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CarbonCure, la soluzione per il calcestruzzo sostenibile: casi di studio

Anche in Italia, dopo le esperienze fatte dai produttori di calcestruzzo negli Stati Uniti, in Canada e in diverse altre parti del mondo si sta avviando l'implementazione della tecnologia CarbonCure per la realizzazione di calcestruzzo sostenibile a ridotta impronta ambientale e migliore resistenza alla compressione. Con questo articolo si vuole presentare un caso di studio reale, sviluppato negli Stati Uniti.

 

CarbonCure: casi di studio della tecnologia

Anche in Italia, dopo le esperienze fatte dai produttori di calcestruzzo negli Stati Uniti, in Canada e in diverse altre parti del mondo si sta avviando l'implementazione della tecnologia CarbonCure per la realizzazione di calcestruzzo sostenibile a ridotta impronta ambientale e migliore resistenza alla compressione.

La notizia era stata data da INGENIO con l'articolo "Calcestruzzo sostenibile in Italia e in Europa grazie alla collaborazione tra Edilteco e CarbonCure Technologies" in cui si presentava l'arrivo della tecnologia sul territorio italiano.

Con questo articolo si vuole presentare un caso di studio reale, sviluppato negli Stati Uniti, in cui si esaminano i dati forniti da un produttore partner di CarbonCure che ha installato la tecnologia CarbonCure e ha utilizzato questo sistema per produrre calcestruzzo con un dosaggio ottimizzato di CO2.

Il calcestruzzo preparato con il sistema di iniezione della CO2 ha dimostrato la capacità di offrire prestazioni di resistenza alla compressione equivalenti con una riduzione del 5-8% del carico del legante, pur avendo un impatto neutro sulle proprietà del prodotto fresco, tra cui aria, slump e temperatura.

Sono state prodotti circa 34.400 m3 di calcestruzzo in un periodo di 10 mesi applicando una riduzione del 5% del legante assieme a una dose ottimizzata di CO2.

Il risparmio stimato di cemento ha superato le 600 tonnellate di cemento e sono state evitate oltre 550 tonnellate di emissioni di CO2.

L’uso della tecnologia non ha influito sul tempo di ciclo del produttore: tutte le operazioni sono proseguite normalmente durante questa valutazione.

L’azione della CO2 viene discussa in termini di impatti sui nanomateriali.

L’iniezione di anidride carbonica nella miscela di  calcestruzzo forma delle nanoparticelle di carbonato di calcio ben disperse, e questo consente ai produttori di calcestruzzo di comprendere i vantaggi derivanti dalle aggiunte di nanoparticelle, rimuovendo al contempo le comuni barriere tecniche o economiche.

La tecnologia offre valore al produttore di calcestruzzo, riducendone al contempo l’impatto ambientale.

 


I produttori di calcestruzzo preconfezionato negli Stati Uniti, Canada e Singapore stanno utilizzando la tecnologia del premiscelato di CarbonCure per adattare le loro formulazioni di miscela di calcestruzzo.

I miglioramenti della resistenza alla compressione derivanti da un’iniezione ottimizzata di CO2 consentono di produrre calcestruzzo senza compromettere le prestazioni o la durata. Da quando è stato introdotto sul mercato, sono stati prodotti oltre 3 milioni di metri cubi di calcestruzzo con la tecnologia CarbonCure che, a gennaio 2020, ha consentito di ottenere risparmi di materiale ed evitare emissioni di CO2 superiori alle 63.000 tonnellate.


 

La tecnologia

CarbonCure ha controllato l’erogazione di anidride carbonica nell'autobetoniera durante il dosaggio iniziale e la miscelazione. L’anidride carbonica è stata legata alla matrice cementizia sotto forma di prodotti di reazione del

carbonato solidi e stabili e ha avuto un impatto positivo sulle proprietà del calcestruzzo.

 

Metodi

Il calcestruzzo fresco è stato valutato mediante la misurazione in loco per i valori di slump, temperatura, contenuto d’aria e peso specifico. Il calcestruzzo è stato quindi gettato in cilindri da 10,16 cm x 20,32 cm (4" × 8") per le prove di resistenza alla compressione a 7, 14 e 28 giorni dopo il dosaggio.

Tutti i campioni di calcestruzzo sono stati preparati e testati in conformità con gli standard ASTM e ACI pertinenti.

La tecnologia del premiscelato di CarbonCure ha controllato l’erogazione della СО2 nel calcestruzzo. ln un processo che ricorda l’introduzione di un additivo chimico, il sistema di iniezione di CarbonCure è stato collegato a un serbatoio di СО2 liquida. Il liquido è stato dosato in modo da erogare una dose ottimale di СО2 nel tamburo del camion betoniera nel momento stesso del carico del calcestruzzo. Al suo ingresso nel miscelatore, l’anidride carbonica liquida si è trasformata in una miscela di gas СО2 e neve di anidride carbonica solida, dopo di che ha reagito con il cemento idratato per formare particelle solide di carbonato di calcio.

Il calcestruzzo è stato quindi sottoposto a valutazione e prove.

Tutti i campioni sono stati raccolti da camion che trasportavano 6,9 m3 di una miscela residenziale con una resistenza di progetto di 3000 psi. La formulazione di miscela del calcestruzzo ha utilizzava un sistema di leganti ternari di cemento Portland, ceneri volanti di classe F e scorie.

Per illustrare il potenziale della СО2 nell’ottimizzazione del mix-design, è stato condotto un confronto a tre vie tra una miscela standard, una miscela con contenuto di legante ridotto e una miscela con contenuto di legante ridotto che ha utilizzato una dose ottimizzata di СО2. Sono stati esaminati due modelli di miscela, includendo o escludendo gli additivi aerati. I carichi di legante rilevanti per le formulazioni di miscela sono riepilogati nella Tabella 1.

CarbonCure, la soluzione per il calcestruzzo sostenibile: casi di studio

 

Sono state incluse anche delle piccole modifiche dei carichi di aggregati fini per garantire il mantenimento della resa in seguito alla riduzione del carico di legante.

La riduzione del legante comporta una diminuzione del volume della pasta, ma può anche servire ad aumentare leggermente il rapporto acqua/cemento e il carico di additivo per unità di legante. Il primo effetto dovrebbe avere un impatto negativo sullo sviluppo della resistenza, mentre il secondo dovrebbe avere un impatto neutro.

 

Risultati del miglioramento della resistenza

Nella Tabella 2 viene illustrata una panoramica delle proprietà del fresco per i carichi prodotti durante il ciclo di produzione. 

 

CarbonCure: casi di studio della tecnologia

 

 

La resistenza alla compressione media misurata per ogni miscela in tre età di prova è riassunta in Figura 1.

 

La modifica del legante nella miscela non aerata ha comportato una riduzione della resistenza in tutte le età, compreso un calo del 17% della resistenza alla compressione a 28 giorni.

Tuttavia, quando è stata aggiunta l’anidride carbonica, la resistenza della miscela con contenuto di legante ridotto è migliorata fino a mantenersi entro il 4% del riferimento a 28 giorni.

Lo studio ha rappresentato il primo tentativo di una formulazione di miscela ottimizzata ed è stato osservato che ulteriori aggiustamenti alla formulazione di miscela modificata e/o alla dose di CO2 dovrebbero stabilire che l’aggiunta di CO2 può determinare prestazioni almeno equivalenti in tutte le età.

I dati a 28 giorni hanno suggerito che un’iniezione di CO2, in combinazione con una riduzione del legante dell’ordine del 7%, può creare un calcestruzzo che mantiene intatte le sue prestazioni.

La riduzione del legante nella miscela aerata ha portato a un calo dell’11-13% della resistenza alla compressione nelle tre età di prova.

 

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Figura 1: Sviluppo della resistenza alla compressione di carichi di prova del calcestruzzo non aerato (A) e aerato (B).

Per ogni miscela, il cliente ha messo a confronto 3 casi: Una miscela standard (blu scuro),

la miscela standard con una riduzione del carico di legante (azzurro) e la miscela standard con una

riduzione del carico di legante e l’ulteriore aggiunta di una dose ottimizzata di CO2 (arancione).

Sono state applicate riduzioni del legante rispettivamente dell’8% per le variazioni non aerate e del 7% per quelle aerate.

 

Tuttavia, quando è stata aggiunta l’anidride carbonica, la resistenza della miscela con contenuto di legante ridotto è migliorata fino ad essere equivalente a quella della miscela standard.

I benefici riscontrati sulla resistenza hanno confermato due importanti risultati:

  1. Una riduzione del carico del legante comporta una riduzione della resistenza alla compressione
  2. La riduzione della resistenza potrebbe essere compensata attraverso l’introduzione della CO2 nella miscela di calcestruzzo in fase di dosaggio

La conclusione è stata esaminata nella produzione estesa.

 

Risultati della produzione estesa con CarbonCure

Per le prove estese, sono state selezionate tre formulazioni di miscela per valutare il miglioramento delle prestazioni della CO2 su una gamma di classi di resistenza del calcestruzzo.

È stato valutato lo sviluppo della resistenza alla compressione di miscele con resistenze di progetto a 28 giorni di 3000, 5500 e 8000 psi utilizzando la CO2 con riduzioni del carico del legante rispettivamente del 4,5%, 4,4% e 3,1%.

Nelle Figure 2-4 sono riportati i risultati della resistenza alla compressione a 7 e 28 giorni per ciascuna formulazione di miscela rispetto a intervalli grafici di dati storici che rappresentano la media, il 10° percentile e il 90° percentile per la miscela non modificata.

 

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Figura 2: Sviluppo della resistenza alla compressione di una miscela aerata da 3000 psi.

I riquadri blu rappresentano l’intervallo storico delle prestazioni di resistenza alla compressione (dal 10° al 90° percentile),

mentre i cerchi arancioni rappresentano le resistenze alla compressione dei carichi della miscela preparata

con una riduzione del 4,3% del contenuto di legante (riduzione del 5,7% del contenuto di cemento) e una

dose ottimizzata di CO2. I baffi indicano i dati storici massimi e minimi.

 

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Figura 3: Sviluppo della resistenza alla compressione di una miscela da 5500 psi progettata per applicazioni ad elevata resistenza iniziale.

I riquadri blu rappresentano l’intervallo storico delle prestazioni di resistenza alla compressione (dal 10° al 90° percentile), mentre i cerchi arancioni rappresentano le resistenze alla compressione dei carichi della miscela preparata con una riduzione del 4,4% del

contenuto di legante (riduzione del 4,4% del contenuto di cemento) e una dose ottimizzata di CO2.

I baffi indicano i dati storici massimi e minimi.

 

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Figura 4: Sviluppo della resistenza alla compressione di una miscela da 8000 psi.

I riquadri blu rappresentano l’intervallo storico delle prestazioni di resistenza alla compressione (dal 10° al 90° percentile), mentre i cerchi arancioni rappresentano le resistenze alla compressione dei carichi della

miscela preparata con una riduzione del 3,1% del contenuto di legante (riduzione del 6,0% del contenuto di cemento) e una dose ottimizzata di CO2.

I baffi indicano i dati storici massimi e minimi.

 

 

In ogni caso, l’aggiunta di un dosaggio ottimizzato di CO2 ha dimostrato di far rientrare le prestazioni della miscela di calcestruzzo con un carico di legante ridotto entro l’intervallo di prestazioni previsto sulla base dei dati storici.

La media e la variazione delle miscele di CO2 con contenuto di legante ridotto sono state coerenti con i dati storici della miscela non modificata.

È stata assicurata la produzione accettabile di miscele che utilizzano la CO2 e un carico di legante ridotto in diversi intervalli di classi di resistenza.

Il successo di queste due valutazioni ha spinto il produttore di calcestruzzo premiscelato ad applicare la tecnologia del calcestruzzo premiscelato di CarbonCure nella sua produzione. Nell’arco di 10 mesi, da marzo a dicembre, la CO2 è stata iniettata in circa 43.000 m3 di calcestruzzo, con una riduzione media del cemento del 5%.

L’implementazione estesa della tecnologia ha comportato un risparmio di 600 tonnellate di cemento e, secondo le informazioni sulle emissioni specifiche per il cemento, sono state evitate 530 tonnellate di emissioni di CO2 (Figura 5).

 

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Figura 5: Risparmio totale di cemento (arancione) ed emissioni di CO2 evitate (grigio) per un produttore che utilizza la tecnologia del premiscelato di CarbonCure insieme a una riduzione del cemento del 5% nell’arco di 10 mesi.

Queste riduzioni sono state totalizzate tramite la produzione di circa 43.000 m3 di calcestruzzo.

 

Questi dati sui clienti provano che i produttori possono sfruttare l’effetto di aumento della resistenza della CO2 per ottenere modifiche del legante con diverse motivazioni:

  • Economiche: ridurre la quantità complessiva di legante può far risparmiare denaro, e si può ridurre in maniera prioritaria i componenti più costosi.
  • Prestazioni: si possono ricercare i vantaggi in termini di durabilità relativi a una maggiore proporzione di scorie e/o ceneri volanti nel legante, senza compromettere lo sviluppo iniziale della resistenza.
  • Ambientale: la riduzione dell’utilizzo del cemento porta direttamente a evitare le emissioni di CO2, consentendo così di ridurre l’impronta di carbonio della miscela.

 

Il Meccanismo di CarbonCure

Quando la CO2 liquefatta viene iniettata nel calcestruzzo umido, la CO2 reagisce chimicamente con gli ioni calcio rilasciati dal cemento per formare particelle di carbonato di calcio solide e di dimensioni nanometriche che si legano al calcestruzzo in maniera permanente.

È noto che le principali fasi cementizie, silicato tricalcico e silicato bicalcico, reagiscono con l’anidride carbonica in presenza di acqua per formare carbonato di calcio1.

La reazione procede allo stato acquoso quando gli ioni calcio delle fasi cementizie incontrano gli ioni carbonato della CO2 applicata.

La reazione dell’anidride carbonica con il calcestruzzo indurito è generalmente riconosciuta come un problema di durabilità per via di effetti quali ritiro, riduzione del pH della soluzione dei pori e corrosione indotta dalla carbonatazione.

Al contrario, l’utilizzo dell’anidride carbonica nella produzione del calcestruzzo fa reagire la CO2 con il cemento idratato in fase fresca anziché con i prodotti presenti nel calcestruzzo maturo, quindi non presenta gli stessi effetti. Di conseguenza non vi è alcun impatto sulla durabilità2.

In virtù dell’aggiunta di CO2 al calcestruzzo miscelato in fase fresca, i prodotti di reazione del carbonato si formano all’interno della miscela di calcestruzzo su scala nanometrica e si distribuiscono in modo omogeneo.

La Figura 6 mostra un esempio di un prodotto di reazione su nanoscala formatosi in seguito all’introduzione della CO2 in un campione di cemento idratato prodotto in un test di laboratorio associato.

 

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Figura 6: Prodotti di reazione del carbonato di calcio su nanoscala (100-150 nm) realizzati attraverso la carbonatazione di cemento idratato in fase fresca, come illustrato dalla microscopia elettronica a scansione.

 

Sebbene sia noto che l’aggiunta di particelle di carbonato di calcio di dimensioni nanometriche possa essere utilizzata per influire sull’idratazione del cemento3, i produttori di calcestruzzo che cercano di aggiungere nanoparticelle a una miscela di calcestruzzo incorrono spesso in problemi di carattere tecnico (ad es. difficoltà a ottenere una dispersione omogenea), operativo (ad es. disponibilità e/o qualità della fornitura) ed economico (ad es. costi)4.

L’aggiunta di CO2 liquefatta iniettata nella miscela di calcestruzzo consente ai produttori di calcestruzzo di produrre il nano-CaCO3 all’interno della miscela di calcestruzzo al momento della produzione.

In questo modo il produttore può realizzare i vantaggi del nano-CaCO3 evitando così questi problemi comuni.

 

Conclusioni

L’integrazione su scala industriale del sistema di calcestruzzo premiscelato di CarbonCure in un ambiente di produzione di calcestruzzo ha dimostrato la capacità di sfruttare la CO2 come nuovo strumento per l’ottimizzazione della formulazione di miscela. Combinando le proprietà di aumento della resistenza di una dose ottimizzata di CO2 con carichi di legante ridotti, i produttori di calcestruzzo sono in grado di ottenere prestazioni di resistenza alla compressione equivalenti a 28 giorni e con un impatto ambientale ridotto.

 

Bibliografia

  1. R. L. Berger, J. F. Young, K. Leung, Nature: Physical Science. 240, 16–18 (1972).
  2. S. Monkman, M. MacDonald, R. D. Hooton, P. Sandberg, Cement and Concrete Composites. 74, 218–224 (2016).
  3. T. Sato, F. Diallo, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. 2141, 61–67 (2010).
  4. Raki, L., Beaudoin, J., Alizadeh, R., Makar, J. & Sato, T. Cement and Concrete Nanoscience and Nanotechnology. Materials 3, 918–942 (2010).

 

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