MALTE CEMENTIZIE SPECIALI CON FUMO DI SILICE - Ing. Mario Berra Dr. Salvatore Tavano

Ing. Mario Berra
Dr. Salvatore Tavano

MALTE CEMENTIZIE SPECIALI CON FUMO DI SILICE

Summary A new material, called Silica Fume, with pozzolanic and filler function is tested
in cement mortars. These two E functions are much more effective than those obtained
from pozzolana or slag. Silica Fume is a by-product from silicon and ferro-silicon industry.
It is employed with very good results when a superplasticizer based on sulphonated
naphthalene formaldehyde condensate is added to the cement mortars. In this work
special mortars with low water/cement + Silica ratio are evaluated in comparison with
traditional mortars without Silica Fume. The determined characteristics are the following:
setting time, compressive and flexural strengths, modulus of elasticity, pull out, drying
shrinkage and frost resistance. All these characteristics, compared with those of mortars
with low water/cement ratio but without Silica fume, show very important improvements.

1. INTRODUZIONE
   Nell'ambito dei problemi del recupero energetico e di riduzione dell'inquinamento un
   nuovo materiale sta trovando posto tra i componenti dei conglomerati cementizi: il
   fumo di silice. Questo materiale è una polvere di scarto ottenuta dai pro- cessi di
   produzione dei Silicio e delle leghe Ferro-Silicio e costituisce, quando sia aggiunto agli
   impasti cementizi, un componente che esplica una funzione di filler ed una funzione
   pozzolanica. Queste due azioni si collocano ad un livello di efficacia più elevato
   rispetto a quello dei materiali finora conosciuti così da rendere interessante il loro
   studio ed il loro sfruttamento. In questo lavoro vengono esaminate alcune proprietà dei
   conglomerati cementizi modificati con l'aggiunta di fumo di silice, con particolare
   riguardo a malte per impieghi speciali.

2. FUMO DI SILICE
   Si tratta di una polvere costituita da particelle di silice provenienti dalla condensazione
   di un fumo nei forni di riduzione della quarzite per la produzione di silicio metallico o
   sue leghe. Alla temperatura di reazione di 2000 °C questo fumo, lasciando i forni,
   viene bruscamente raffreddato a 200 °C e non ha il tempo di reintegrare una fase
   cristallina, dando quindi origine ad una tipica struttura amorfa. La polvere così ottenuta
   viene abbattuta con opportuni impianti di filtrazione e immagazzinata in silos. In tabella
   1 viene mostrata l'analisi chimica di un tipico fumo di silice. Altre caratteristiche dei
   materiale sono indicate in tabella 2. Particolare attenzione merita il valore di superficie
   specifica che risulta essere circa 50 volte più elevato di quello di un normale cemento
   o di una cenere volante. A livello morfologico il materiale può essere definito come una
   silice colloidale costituita da:
   a) Particelle sferiche isolate di SiO2 amorfa, con diametro compreso tra 0,01 e 0,50
        gm.
   b) Agglomerati di dette particelle costituenti degli ammassi globulari di forma più o
        meno sferica, con diametro da 1 a 3 µm. L'analisi spettrografica ai raggi X e quelle
        svolte per mezzo della diffrazione elettronica confermano l'assenza di qualsiasi
        struttura cristallina. L'osservazione al microscopio elettronico dimostra invece
        l'esistenza di legami tra le diverse particelle sferiche costituenti gli agglomerati
        (fig.1)

3. PASTE CEMENTIZIE MODIFICATE CON FUMO DI SILICE
   Solo nella letteratura recente si trovano riferimenti relativi all'impiego di fumo di silice
   negli impasti cementizi [1,2,3,4,5,6]. In particolare assai scarse sono le pubblicazioni in
   lingua italiana [7]. Negli anni '70 questo materiale era considerato uno scarto di
   produzione e pertanto veniva per lo più depositato in apposite discariche. Solo dalla
   fine degli anni '70 il prodotto venne via via rivalutato ed attentamente studiato per vari
   impieghi, soprattutto nei conglomerati cementizi. e stato coniato anche un termine
   inglese «Microsilica concrete» che serve ad identificare un certo tipo di calcestruzzo
   modificato con fumo di silice le cui proprietà provengono essenzialmente, come si
   vedrà in seguito, dalle differenti caratteristiche che la pasta di cemento con fumo di
   silice presenta nei confronti di una normale pasta. Nei conglomerati cementizi il fumo
   di silice può essere sostanzialmente utilizzato in due modi:
   a) In sostituzione di parte dei cemento, laddove è disponibile a bassi costi.
   b) In aggiunta al cemento per migliorare le proprietà delle paste, delle malte e dei
        calcestruzzi, allo stato fresco e soprattutto a quello indurito.
   Poiché il fumo di silice è un sottoprodotto dell'industria del silicio, esso è reperibile a
   costi relativamente bassi solo nelle aree in cui l'energia elettrica, fonte primaria per la
   produzione dei silicio, è disponibile in grandi quantità (USA, URSS, Norvegia ecc.).
   Inoltre, dato il basso peso specifico in mucchio, i costi di trasporto hanno una
   incidenza molto elevata sul prezzo finale dei materiale. Questi sono i motivi per cui
   l'uso dei fumo di silice in sostituzione al cemento appare meno importante che non
   l'uso come aggiunta. Inoltre il miglioramento della durabilità e la possibilità di produrre
   conglomerati cementizi ad elevate resistenze meccaniche con processi di routine,
   rendono ancora più interessante quest'ultimo tipo di applicazione. A riguardo della
   durabilità si possono citare gli studi di Sollevold [8] sulla struttura dei pori di paste di
   cemento e fumo di silice. Egli ha concluso che a rapporto a/c costante la porosità
   totale non cambia rispetto a quella di una pasta di solo cemento, ma la dimensione dei
   pori è notevolmente ridotta rendendo più difficile la penetrazione dell'acqua e
   diminuendo quindi la permeabilità. Come detto nell'introduzione, il fumo di silice nelle
   paste di cemento, e quindi nei calcestruzzi, esplica una funzione di filler e una funzione
   pozzolanica, che può essere misurata determinando la quantità di idrossido di calcio
   che si sviluppa nel tempo in paste contenenti differenti dosaggi di fumo di silice.
   Regourd [9,10] ha trovato nei suoi lavori che l'attività pozzolanica si colloca ad un alto
   livello. Altri ricercatori come Trattenberg l'hanno valutata a livello medio [11]. Un'altra
   proprietà importante delle paste di cemento con fumo di silice, è quella di incorporare,
   e quindi bloccare, la diffusione dello ione cloro proveniente dall'esterno ed inoltre di
   reagire con gli idrossidi alcalini presenti nella pasta di cemento [12,13,14]. Quest'ultima
   proprietà può in parte spiegare l'elevata resistenza delle paste, e quindi dei
   calcestruzzi modificati con fumo di silice, nei confronti dell'espansione dovuta alla
   reazione aleali-aggregato.

4. MALTE SPECIALI CON BASSISSIMO RAPPORTO A/C.
   Normalmente il fumo si silice viene considerato come legante e pertanto il rapporto a/c
   è trasformato nel rapporto, a/(e+s) dove con s si intende il dosaggio di fumo di silice.
   Un particolare utilizzo dei fumo di silice consiste nel confezionare malte speciali con
   bassissimo rapporto a/(c+s). Questo tipo di impasto, per la sua composizione
   particolare, richiede un accurato controllo e dosaggio dei componenti. Ciò può essere
   garantito attraverso l'impiego di un premiscelato prodotto industrialmente. E’ noto che il
   rapporto a/c stechiometrico è 0,23 (acqua di combinazione) [15]. Tuttavia poiché la
   reazione di idratazione è in competizione con fenomeni di assorbimento d'acqua da
   parte dei micropori di gelo, occorre fornire al sistema, oltre all'acqua di combinazione,

anche quella necessaria per saturare i micropori. Se la stagionatura nel conglomerato
   cementizio avviene sotto acqua o in atmosfera satura d'umidità il rapporto a/c minimo
   per idratare tutto il cemento e per saturare i micropori è pertanto intorno a 0,36 [16].
   L'aggiunta di fumo di silice al sistema consente, in relazione alla sua estrema finezza
   (alcune particelle hanno dimensioni dell'ordine dei micropori ovvero di 0,01-0,05 µm),
   di riempire i vuoti tra le più grandi particelle di cemento (funzione di filler). Si ottiene in
   questo modo un sistema che lascia a disposizione dell'acqua un volume molto piccolo.
   Ciò fa si che il rapporto a/(c+s), al momento dei confezionamento dell'impasto, possa
   scendere al di sotto dei valore di 0,36 a condizione però che vengano annullate le
   forze di attrazione fra le particelle più fini costituenti il sistema [17].Quest'annullamento,
   in un sistema così povero d'acqua, è possibile solo in presenza di un agente che
   disperda tutte le particelle e in modo particolare quelle di fumo dì silice. Tale azione si
   ottiene aggiungendo all'impasto un super fluidificante disperdente che viene assorbito
   dalle particelle e che agisce attraverso un meccanismo basato su due fenomeni: il
   primo di impedimento sterico, il secondo di repulsione elettrostatica fra le particelle
   caricate negativamente. Nel seguito viene presa in esame una malta cementizia
   confezionata con fumo di silice e super fluidificante a base di naftalen solfonato
   condensato con formaldeide avente una particolare composizione.

5. PROPRIETA’ FISICO MECCANICHE E DURABILITA’ DI MALTE CON RAPPORTO
   A/(C+S) MINORE DI 0,36
   Nei laboratori dei Centro di Ricerca Idraulica e Strutturale (CRIS) dell'ENEL è stata
   condotta una serie di prove speri- mentali con lo scopo di accertare le proprietà di una
   malta premiscelata modificata con fumo di silice, caratterizzata da una bassissima
   richiesta di acqua. Sono state verificate sia le caratteristiche meccaniche della malta
   indurita, sia alcune proprietà riconducibili alla durabilità, confrontando i risultati con
   quelli forniti da analoghe malte tradizionali, non contenenti fumo di silice.
   5.1. Materíalí, modalità di confezione e prove
           la malta premiscelata presa in esame è costituita da cemento Portland ad alta
           resistenza, fumo di silice, additivo superfluidificante disperdente, e sabbia dì
           prefissata granulometria con dimensione massima dei granulo pari a 4 mm.
           l'acqua aggiunta è stata dei 6% sul peso totale della miscela secca. Un aspetto
           molto importante per una corretta utilizzazione di questo materiale è
           rappresentato dalle modalità di confezione. Esse prevedono una accurata e
           continua miscelazione per circa 10 minuti durante i quali la malta assume una
           consistenza rigido-plastica (spandimento secondo UNI 7044 pari a 44-48).
           Inoltre, dopo il getto è indispensabile ricoprire opportunamente le superfici del
           provini, evitando il più possibile l'evaporazione. Sono state confezionate diverse
           serie di provini. la maturazione dei quali, dopo la sformatura a 24 ore dal
           confezionamento, è avvenuta in acqua a 20 °C. Le caratteristiche fisico-
           rneccaniche determinate sono:
           - tempi di presa;
           - resistenza a compressione;
           - resistenza a flessione;
           - resistenza a trazione indiretta;
           - comportamento post-rottura;
           - pull-out.
           - ritiro plastico e da essiccamento;
           - resistenza ai cieli di gelo e disgelo;

- modulo elastico.
5.2. Risultati
   5.2.1. Tempi di inizio e fine presa
           I tempi di inizio e fine presa sono stati determinate secondo la norma UNI
          7123-72 «Determinazione dei tempi di inizio e fine presa mediante la misura
          della resistenza alla penetrazione per calcestruzzi e malte». I valori trovati
          sono di circa 17 ore per l'inizio presa e di 20 ore per la fine presa.
   5.2.2. Resistenza a compressione, flessione e trazione
          La resistenza a compressione e flessione è stata determinata sia su travetti
          4x4x16 cm secondo le norme sui requisiti di accettazione dei cementi (D.M.
          3/6/68) che su provini di dimensione superiore: cubi da 10 cm di lato per le
          compressioni e prismi 10x10x50 cm per le flessioni. Le prove di resistenza a
          trazione indiretta - brasiliana sono state condotte su provini cubici 10x10x10
          cm.

          In Tabella 3 sono riportati i valori di compressione (Re) e flessione (Rf)
          ottenuti sui travetti 4x4x16 cm alle stagionature di 1,3,7,28,90 e 180 giorni.
          La Tabella 4 mostra invece i valori di compressione, flessione e trazione
          indiretta (Rt) ottenuti su cubi e prismi alle stagionature di 7 e 28 giorni.
          I risultati forniti rappresentano la media di 3 o più provini. Non si è notata
          alcuna particolare dispersione dei risultati. la densità apparente in condizioni
          sature è risultata mediamente di 2380 kg/m3.
   5.2.3. Comportamento post-rottura
          Il comportamento post-rottura delle malte esaminate è stato determinato su
          provini cilindrici con dimensioni di 5 cm di diametro e 10 di altezza, ottenuti
          per carotaggio da cubi. Ciascun provino è stato sottoposto a una
          sollecitazione di compressione monoassiale con una macchina
          sufficientemente rigida tale da poter seguire la fase di post-rottura dei
          materiale. Tutte le prove sono state condotte con una velocità di
          deformazione costante di 2,5 µm/sec, registrando la curva completa sforzo-
          deformazione di cui un esempio è riportato in figura 2. E’ stato così possibile
          fornire una valutazione della fragilità o duttilità di questa malta.
   5.2.4. Pull-out La determinazione della resistenza di pull-out o di sfilamento della
          malta in esame è stata condotta misurando la forza richiesta per sfilare una
          barra metallica Ø 20 mm annegata in un getto di malta contenuto nella
          cavità di un cilindro di calcestruzzo ad alta resistenza (fig. 3). Questa prova
          fornisce una indicazione dell'aderenza tra ferro e malta, particolarmente
          importante nel caso di ancoraggi. Poiché tali ancoraggi richiedono
          normalmente l'uso di una malta autolivellante, si è modificato il contenuto
          d'acqua del 6% in peso sul peso della miscela secca, portandolo al 7%.
          D'altra parte prove preliminari su cubi 10x10x10 confezionati con il 7%
          d’acqua hanno fornito, alle diverse stagionature, (1, 2, 7, 28 giorni), i valori
          riportati in tabella 5. In tabella 6 vengono invece mostrati i risultati delle
          prove di pull-out condotte alle stesse stagionature.

5.2.5. Ritiro plastico e ritiro da essiccamento
       La variazione di volume che segue il processo di idratazione dei cemento e
       in particolare la diminuzione dei volume totale dei sistema acqua e cemento
       può essere distinta in variazione volumetrica che si verifica quando la
       miscela è ancora plastica (Ritiro plastico) e variazione volumetrica che si
       verifica nella pasta indurita (Ritiro idraulico). Entrambi sono stati misurati in
       un ambiente con condizioni termoigrometriche costanti (20 OC e 50% UR).
       In figura 4 è riportato l'andamento dei ritiro plastico nelle prime 48 ore. A 8
       ore si raggiunge un valore di circa 1.900 µm/m, mentre per tempi più lunghi
       le misure di variazione volumetriche si assestano a livelli inferiori. Il ritiro
       idraulico o da essiccamento, invece, controllato dopo una maturazione in
       acqua di 7 giorni, per un tempo di 5 mesi su dei provini di dimensione 1 0 x 1
       0 x 50 cm', ha registrato un valore massimo di circa 400 µm/m con un valore
       asintotico a 430 µm/m (figura 5).
5.2.6. Resistenza ai cicli di gelo e disgelo e Modulo elastica
       Per la determinazione della resistenza alla degradazione per cieli di gelo e
       disgelo si è seguita la normativa UNI 7087-72, utilizzando provini di
       dimensioni 10x10x40 cm. Dopo le iniziali fasi di stagionatura, protratte per 90
       giorni, alcuni provini sono stati sottoposti ai cicli di gelività. Per le dimensioni
       in esame la norma prevede cieli di 8 ore con temperature variabili da +5 °C
       in acqua a -25 °C in aria. Altri provini di riferimento, invece, sono stati
       conservati in normali condizioni per lo stesso periodo di tempo. La norma
       prevede inoltre che le prove, a meno di un precoce deterioramento, devono
       essere condotte per 300 cicli, misurando e confrontando i moduli elastici dei
       provini sottoposti ai cieli e quelli dei provini di riferimento. Nel caso in esame
       la prova è stata protratta fino ai 400 cicli. In tabella 7 è mostrato come varia il
       modulo elastico statico dei tre provini sottoposti a gelività, così come quello
       dei due di riferimento, all'aumentare del numero dei cicli.

5.3 Confronti e osservazioni
   A causa della ridottissima quantità d'acqua la malta allo stato fresco ha
   mostrato delle spiccate caratteristiche di coesione. Il notevole ritardo dei tempi
   di inizio e fine presa registrato (l'intervallo di circa tre ore può essere
   considerato normale) (par. 5.2.1.) può essere attribuito alla particolare
   composizione della malta. Inoltre il fatto che, per la malta esaminata, il bleeding
   è praticamente nullo, pur essendo di per sè un aspetto positivo, obbliga a un
   controllo accurato della stagionatura per limitare le conseguenze negative del
   ritiro plastico. Questo particolare ritiro avviene quando la velocità di
   evaporazione dell'acqua dalla superficie di un conglomerato cementizio fresco
   supera la velocità di essudazione o bleeding, causando fessurazioni. I risultati
   ottenuti (par. 5.2.5) evidenziano un ritiro massimo della malta, a 8 ore dal con-
   fezionamento, di circa 1 900 µm/m che è certamente superiore a quello di una
   analoga malta senza fumo di silice con normali rapporti acqua-cemento.
   Tuttavia in corrispondenza dei periodo di presa si registra un aumento di
   volume che riporta il valore di ritiro a circa 1200 µm/m. più usuale per una
   normale malta. In ogni caso il problema di eventuali fessurazioni viene
   facilmente risolto impedendo, attraverso dei fogli di politene o film adatti posti
   sulla superficie della malta, l'evaporazione dell'acqua durante la prima fase di

maturazione. I risultati delle resistenze a compressione (par. 5.2.2.) mostrano
          valori che, per stagionature oltre i 7 giorni, sono superiori ai 100 MPa; se
          confrontati con i valori forniti da analoghe malte preconfezionate per ripristino
          strutturale, segnano, alle varie stagionature, miglioramenti di più dei 30%.
          Anche le caratteristiche di resistenza a flessione e il modulo elastico (par.
          5.2.6.) mostrano sensibili miglioramenti. Le curve sforzo-deformazione complete
          della fase di post rottura (par 5.2.3 e fig. 2) evidenziano invece come la malta in
          esame abbia un comportamento fragile, dei resto prevedibile in quanto in
          generale una crescita delle resistenze conduce ad una accentuazione della
          fragilità. Inoltre la fig. 2 mostra come il diagramma sforzi-deformazioni sia
          sostanzialmente rettilineo fin quasi a rottura denotando un comportamento
          perfettamente elastico e una scarsa tendenza a deformarsi plasticamente
          (creep). Per una valorizzazione di questo materiale fragile risulta utile in fase
          pratica l'aggiunta di fibre che consente un apporto di risorse di duttilità. Inoltre le
          particelle ultrafini di fumo di silice, opportunamente disperse dal
          superfluidificante, aderiscono perfettamente alla superficie della fibra,
          aumentandone la resistenza allo sfilamento. Questa proprietà vale naturalmente
          anche per i ferri di armatura e può essere dimostrata dalle prove di sfilamento
          (pull-out). Per la particolare metodologia adottata (par. 5.2.4) ed inoltre per la
          mancanza di sicuri valori di confronto, sono state condotte delle apposite prove
          comparative su analoghe malte impiegate per ancoraggi. I risultati dei confronto
          sono mostrati in tabella 5. Il valore di ritiro da essiccamento (par. 5.2.5)
          registrato (400 µm/m) è nettamente inferiore ai valori di malte aventi analoghi
          contenuti di cemento e pari lavorabilità (1000 µ/m). Tale risultato è in relazione
          con i bassissimi rapporti al(c+s) che si possono realizzare impiegando la malta
          in esame, senza pregiudizio per la lavorabilità. Inoltre, grazie anche agli elevati
          valori di resistenza a trazione, essi lasciano prevedere l'assenza di fessurazioni
          a beneficio dell'impermeabilità e quindi della durabilità nel tempo. Infine la malta
          in esame, sottoposta ai cicli di gelo e disgelo, si è comportata in modo più che
          soddisfacente avendo fatto registrare, dopo 400 cicli, un sostanziale
          mantenimento dei valore iniziale dei modulo elastico statico. Questo risultato
          assume maggior rilievo tenendo conto che nella malta non è presente aria
          occlusa, come è confermato dal valore di densità in condizioni sature (2380
          kg/m3). Poiché questa malta potrebbe essere utilizzata per applicazioni speciali,
          sarebbe auspicabile l'esecuzione di prove di resistenza al gelo in presenza di
          sali disgelanti [17] e di prove atte a caratterizzare la resistenza all'usura [18].

6. CONCLUSIONI
   L'utilizzo dei fumo di silice negli impasti cementizi, accoppiato ad un opportuno
   superfluidificante, permette di confezionare impasti con bassissimo rapporto
   acqua/cemento + silice, mantenendo ancora buone lavorabilità. Ciò è reso possibile
   dall'elevatissima finezza di questo materiale che riempie i vuoti tra le particelle di
   cemento (effetto filler) e realizza un sistema estremamente compatto ed addensato,
   lasciando a disposizione dell'acqua un volume molto piccolo. Questo fatto, insieme ad
   una efficace azione pozzolanica, giustifica le elevatissime prestazioni che si possono
   ottenere con miscele cementizie modificate con fumo di silice, sia a livello di
   caratteristiche meccaniche, in particolare alle brevi stagionature, che a livello di
   durabilità nel tempo. I risultati delle prove sperimentali condotte su una malta
   .contenente fumo di silice e un additivo superfluidificante disperdente dei tipo
   naftalensolfonato (NSF) hanno infine consentito di verificare direttamente le
   prestazioni di tali miscele.

7. BIBLIOGRAFIA
   [1 ] Malhotra, V. M., Carette, G. G.: Silica Fume. A Pozzolan of new interest for use ín
   some concretes, Concrete Construction, May 1982, pp. 444-446.
   [2] Mehta, P. K., Giorv, 0. E.: Properties of Portland Cement Concrete containing Fly-
   Ash and Condensed Silica fume, Cement and Concrete Research, Vol. 12, pp. 587-
   595, 1982.
   [3] Buil, M., Pailliere, A. M., Roussel, B., High strongth mortars containing condensed
   Silica Fume, Cement and Concrete Research, vol. 14, pp. 693-704, 1984.
   [4] Buii, M., Pailliere, A. M., Utilisation des fillers ultrafins dans les betons, Symposium
   lnternational sur les Granulats, Nice, 21-23 mai 1984.

Tab. 7 Modulo elastico (Mpa) dei provini sottoposti a gelività e dei provini di riferimento

               Cicli   0             20             50            80            250           400

Provini
I                      47.500        49.000         50.600        49.800        40.700        38.200
II                     44.400        44.400         49.200        44.200        39.200        36.000
III                    45.900        46.100         50.200        50.300        42.400        41.000
IV Rif.                46.100        47.600         50.200        51.500        40.600        51.000

Tab. 8 Resistenza allo sfilamento della malta in esame (con fumo di silice) e di analoghe malte impiegate per
ancoraggi (A e B)

Tipo di malta                     Acqua %            Consistenza                   Sfilamento (Mpa)
                                                                              1 giorno          28 giorni

Malta con fumo di silice          7                  autolivellante              8,1              10,1
A                                 12                 autolivellante              4,9               8,2
B                                 13                 autolivellante              5,1               8,2