Materiali cementizi supplementari (SCM): come mantenere lavorabilità e prestazioni del calcestruzzo

Una delle strategie chiave per raggiungere la completa decarbonizzazione del cemento entro il 2050 è la sostituzione del clinker con materiali cementizi supplementari (SCM), con l'obiettivo di ridurre l'impronta di carbonio del cemento minimizzando l'impatto sulle sue prestazioni.

Tuttavia, la disponibilità di SCM reattivi e facili da usare è limitata, soprattutto se si considerano le ceneri volanti e le loppe (loppe di altoforno granulate macinate, GGBS), entrambe sottoprodotti di industrie sottoposte alla stessa pressione per ridurre le emissioni di carbonio. Di conseguenza, le opzioni di sostituzione del clinker si concentrano sempre più sul calcare e sulle argille calcinate, nonché sulle pozzolane naturali, ove disponibili. Esistono oggi anche nuove opportunità di additivi derivanti dal riciclo del calcestruzzo come le polveri di calcestruzzo riciclate.

Il calcare, le pozzolane naturali, l'argilla calcinata e le polveri fini di calcestruzzo riciclato possono avere un notevole potere assorbente, che influisce sulle prestazioni sia del cemento che del calcestruzzo.

---

Additivi per cemento per migliorarne le prestazioni

Il contributo degli additivi per cemento nel processo di riduzione del contenuto di clinker è ben noto e riconosciuto. Le serie MasterCem ES e MasterCem LS di Master Builders Solutions, che migliorano le prestazioni favorendo lo sviluppo delle resistenze alla compressione sia in fase iniziale che in fase avanzata, consentono ai cementi con un ridotto contenuto di clinker di raggiungere resistenze meccaniche paragonabili a quelle dei cementi di riferimento con un fattore clinker più elevato. Poiché essi   migliorano anche l'efficienza di macinazione, consentono di produrre cementi con un contenuto di SCM più elevato senza perdite di produttività e, nella maggior parte dei casi, con un aumento della stessa.

Per questo motivo, l'industria del cemento sta attualmente passando dagli ausili dai tradizionali coadiuvanti di macinazione di base agli additivi per cemento che migliorano le prestazioni.

"Le serie MasterCem ES e MasterCem LS di Master Builders Solutions, che migliorano le prestazioni, favorendo lo sviluppo delle resistenze a compressione sia nella fase iniziale che a maturazione avanzata, consentono ai cementi con un ridotto contenuto di clinker di raggiungere resistenze meccaniche paragonabili a quelle dei cementi di riferimento con un fattore clinker più elevato".

Con l'aumento del contenuto di SCM o l'implementazione di nuovi SCM, è necessario considerare la potenziale natura assorbente di questi materiali, che impatta negativamente le prestazioni del cemento in calcestruzzo. Progettata appositamente per questo scopo, la serie MasterCem SW, che migliora le resistenze e la lavorabilità, consente al cemento di superare l'impatto negativo di questa natura assorbente, agendo non solo come promotore di resistenza, ma anche contribuendo a correggere l'aumento della richiesta di acqua tipico dei cementi che incorporano SCM assorbenti come pozzolane naturali, calcari fini e, in particolare, argille calcinate.

"Uno dei principali problemi associati all'uso di materiali assorbenti nel cemento è che possono favorire una perdita prematura di fluidità. Poiché questi SCM assorbono progressivamente acqua nel tempo, la miscela di calcestruzzo perde lavorabilità, il che la rende inadatta per una corretta posa."

La figura 1 illustra, a titolo esemplificativo, gli effetti attesi delle tre principali famiglie di additivi, un coadiuvante di macinazione standard, MasterCem ES/LS (potenziatori di resistenza) e MasterCem SW (potenziatori di resistenza e lavorabilità) nel processo di ottimizzazione di un cemento CEM II/A-L 42,5 (80% di clinker), sostituendo un ulteriore 10% di clinker con argilla calcinata.

Non essendo i coadiuvanti di macinazione standard efficaci nel migliorare la richiesta di acqua, si osserva una riduzione della fluidità della malta. La perdita di resistenza a compressione a brevi e lunghe stagionature può essere compensata utilizzando prodotti della serie MasterCem ES/LS. Con i prodotti della serie MasterCem SW è inoltre possibile compensare l'impatto sulla richiesta di acqua e, di conseguenza, la ridotta fluidità della malta, mantenendo le migliori prestazioni sia in fase iniziale che successivamente per il tempo necessario a trasporto e posa.

Con un uso appropriato degli additivi per cemento, è possibile ottimizzare il fattore clinker senza alterare le caratteristiche principali del cemento stabilite nei controlli di routine o le sue proprietà dichiarate.

La sfida: il mantenimento di lavorabilità nel calcestruzzo

Nella produzione del calcestruzzo, sono comuni tempi di lavorabilità richiesti di 60-120 minuti. Ciò significa che, dopo essere stato prodotto nell'impianto, il calcestruzzo deve mantenere la sua classe di consistenza (livello di fluidità) durante questo periodo.

Uno dei principali problemi associati all'uso di materiali assorbenti nel cemento è che possono favorire una perdita prematura di fluidità. Poiché questi SCM assorbono progressivamente acqua nel tempo, la miscela di calcestruzzo perde lavorabilità, rendendola inadatta per una corretta posa. Questo fenomeno è particolarmente critico nelle applicazioni che richiedono un trasporto prolungato del calcestruzzo o in strutture complesse dove il materiale deve rimanere lavorabile anche per diverse ore.

La realtà e l'esperienza confermano che quando si lavora con cementi contenenti argilla calcinata, pozzolana naturale o calcari fini, la richiesta iniziale di acqua, così come lo sviluppo delle resistenze a compressione, possono essere efficacemente gestiti con additivi per cemento. Tuttavia, in molti casi non è possibile, con dosaggi ragionevoli di un additivo per cemento, prevenire la perdita di lavorabilità del calcestruzzo che si verifica nei primi 30 minuti dopo la miscelazione, a causa della natura assorbente degli SCM utilizzati. Un'indicazione di questo comportamento può già essere osservata nelle paste preparate miscelando SCM macinati con una “pore solution”, ossia una soluzione salina opportunamente progettata in laboratorio per simulare le concentrazioni ioniche in una pasta di cemento, fornendo così un ambiente realistico per gli studi sull'adsorbimento dei superfluidificanti.

"In base alla nostra esperienza, un uso appropriato degli additivi per cemento che migliorano la lavorabilità può evitare la necessità di aumentare il dosaggio di super fluidificanti nel calcestruzzo a causa di un maggiore richiesta di acqua. Tuttavia, questo spesso non basta a risolvere completamente il problema della perdita di fluidità senza il rischio di sovradosaggio e di effetti negativi sullo sviluppo delle resistenze".

La figura 2 mostra l'evoluzione della fluidità delle paste preparate con argilla calcinata, pozzolana naturale e calcare rispetto al CEM I puro miscelato con acqua. Queste paste sono state preparate con un rapporto acqua di SCM/cemento di 0,40 con additivo super fluidificante (come nella produzione del calcestruzzo), regolando il dosaggio per ottenere una fluidità iniziale della pasta simile a 120 mm.

Grazie alla loro natura adsorbente, questi SCM possono causare una significativa perdita di fluidità, soprattutto nei primi 30 minuti dopo la miscelazione, insieme ad un aumento della richiesta di super fluidificanti, in particolare con l'argilla calcinata.

In base alla nostra esperienza, un uso corretto degli additivi per cemento che migliorano la lavorabilità può evitare la necessità di aumentare il dosaggio di superfluidificanti nel calcestruzzo a causa di un maggiore richiesta di acqua, ma spesso non è in grado di risolvere completamente il problema della perdita di fluidità senza il rischio di sovradosaggio e di effetti negativi sullo sviluppo delle resistenze. Questa limitazione deriva dal fatto che il meccanismo chiave per prolungare la fluidità nei sistemi cementizi si basa sul bilanciamento tra la frazione di superfluidificante che viene adsorbita (attiva) e la frazione che rimane inattiva in soluzione fino a quando non si assorbe sulle nuove superfici idrate, ripristinando l'effetto disperdente.

"Grazie alla loro natura assorbente, questi SCM possono causare una significativa perdita di fluidità, soprattutto nei primi 30 minuti dopo la miscelazione, insieme a un aumento della domanda di super fluidificanti, in particolare con l'argilla calcinata".

Ovviamente, questo meccanismo non può verificarsi nella "miscelazione a secco" che avviene nel mulino del cemento durante la macinazione.

Approccio sinergico cemento-calcestruzzo: il modo più efficiente per mitigare i problemi di mantenimento della lavorabilità

Per mitigare in modo efficiente ed economico i problemi di mantenimento della lavorabilità nel calcestruzzo prodotto con cementi contenenti aggiunte assorbenti, è necessario un approccio olistico e sinergico, che consideri additivi chimici in grado di funzionare efficacemente insieme sia nella fase di produzione del cemento che in quella di betonaggio.

Grazie alla lunga esperienza nella ricerca e sviluppo di additivi per calcestruzzo e cemento, Master Builders Solutions ha progettato la tecnologia MasterCO₂re specificamente per queste situazioni che prevedono l'aggiunta di SCM assorbenti.

Combinando correttamente gli additivi MasterCO₂re nel calcestruzzo con cemento trattato con gli additivi MasterCEM ES e MasterCEM LS, è possibile produrre calcestruzzo che mantiene la fluidità per periodi prolungati nonostante il carattere assorbente degli SCM.

La figura 3 illustra una situazione che può verificarsi in relazione alle limitazioni nel mantenimento della lavorabilità dei calcestruzzi prodotti con cementi contenenti meno clinker e, in questo caso, una pozzolana naturale rispetto a un cemento di riferimento di tipo CEM II/A-L con un contenuto di clinker più elevato.

Il calcestruzzo utilizzato in questo test corrisponde alla classe C25/S3 con 275 kg/m³ di cemento e un rapporto a/c di 0,60. Il valore Blaine del CEM II/A-L è 4900 cm²/g e del CEM II/B-M (P-L) è 5250 cm²/g, a dimostrazione della maggiore finezza di quest'ultimo.

Una simile resistenza a compressione del calcestruzzo può essere ottenuta con l'uso di una tecnologia appropriata di additivi per cemento, come gli additivi che migliorano le prestazioni.

Tuttavia, quando si utilizza super fluidificanti convenzionali, si osserva che, oltre a presentare una lavorabilità iniziale inferiore (che potrebbe essere corretta con un additivo miglioratore della lavorabilità del cemento per ridurre il dosaggio iniziale di super fluidificante e ottenere una fluidità iniziale simile), il calcestruzzo non è in grado di mantenere la sua classe di consistenza. Anche aumentando il dosaggio del superfluidificante convenzionale per eguagliare la lavorabilità iniziale del calcestruzzo di riferimento, non è comunque possibile migliorare in modo significativo il mantenimento della lavorabilità nel tempo. Questo problema può essere risolto grazie alla nuova tecnologia superfluidificante MasterCO₂re, ed il mantenimento della lavorabilità nel tempo può essere notevolmente migliorato.

"...i progressi nella chimica dei superfluidificanti possono risolvere in modo efficiente ed economico la potenziale perdita prematura di lavorabilità del calcestruzzo".

Gli additivi per cemento che ne aumentano la resistenza (insieme all'aumento della finezza) consentono di regolare lo sviluppo della resistenza del cemento senza causare perdite di produttività nel mulino, nonostante l'aumento della finezza. Gli additivi che migliorano la resistenza e la lavorabilità possono compensare l'impatto dell'assorbimento degli SCM sulla richiesta iniziale di acqua e sulla fluidità iniziale della malta/del calcestruzzo. Il modo più efficace ed economico per compensare l'impatto sul mantenimento della lavorabilità è l'approccio sinergico che prevede l'uso aggiuntivo di nuovi superfluidificanti per calcestruzzo.

Conclusione

La decarbonizzazione del cemento attraverso una maggiore sostituzione del clinker con SCM è una strategia fondamentale ed efficace per ridurre l'impronta di carbonio nell'edilizia. Tuttavia, sebbene disponibili ed economici, gli SCM assorbenti pongono sfide significative relative al mantenimento della lavorabilità slump del calcestruzzo.

Per affrontare questa sfida è necessario un approccio integrato in cui i trattamenti chimici nel cemento e nel calcestruzzo agiscano in modo sinergico. Riconoscendo che le soluzioni non sono sempre tecnicamente o economicamente sostenibili quando si affrontano esclusivamente gli effetti dell'assorbimento degli SCM con additivi per cemento, è necessario sottolineare che i progressi nella chimica dei super fluidificanti possono risolvere in modo efficiente ed economico la potenziale perdita prematura di lavorabilità del calcestruzzo.

Grazie a questa strategia, è possibile migliorare l'impatto ambientale del cemento stesso, garantendo al contempo che tali cementi più sostenibili possano essere utilizzati efficacemente nei moderni progetti di costruzione, dove si compiono sforzi crescenti per ridurre l'impronta di CO₂ del calcestruzzo.

SCOPRI DI PIU' SUGLI ADDITIVI PER CEMENTO MASTERCEM

---

Tradotto in Italiano dall’articolo originale intitolato “Mastering the challenges of absorbent SCMs” by Pere Borralleras and Mario Vierle, Master Builders Solutions, pubblicato sul numero di Dicembre 2025 della International Cement Review (www.CemNet.com).

Translated into Italian from the original article entitled “Mastering the challenges of absorbent SCMs” by Pere Borralleras and Mario Vierle, Master Builders Solutions, published in the December 2025 issue of International Cement Review (www.CemNet.com).

---

FAQ tecniche - SCM e cementi a basso contenuto di clinker

Che cosa sono gli SCM e perché vengono utilizzati nel cemento?
Gli SCM (Supplementary Cementitious Materials) sono materiali aggiunti al cemento per sostituire parte del clinker. Possono essere sottoprodotti industriali o materiali naturali, come ceneri volanti, loppe d’altoforno, pozzolane naturali, calcari fini e argille calcinate. Il loro impiego consente di ridurre le emissioni di CO₂ legate alla produzione del clinker e migliorare alcune proprietà del cemento.

In quali contesti vengono utilizzati gli SCM assorbenti?
Gli SCM assorbenti sono sempre più impiegati nei cementi a basso contenuto di clinker, in particolare quando la disponibilità di ceneri volanti o loppe è limitata. Argille calcinate, pozzolane naturali e filler calcarei vengono utilizzati nella produzione di cementi compositi destinati a calcestruzzi strutturali, infrastrutture e opere civili con obiettivi di riduzione dell’impronta ambientale.

Quali problemi tecnici possono generare gli SCM ad elevata capacità di assorbimento?
La principale criticità riguarda l’aumento della richiesta di acqua e la conseguente riduzione della lavorabilità del calcestruzzo. L’assorbimento progressivo di acqua da parte degli SCM può provocare una perdita prematura di fluidità, rendendo più difficile mantenere la classe di consistenza durante le fasi di trasporto, pompaggio e posa.

Quali vantaggi offrono gli additivi per cemento rispetto ai tradizionali coadiuvanti di macinazione?
Gli additivi per cemento di nuova generazione non si limitano a migliorare l’efficienza di macinazione, ma agiscono anche sullo sviluppo delle resistenze meccaniche e sulla lavorabilità delle miscele. Ciò consente di produrre cementi con maggiore contenuto di SCM mantenendo prestazioni comparabili ai cementi con un fattore clinker più elevato.

Quali indicazioni progettuali e di produzione sono rilevanti per gestire gli SCM assorbenti?
È importante considerare l’interazione tra composizione del cemento, finezza di macinazione e dosaggio degli additivi. La progettazione della miscela deve tenere conto della richiesta d’acqua, del comportamento reologico e della compatibilità tra cemento, additivi e superfluidificanti utilizzati nel calcestruzzo.

Quali effetti hanno queste tecnologie su durabilità, prestazioni e sostenibilità?
La sostituzione del clinker con SCM consente una significativa riduzione delle emissioni di CO₂ associate al cemento. Se correttamente progettate, le miscele possono garantire adeguate prestazioni meccaniche e durabilità nel tempo, mantenendo al contempo le caratteristiche reologiche necessarie per le operazioni di getto e compattazione.