Materiali da costruzione ad attivazione alcalina: una nuova generazione di leganti senza cemento per il calcestruzzo - CPi worldwide
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TECNICA DEL CALCESTRUZZO
Parte 1: Basi e panoramica dell’industria
Materiali da costruzione ad attivazione
alcalina: una nuova generazione di leganti
senza cemento per il calcestruzzo
n Marijana Serdar and Antonino Runci, University of Zagreb, Croazia
Guang Ye, Delft University of Technology, Paesi Bassi
John Provis, University of Sheffield, Gran Bretagna
Frank Dehn, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Germania
Thanasis Triantafillou, University of Patras, Grecia
Guillaume Habert, ETH Zurigo, Svizzera
Stijn Matthys, Ghent University, Ghent, Belgio
Il calcestruzzo è un materiale che trova un uso versatile enorme problema per l’ambiente, dato che costituisce circa
nella costruzione di edifici e strutture di ingegneria civile l’8% delle emissioni antropogeniche di CO2 [2, 3]. La produ-
nonché nella costruzione di strade. Una speciale attenzione zione di clinker di cemento produce 0,53 t di CO2 per ogni
si dedica qui ai requisiti di durabilità delle opere in am- tonnellata di clinker dalla reazione di decarbonatazione del
biente marittimo. Il potenziale di crescita sociale ed econo- calcare e 0,34 t di CO2 per ogni tonnellata di clinker dalla
mica di queste opere in calcestruzzo è influenzato diretta- combustione di combustibili fossili a temperature fino a
mente dal mix design e dalla durabilità. Il rovescio dell’uso 1450 °C. Un contributo importante, anche se inferiore, alle
del calcestruzzo dipende dalle questioni di durabilità e emissioni di CO2 viene dalle fasi di macinazione e trasporto,
dei costi enormi per l’ambiente, in quanto l’industria del sulle quali però non si riesce ad intervenire con efficacia.
cemento è responsabile dell’8% delle emissioni antro-po-
geniche di biossido di carbonio al mondo. Inoltre, nel set- La rapida crescita della popolazione mondiale, in particolare
tore edile viene utilizzato circa il 60% di tutte le risorse non nelle aree urbane, e gli obiettivi globali di ridurre le emissioni
rinnovabili estratte, diventando così uno dei settori indu- di CO2 richiedono approcci risolutivi alternativi che il clas-
striali meno sostenibili. Vi è quindi la chiara richiesta di una sico cemento Portland non è in grado di offrire. L’industria
nuova generazione sostenibile di materiali da costruzione, del cemento ha iniziato a prendere in considerazione il ruolo
dato che il calcestruzzo basato sul cemento Portland (OPC) dei leganti alternativi come strumento di una maggiore so-
non è in grado di sostenere tutte le sfide della società mo- stenibilità, dato che il loro utilizzo consentirebbe di ridurre
derna per quanto riguarda la durabilità e la sostenibilità. Il notevolmente le emissioni di CO2 e comporterebbe potenziali
progetto DuRSAAM (Durable, Reliable, Sustainable, Alka- vantaggi in termini di performance. I materiali ad attivazione
li-Activated Materials) affronta la questione con la realizza- alcalina (AAM) sono uno di questi sistemi alternativi di leganti
zione di una rete di formazione e ricerca che contribuisce a e, come mostreremo in questo articolo, anche una futura
un’industria edile sostenibile e si concentra sull’uso di ma- alternativa realistica alle miscele tradizionali di cemento Port-
teriali da costruzione ad attivazione alcalina come nuova land. In questo modo si reagisce al fabbisogno di costruzioni
generazione di leganti senza cemento per il calcestruzzo. in calcestruzzo più efficienti, durature e sostenibili.
Per promuovere una crescita della società e dell’economia, Veniamo al punto dei materiali ad
strutturazione, durabilità e performance degli edifici rive- attivazione alcalina
stono un ruolo determinante. E qui il calcestruzzo offre la
possibilità di creare opere straordinarie, progettate normal- AAM è il nome generico che descrive un tipo di sistema di
mente per durare a lungo, in modo che gli oneri di carattere leganti il quale nasce dalla reazione di una fonte di metalli
materiale, ecologico, intellettuale e finanziario connessi alla alcalini (solida o sciolta) con una polvere solida di silicato di
costruzione possano avere la massima utilità. alluminio (geopolimeri compresi).
Oggi il calcestruzzo si basa essenzialmente sul comune I materiali di base utilizzati per il legante possono essere
cemento Portland (OPC, Ordinary Portland Cement) ed è il ricavati da numerosissimi sottoprodotti o scarti di altre
materiale da costruzione più usato al mondo, con un volume attività industriali. A seconda dei prodotti utilizzati, alcuni pos-
di produzione mondiale stimato in circa 2,6 miliardi di ton- sono essere utilizzati direttamente, mentre altri richiedono
nellate [1]. La produzione di cemento a ciò connessa è un ulteriori processi di produzione, quali ad es. macinatura,
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n Marijana Serdar, PhD, è professore assistente presso l’Istituto n Frank Dehn, Dr.-Ing., è professore di Tecnologia dei materiali
per la scienza dei materiali da costruzione, facoltà di Ingegneria da costruzione e responsabile dell’Istituto per la costruzione
civile, presso l’Università di Zagabria, in Croazia massiccia e la tecnologia dei materiali da costruzione, reparto
marijana.serdar@grad.unizg.hr Materiali da costruzione e costruzioni in calcestruzzo (IMB) non-
ché direttore dell’Istituto per la prova e la ricerca dei materiali di
Karlsruhe (MPA Karlsruhe) presso l’Istituto per la tecnologia di
n Antonino Runci, MSc, fa il dottorato nell’ambito del progetto Karlsruhe (KIT). frank.dehn@kit.edu
DuRSAAM presso la facoltà di Ingegneria civile all’Università di
Zagabria, Croazia. antonino.runci@grad.unizg.hr n Thanasis Triantafillou, PhD, è professore e responsabile del
reparto Ingegneria civile presso la University of Patras e direttore
dello Structural Materials Laboratory, nonché Visiting Global
Distinguished Professor presso la New York University di Abu
n Guang Ye, PhD, è professore associato presso l’Istituto per la Dhabi. ttriant@upatras.gr
scienza dei materiali da costruzione e tecnologia ambientale
presso l’Università tecnica di Delft nei Paesi Bassi e presidente n Guillaume Habert, PhD, ha la cattedra di Edilizia sostenibile ed
del gruppo di ricerca locale Modellazione del calcestruzzo e com- è professore associato presso l’ETH di Zurigo.
portamento del materiale. g.ye@tudelft.nl habert@ibi.baug.ethz.ch
n John Provis, PhD è professore di Scienza del cemento e dei
materiali da costruzione e vice responsabile del reparto Scienza
dei materiali e ingegneria presso l’University of Sheffield, Gran n Stijn Matthys, PhD, è professore di Risanamento edile presso
Bretagna. j.provis@sheffield.ac.uk l’Univeristà di Gand, Magnel-Vandepitte Laboratory for Structural
Engineering and Building Materials, Belgio.
stijn.matthys@ugent.be
calcinazione o attivazione termica a 700-900 °C. I materiali materiali già vengono utilizzati come additivo minerale per
di base utilizzati con maggiore frequenza sono: scorie di al- il clinker di cemento, in base alle norme e alle disposizioni
toforno derivanti dalla produzione di acciaio, cenere volante in vigore, ad es. EN 15167-1:2006 per le scorie di altoforno
proveniente dalle centrali a carbone e metacaolino ricavato macinate oppure EN 450-1:20012 per la cenere volante per
dalla calcinazione di caolino [4]. In Europa, quasi tutti questi il calcestruzzo. Nella produzione del calcestruzzo conven-
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zionale, questi materiali vengono utilizzati solo in piccoli • I sistemi a basso contenuto di calcio basati sull’attiva-
quantitativi in sostituzione del cemento. Nel caso di AAM que- zione dei materiali di base con basso contenuto di cal-
sti materiali vengono però sfruttati completamente. Inoltre, in cio, ad es. cenere volante o metacaolino e il prodotto
tutto il mondo si studia una vasta scelta di altri possibili mate- di reazione principale è un gel di alluminosilicato idrato
riali di base per verificarne l’idoneità, ad es. cenere di lolla di alcalino (N-A-S-H) e
riso, scorie di rame e zinco, fango rosso (residuo di bauxite, • i sistemi ad alto contenuto di calcio basati sull’attiva-
un prodotto di scarto dalla produzione di ossido di alluminio), zione dei materiali di base con alto contenuto di calcio,
argilla calcarea, residui della produzione di ferro-nichel, ad es. scorie e il prodotto di reazione principale è un gel
scorie di fosforo, vetro e zeolite vulcanici e sintetici e residui di alluminosilicato idrato di calcio (C-A-S-H).
dell’incenerimento dei rifiuti [4, 5].
Il concetto di AAM è illustrato in figura 1 e 1 m³ di calce-
L’attivatore è il secondo componente principale di AAM. Il struzzo AAM senza OPC libero è confrontato con 1 m³ di
suo ruolo è quello di garantire lo sviluppo iniziale della resi- calcestruzzo OPC convenzionale per una composizione no-
stenza e di aumentare la reattività pozzolanica della polvere minale della miscela che mira ad una resistenza alla com-
di alluminosilicati. Nel caso di AAM gli attivatori si basano su pressione del calcestruzzo di 50 MPa. La differenza è dovuta
un metallo alcalino, sodio o potassio, e un composto anio- fondamentalmente alla modifica del sistema di legante, ma
nico, spesso formato da idrossido o silicato oppure anche fa realizzare notevoli risparmi per quanto riguarda le materie
da carbonato o solfato. Il processo di attivazione può essere prime primarie, emissioni di CO2, messa in discarica e costi
accelerato aggiungendo alla polvere secca una piccola quan- finanziari.
tità di clinker di cemento o di una miscela minerale oppure
riducendo la granulometria dei materiali di base o con l’ag- Segue la descrizione di alcune importanti sfide per una appli-
giunta di calore. cazione più diffusa di AAM, con un approccio risolutivo messo
a punto nell’ambito del progetto DuRSAAM che si è occupato
L’attivatore può essere una soluzione liquida composta da di queste sfide [7]. DuRSAAM (Durable, Reliable, Sustainable,
uno o più componenti aggiunti ai materiali di base secchi. In Alkali-Activated Materials – materiali da costruzione durevoli,
questo caso, il materiale così prodotto può essere definito un affidabili, sostenibili, ad attivazione alcalina) presenta una
sistema bicomponente. Un cosiddetto sistema monocom- rete di sette partner accademici del mondo industriale, 13
po-nente viene prodotto aggiungendo una polvere attivante partner dell’industria e due organizzazioni pubbliche che si
secca ai materiali di base e mescolando in seguito acqua [4, 6]. concentrano sul corroborare il valore tecnologico di AAM
In generale, gli AAM possono essere suddivisi in due diverse come tecnologia efficace ed ecologicamente efficiente per
categorie, sulla base della composizione del prodotto finale: il calcestruzzo. Oltre a questo obiettivo di carattere econo-
EXCELLENCE IN CONCRETE PLANT MACHINES
Calcestruzzo tradizionale Mix design di AAM
245 kg di produzione di carbonio Nessuna produzione di carbonio (sottoprodotti)
525 kg di materie prime primarie Nessuna materia prima primaria
Agg Agg Acq Solo un piccolo quantitativo di attivatore
reg reg ua
ato ato C [17 kg]
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lan bbi o [35 1 m³ di calcestruzzo ne alcali
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1m³ di calcestruzzo AAM: Valore target è il 20% del mercato del calcestruzzo
ü Fa risparmiare 525 kg di materie prime nella produzione del nell’UE:
cemento ü Fa risparmiare 266 Mt/A di materie prime primarie
ü Fa risparmiare 245 kg di produzione di carbonio ü Fa risparmiare 10,2 Mt/A di produzione di carbonio
ü Consuma 680 kg di sottoprod. & aggregati riciclati (1) ü Consuma 69 Mt/A di sottoprod. & aggregati riciclati
ü Evita lo smaltimento di 70 kg di rifiuti (2) ü Evita 7 Mt/A di messa in discarica
ü Sostituisce~ 30 € di costi per il cemento (~ 50% dei costi del ü Efficienza in termini di costi, abbinata ad aspetti ambientali
calcestruzzo) grazie ad un approccio più conveniente dei costi positivi, mira ad un volume di mercato di 1B€/y (3)
(1) Assumendo il 20% di sostituzione con aggregati riciclati; (2) Assumendo che il 20% dei sottoprodotti siano rifiuti;
(3) 4 t di calcestruzzo all’anno e per abitante (UE-28: 512 milioni di abitanti nel 2017), con il 20% di produzione percentuale, costi di 30 €/m³ e peso 2,4 t/m³
Fig. 1: Confronto tra il calcestruzzo a base di cemento Portland e calcestruzzo geopolimerico in merito alla possibile
composizione della miscela e possibili effetti sull’ambiente
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mico, il progetto mira a formare una nuova generazione di esempio è la possibile graduale riduzione della disponibilità
ricercatori per quanto riguarda l’utilizzo ottimale del cal- della cenere volante dovuta agli annunci europei di abban-
ce-struzzo AAM, per un’industria edile sostenibile e creare, donare il carbone nell’industria che produce elettricità. Nei
quindi, una massa critica di ricercatori in grado di affrontare paesi emergenti e in via di sviluppo l’assenza di un’industria
le sfide multidisciplinari e trasversali a tutti i settori in rela- in cui ci sono dei sottoprodotti spesso è un ulteriore ostacolo
zione a questa tecnologia. I contenuti tematici compren- allo sviluppo e all’applicazione di AAM. Per questo motivo, è
dono la tecnologia dei leganti, la modellazione dei micro e determinante sostenere con una fornitura stabile lo sviluppo
macroprocessi, le caratteristiche del trasporto e la durabilità di AAM su residui di materiale disponibili localmente.
del calcestruzzo, la resistenza al fuoco, il comportamento a
lungo termine alla deformazione, le caratteristiche di soste- La tabella 1 riporta una stima approssimativa della disponi-
nibilità e gli aspetti pratici per quanto riguarda il mercato bilità delle materie prime secondarie rilevanti nelle regioni
dei materiali da costruzione, i nuovi metodi di costruire e dei partner del progetto DuRSAAM. Proiettato sull’Europa
produrre, il risanamento edile e lo sfruttamento delle risorse. e su tutto il mondo, corrisponde ad una fascia da milioni a
miliardi di tonnellate di residui minerali che possono essere
Sfide per un utilizzo più vasto del calcestruzzo AAM utilizzati per leganti senza cemento sulla base di AAM. La
tabella costituisce il punto di partenza per una panoramica
Catena di fornitura delle materie prime dei sottoprodotti industriali attualmente disponibili. Per
rendere gli AAM competitivi con altri leganti alternativi e il
Poiché AAM si basa su materie prime secondarie e su sotto- cemento Portland, dovrebbero essere a misura delle dispo-
prodotti industriali, il suo utilizzo contribuisce direttamente al nibilità e delle bisogni locali, per garantire che siano piena-
passaggio all’economia circolare e alla creazione di un vero mente soddisfatte le basi dell’economia circolare.
mercato per queste materie prime alternative. Tuttavia, per
garantire una fornitura stabile e continua degli AAM a livello Conclusioni e prospettiva
mondiale, è determinante valutare la sicurezza della fornitura
futura con questi materiali e la possibile evoluzione dei prezzi. Nella seconda parte di questo articolo saranno discussi il mix
È importante non sottovalutare il rischio di una catena di for- design, le caratteristiche del calcestruzzo fresco e indurito, gli
nitura instabile dei sottoprodotti più importanti che vengono esempi applicativi e gli aspetti del ciclo di vita delle strutture
utilizzati negli AAM, ad es. scorie e cenere volante. Un valido in calcestruzzo in AAM.
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Il materiale da costruzione AAM non offre soluzioni stan- possibile realizzarli a misura di un determinato scopo. Allo
dard per tutte le possibili applicazioni delle costruzioni in stesso tempo, questa capacità di adattamento e le numerose
calcestruzzo. I vantaggi essenziali di questi calcestruzzi sono combinazioni possibili costituiscono due delle maggiori sfide
piuttosto quelli dovuto al fatto che, grazie alla varietà delle per ogni generalizzazione di AAM e della relativa applica-
possibili combinazioni con le quali si possono produrre, è zione standardizzata nella prassi costruttiva. Altre sfide sono:
Tabella 1: Stima della disponibilità delle materie prime secondarie per AAM
Materia prima secondaria Quantità (t/a) Commento
Materiali di base comuni
Sabbia metallurgica ca. 250 milioni Molto utilizzata su alcuni mercati,
A livello mondiale (stima) ritenuta uno scarto su altri
Germania (stima) ca. 7 milioni 5,5 milioni vengono usati per il cemento
Grecia (stima) 100.000 Utilizzata in parte come additivo del
clinker nel cemento Portland
Cenere volante ca. 250 milioni Molto utilizzata su alcuni mercati,
A livello mondiale (stima) ritenuta uno scarto su altri
Germania (stima) ca. 3 milioni Materiale d’alta qualità, al 98% riutiliz-
zato nella produzione del cemento e
del calcestruzzo
Grecia (stima) 10 milioni Soltanto una frazione (
TECNICA DEL CALCESTRUZZO
l’assenza di una pluriennale esperienza con questo materiale Bekaert, alla città di Gand, alla cittá di Rotterdam, CRH, CWare,
di nuova tipologia, l’assenza di conoscenze approfondita FDN, Gradmont, LafargeHolcim, all’autorità per le opere
sulla compatibilità con vari aggiunti chimici e a lungo termine pubbliche nelle Fiandre, a Owens Corning, ResourceFull,
una catena di fornitura delle materie prime non sempre affi- Sanacon e Tepikat un saluto e vivo ringraziamento per il
dabile. loro ambizioso impegno a favore di approcci sostenibili nell’
industria edile per il loro sostegno a favore di DuRSAAM. n
Nell’ambito del progetto DuRSAAM vengono elaborate
soluzioni per alcune di queste sfide. Il progetto viene ela-
borato da un gruppo costituito da 13 giovani ricercatori che
si concentrano singolarmente nel dettaglio su un aspetto
specifico di AAM, ma collaborano nel complesso, per garan- Bibliografia
tire che le conoscenze tecniche elaborate diano un quadro
generale rilevante per l’industria e coerente. Le caratteris- [1] CEMBUREAU. ‘The european cement association, key facts & figu-
res’, http://www.cembureau.eu/about-cement/key-facts-figures’,
tiche prestazionali fondamentali del progetto costituiscono
2012 (besucht am 05.01.2013).
una solida base fondata sulla conoscenza di base dei men- [2] WWF-Lafarge Conservation Partnership, Ecofys: ‘A blueprint for a
tori accademici, sull’esperienza di mentori industriali e sulla climate friendly cement industry’, Nürnberg, 2009.
motivazione dei giovani ricercatori. [3] Scrivener, K.; Kirkpatrick, R.J. „Innovation in Use and Research
on Cementitious Material“, Cement and Concrete Research 38
(2):2008 128-136
Ringraziamenti [4] Provis, J., van Deventer, J., „Alkali-aktivated materials“, State of the
Art Report, RILEM TC 224-AAM, 2014, volume 13,
Il progetto DuRSAAM è stato finanziato dal programma di [5] Serdar, M.; Bjegovic, D.; Stirmer, N; Banjad Pecur, I. “Alternative
binders for concrete: opportunities and challenges,” no. October
ricerca e innovazione Horizon 2020 dell’Unione Europea, 2019, pp. 199–218, 2019.
nell’ambito dell’accordo di sovvenzione n. 813596. Un vivo [6] Luukkonen, T.; Abdollahnejad, Z.; Yliniemi, J.; Kinnunen, P.; Illikai-
ringraziamento ai dottorandi per le loro attività di ricerca che nen, M. One-part alkali-activated materials : A review, Cement and
Concrete Research vol. 103, no. 2017, pp. 21–34.
costituiscono il nocciolo dell’azione DuRSAAM. Alle organiz-
[7] http://www.dursaam.ugent.be/
zazioni partner DuRSAAM – ArcelorMittal, Argos, Aurubis,
www.cpi-worldwide.com C&PI – Calcestruzzo & Prefabbricazione International – 2 | 2021 17
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