necessitano dell'idrossido di calcio (Ca(OH)₂) rilasciato dall'idratazione del cemento Portland per formare ulteriore idrato di silicato di calcio (C-S-H). I materiali idraulici latenti, di cui la GGBS è il caso tipo, si auto-idratano lentamente una volta attivati dall'ambiente alcalino dell'OPC. Entrambe le vie riducono il fattore clinker del legante finito.

Reazione pozzolanica. La reazione tra un materiale siliceo o allumino-siliceo e idrossido di calcio in presenza di acqua, che produce ulteriore C-S-H. Prende il nome dalla pozzolana vulcanica romana di Pozzuoli, Italia.

La differenza è importante per la progettazione della miscela. Un SCM pozzolanico non può reagire finché l'alite non ha prodotto calce libera, quindi il suo contributo alla resistenza arriva in una seconda fase, tipicamente da 14 giorni in poi e continuando fino a 90-180 giorni. Un SCM idraulico latente inizia a idratarsi una volta che il pH della soluzione porosa supera circa 12, entro poche ore dalla miscelazione, e quindi contribuisce alla resistenza su una curva che segue l'OPC di un giorno o due piuttosto che di settimane.

I quattro (più uno) SCM

Intervalli secondo i rapporti dei comitati ACI citati e la pratica standard. I risparmi di CO₂ sono a livello di legante; i risparmi a livello di progetto dipendono dalla progettazione della miscela.

• La cenere volante è il sottoprodotto delle centrali elettriche a carbone raccolto da precipitatori o filtri a maniche. La Classe F (tipicamente meno di circa il 18% di CaO, bituminosa/antracite) è il cavallo di battaglia globale; la Classe C (tipicamente più del 18-20% di CaO, lignite/sub-bituminosa) è leggermente auto-cementante. Una tipica particella di Classe F è una cenosfera di vetro cava di 1-100 µm con una superficie Blaine di circa 300-450 m²/kg, più fine dell'OPC ordinario e che contribuisce a un misurabile beneficio di lavorabilità con una sostituzione del 25-30% [4].
• La GGBS è scoria fusa d'altoforno rapidamente raffreddata in acqua e macinata fino alla finezza del cemento, tipicamente 400-500 m²/kg Blaine. È consentita una sostituzione fino al 95% in CEM III/C secondo EN 197-1 [8], con le classi europee CEM III/A (36-65% di scoria) e CEM III/B (66-80% di scoria) che fungono da cavalli di battaglia per opere marine e in calcestruzzo massivo.
• Il fumo di silice è fumo condensato di SiO₂ proveniente da forni elettrici ad arco per la produzione di silicio e ferrosilicio. Molto fine (BET 15-30 m²/g, particelle 0,1-0,3 µm), altamente reattivo, utilizzato a dosi del 7-10% per alta resistenza o bassa permeabilità. Un calcestruzzo da 90 MPa tipicamente contiene l'8% di fumo di silice in massa di legante, e la stessa miscela densificata per un obiettivo di 120 MPa può contenere il 10-12% [6].
• L'argilla calcinata (metacaolino e argille caolinitiche più ampie) è il quarto pilastro emergente. Argilla calcinata a 700-850 °C in un calcinatore a flash o in un forno rotante; l'industria del cemento già gestisce tali attrezzature, e l'hardware di pirolisi del cemento si traduce direttamente nella calcinazione. Utilizzata da sola al 5-20%, o fino al 50% di sostituzione del clinker in LC³-50 [9].
• Le pozzolane naturali (cenere vulcanica, scisto opalino, terra diatomacea calcinata) sono il ripiego regionale dove gli SCM industriali sono scarsi. Il calcestruzzo romano era un legante al 100% di pozzolana naturale, con la cupola del Pantheon che è il test di performance più lungo registrato.

Compromessi prestazionali nella pratica

Gli SCM non sono intercambiabili. Una cenere volante di Classe F con una sostituzione del 30% tipicamente riduce la resistenza a 1 giorno del 15-25% rispetto a un controllo OPC con uguale contenuto di legante, recupera la parità a 28 giorni e supera le prestazioni a 90 giorni. Una miscela GGBS con il 50% di scoria segue più da vicino l'OPC a 7 giorni ma rilascia circa la metà del calore di idratazione. Il fumo di silice all'8% può aumentare la resistenza a compressione a 28 giorni del 20-30% e ridurre la permeabilità ai cloruri di un ordine di grandezza, ma irrigidisce la miscela e richiede quasi sempre un superfluidificante. L'argilla calcinata si abbina sinergicamente con le fini di calcare: l'allumina del metacaolino e il carbonato co-reagiscono per formare fasi carboalluminatiche che densificano la struttura dei pori, che è la chimica che permette a LC³-50 di mantenere la resistenza a 28 giorni rispetto a un OPC di grado 43 con la metà del fattore clinker [9].

Perché gli SCM sono importanti per la decarbonizzazione

Gli SCM sono la più grande leva a breve termine per ridurre la CO₂ del cemento. Il cemento emette circa 2,4 Gt di CO₂/anno, circa il 7-8% delle emissioni antropogeniche globali [1]. Circa il 60% di queste è CO₂ di processo dalla calcinazione del calcare; ogni kg di clinker sostituito da un SCM è un kg di CO₂ di processo evitato. La GCCA Net Zero Roadmap (2021) mira a un rapporto clinker-cemento globale di 0,52 entro il 2050, in calo rispetto a circa 0,72 nel 2020 [2]. La relazione tra la chimica delle fasi e la CO₂ incorporata del clinker sostituito è illustrata nel pezzo sulla composizione chimica del clinker.

Due vincoli di approvvigionamento sono importanti: l'offerta di cenere volante sta diminuendo con la dismissione delle centrali a carbone, con una disponibilità globale che si prevede raggiungerà il picco prima del 2030; l'offerta di GGBS è limitata dal tonnellaggio globale di acciaio a circa 350-400 milioni di tonnellate all'anno, meno del 10% della domanda annuale di legante del cemento. Il percorso di espansione dipende quindi dall'argilla calcinata e dalle pozzolane naturali, entrambe le quali richiedono nuova capacità di lavorazione piuttosto che un flusso di sottoprodotti recuperati. Le principali aziende cementiere globali stanno ora adattando calcinatori a flash alle linee di forni esistenti, mentre l'efficienza a monte di qualsiasi clinker rimanente è ottimizzata attraverso un controllo più rigoroso del consumo specifico di combustibile sulla linea del forno.