Metodologia LG Omya per miscele cementizie a bassa impronta di carbonio

L’articolo analizza la LGMethodology sviluppata da Omya per la progettazione di miscele cementizie a bassa impronta di carbonio. Il focus è sulla riduzione del contenuto di clinker e sull’uso sinergico di carbonati di calcio fini e ultrafini (GCC) per ottimizzare lavorabilità, packing e resistenze iniziali. Il metodo, basato su prove preliminari di laboratorio su malta equivalente CEN, consente di valutare in modo sistemico cemento, sabbie, acqua e additivi. Un caso applicativo mostra come mantenere le prestazioni target riducendo la CO₂ associata al legante.

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Riduzione del clinker e soluzioni a bassa CO₂ nei sistemi cementizi

La produzione di cemento è responsabile di quasi l'8% delle emissioni globali di CO₂, e una delle strategie fondamentali per ridurre l'impronta di carbonio di questi materiali è la riduzione del rapporto clinker/cemento, in linea con il Net Zero Scenario 2050 raccomandato dall'Agenzia Internazionale dell'Energia (AIE).

Il Cembureau, ora diventato Cement Europe, indica cinque leve possibili per la riduzione della carbon footprint per arrivare nel 2050 al Netzero:

 

Una delle cinque leve riguarda l’utilizzo di cementi a minor tenore di clinker o la sostituzione di clinker/cemento con materiali cementizi supplementari (SCM) come le loppe d'altoforno granulate (GGBS), le pozzolane, argille calcinate o le ceneri volanti nei sistemi cementizi calcestruzzo, malte e precast.

Oltre a questi materiali, una valida soluzione può essere data dall’utilizzo di carbonati di calcio fini e ultrafini (GCC) ad alta purezza e basse emissioni di carbonio, poiché con essi si può migliorare lavorabilità, densità di impaccamento delle particelle e sviluppo iniziale delle resistenze a breve termine, senza compromettere le prestazioni a lungo termine.

In alcuni Paesi del mondo, l’utilizzo in calcestruzzo di questa tipologia di materiali è regolato da norme locali specifiche - come ad esempio, Francia, Regno Unito, Paesi Bassi, Stati Uniti - mentre più in generale in Europa, rientra nell’ambito della normativa EN 12620. Inoltre, sull’utilizzo di questi materiali in calcestruzzo è in preparazione e fase di prossima emissione una norma Europea specifica (prEN18136 – Draft, “Ground limestone for concrete - Definition, specifications and conformity criteria”) con l’obiettivo di specificare i requisiti per le proprietà chimiche e fisiche del calcare macinato da utilizzare come aggiunta in calcestruzzo, malte e boiacche cementizie.

 

Il carbonato di calcio (Ground Calcium Carbonate – GCC) fine e ultrafine di Omya ha origine da rocce carbonatiche composte da minerali puri, con un processo produttivo che ne mantiene le qualità molto vicine al suo stato originale, e attraverso la macinazione, lavorazione e selezione si ottiene una serie di prodotti fini e ultrafini che vanno a costituire la gamma di prodotti Betocarb^®, offrendo un approccio sostenibile all'ottimizzazione dell'efficienza dei sistemi cementizi.

 

I carbonati di calcio fini e ultrafini

Gli ioni calcio della gamma Betocarb^® aiutano ad accelerare il processo di cristallizzazione dei principali componenti idrati dei cementi come le fasi Calcio-Silicato-Idrato (C-S-H). La dimensione delle particelle fini e gli ioni calcio forniscono siti di nucleazione che danno luogo a una maggiore idratazione iniziale e più completa del cemento che porta ad un aumento della resistenza a breve termine (< 24 ore).

La finezza della granulometria della gamma Betocarb^® ottimizza anche l'impaccamento delle particelle del calcestruzzo, riducendo i vuoti tra gli altri materiali, contribuendo ad una possibile riduzione del contenuto di cemento.

 

Oltre alla finezza, anche la purezza gioca un ruolo importante, specialmente nella interazione con cemento e additivi.
Pertanto, è possibile ottimizzare il contenuto di fini e quindi il volume di pasta nonché quello del cemento/legante (tipologia e/o contenuto), in modo da poter raggiungere determinati obiettivi in termini di prestazioni e di riduzione dell’impronta di carbonio. Per fare questo, risulta fondamentale anche la scelta del/i superfluidificante/i e degli altri additivi per la necessaria ottimizzazione del contenuto di acqua e della viscosità.

 

La metodologia LG di Omya

Omya ha sviluppato una metodologia, denominata LGMetodology dove si vanno a valutare e ottimizzare tutte le componenti fini del sistema cementizio in esame, insieme ad acqua e additivi, per ottenere un effetto sinergico di tutti i componenti:

 

Nello specifico, la metodologia si basa su una serie di test di laboratorio preliminari alle prove industriali, per:

• Definire il contributo di ogni singolo componente (cemento/legante, aggiunte, GCC, acqua di miscelazione e additivi) utilizzando il concetto di malta equivalente di calcestruzzo (CEN). Gli aggregati grossolani sono esclusi al fine di migliorare la sensibilità del metodo,
• Definire il miglior contenuto totale di fini (Total Powder Content) e ridurre l'acqua di miscelazione,
• Valutare facilmente l’impatto delle variazioni di cemento, sabbia, additivo o rapporto a/c,
• Promuovere un approccio sistemico per valutare nuove soluzioni a bassa impronta di carbonio, nuovi cementi a ridotto contenuto di clinker, SCM o sabbia riciclata, con ottimizzazione delle tempistiche e risorse, favorendo un’attività di laboratorio più snella.

Come anticipato, la metodologia è suddivisa in diversi passaggi per valutare il contributo di ciascun componente:

 

Valutazione delle sabbie

Tempo di flusso (flow) e densità apparente: valutare la densità apparente (origine della materia prima) e il tempo di flusso (forma e angolarità delle particelle) di una sabbia asciutta. (Metodo: EN 933-6 - Prove per le proprietà geometriche degli aggregati. Valutazione delle caratteristiche superficiali. Coefficiente di flusso degli aggregati).

Viene utilizzata la procedura secondo la norma UNI EN 933-6 (Prove per determinare le caratteristiche geometriche degli aggregati - Parte 6: Valutazione delle caratteristiche superficiali - Coefficiente di scorrimento degli aggregati.

Miglior compattezza/impaccamento: definire la migliore combinazione delle diverse sabbie disponibili per ottimizzare il packing ottimale che porta all’ottimizzazione del contenuto di legante. (Metodo: Tempo di flusso e densità apparente).

 

Acqua di miscelazione

Fabbisogno minimo di acqua per una consistenza omogenea: valutare la richiesta di acqua secondo un modello predittivo ma con i costituenti del cliente. L'obiettivo è definire la richiesta minima di acqua senza uso di additivi. (Metodo: EN 1015-3 - Determinazione della consistenza della malta fresca mediante tavola a scosse).
Additivi

Prestazioni additivi/leganti per ottenere un SLM o SCC: valutare la compatibilità degli additivi e in particolare del superfluidificante con il cemento, la sabbia e il filler. L'obiettivo è definire la richiesta minima di additivo prima di ottimizzare il dosaggio del filler. (Metodo: Malta CEN – mini cono Abrams).

 

Valutazione del filler

Contenuto e packing ottimali della pasta: valutare il contributo del GCC alla fluidità di una malta autolivellante utilizzando cemento, sabbia e additivo superfluidificante del cliente. L'obiettivo è definire la migliore proporzione/contenuto di GCC (ottimizzazione del contenuto di fini – total powder content) prima di ottimizzare il rapporto acqua/legante. (Metodo: Malta CEN – mini cono Abrams).

Le Figure 1 e 2, proposte da P. Gonnon, Senior Expert Technical Services Manager - Cement, Mortar & Concrete Laboratory – di Omya, mostrano questo concetto e il relativo meccanismo per ottimizzare il sistema.

 

Il risultato finale è rappresentato da un mix ottimizzato in termini di consistenza, densità e resistenza con un impatto ambientale più basso.

 

Esempio Pratico: sostituzione di cemento ad alto contenuto di clinker

Come accennato, uno dei modi per poter ridurre l’impatto ambientale dei sistemi cementizi consiste nel sostituire un cemento ad alto contenuto di clinker con altri a minore contenuto. Purtroppo, questa prassi, benché sia la più immediata e semplice, spesso comporta una diminuzione delle performance, come nel caso che andremo a presentare, in cui la sostituzione di un CEM I 52,5N con un CEM II/A-S 42,5N ha comportato la riduzione delle resistenze a 1 giorno di circa il 23% (i.e. da 26 MPa a 20 MPa).

Per valutare quali modifiche potessero essere attuate, e riportare le performance a quelle originali (i.e. resistenze a 1 giorno di 26 MPa e stesso flow e viscosità), è stata applicata la metodologia Omya, rimuovendo la parte degli aggregati dal mix originale, passando da un calcestruzzo a una malta nei test di laboratorio:

 

E valutando ogni singolo costituente:

• Valutazione delle Sabbie
  Le sabbie sono risultate di ottima qualità con un corretto rapporto 1:2 e quindi non hanno necessitato di ulteriori ottimizzazioni.

 

• Acqua di miscelazione
  A parità di flow, il CEM II/A-S richiede una quantità di acqua inferiore rispetto al CEM I.

 

• Additivi
  É stata fatta un’analisi dell’agente modificatore della viscosità e del superfluidificante rispetto al flow richiesto:
  
  • Analisi modificatore della viscosità
    Il modificatore della viscosità causa una riduzione del flow e quindi è stato rimosso dallo studio per valutare meglio gli altri costituenti.
  • Analisi fluidificante
    A parità di flow, il CEM II/A-S 42,5 richiede una quantità di superfluidificante inferiore rispetto al CEM I 52,5.
    Analisi cemento

 

 

• Analisi cemento

 

La sostituzione 1:1 del CEM I 52,5 con il CEM II/A-S 42,5 non raggiunge gli stessi target in termini di resistenza a 1 giorno, ma variando contenuto di acqua e superfluidificante, è possibile migliorare la performance, mantenendo il flow richiesto:

 

Il passo successivo riguarda l’ottimizzazione del contenuto di GCC a parità di superfluidificante e quantità di acqua:

 

Una volta trovato il contenuto ottimale di Betocarb^® per mantenere una bassa viscosità e il flow in target, è stato aggiunto Betocarb^® UF per aumentare le resistenze a 1 giorno:

 

Ottimizzando ulteriormente il rapporto costi-benefici (Colonna II.b).

 

Valutazione preliminare delle emissioni di CO₂

La valutazione è su base relativa, considerando solo la quota-parte dovuta al cemento e ai GCC, poiché le variazioni dei contributi degli altri componenti si possono considerare pressoché minime.

Fonte: *www.france-ciment.com, ** www.envirodec.com

 

La riduzione dell’impronta di carbonio risulta rispettivamente del 15% in un caso e del 16% nell’altro.

 

Conclusioni

Questo lavoro presenta la possibilità di utilizzare la metodologia LG sviluppata da Omya per ottimizzare varie tipologie di sistemi cementizi, risparmiando tempo e risorse e raggiungendo i target desiderati sia in termini di prestazioni che di riduzione di impatto ambientale.

In particolare, l’esempio presenta come questa metodologia insieme all’utilizzo di GCC selezionati quali Betocarb^® e Betocarb^® UF, può risultare un valido strumento nelle riformulazione di mix con cementi a minor contenuto di clinker, mantenendo le prestazioni target, e riducendo l’impronta di carbonio.

Ci auspichiamo che questo articolo, possa stimolare l'interesse per il materiale e nuove idee per un uso sempre più importante di questa metodologia.

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FAQ tecniche - LGMethodology Omya: miscele cementizie a bassa CO₂ con GCC

Che cos’è la LGMethodology di Omya?
È una metodologia di ottimizzazione del mix design che valuta in modo integrato tutte le componenti fini del sistema cementizio – cemento/legante, aggiunte, filler GCC, acqua e additivi – tramite prove preliminari su malta equivalente CEN. L’obiettivo è massimizzare le prestazioni riducendo il contenuto di clinker e l’impronta di carbonio.

A cosa serve e in quali contesti si applica?
Si applica a calcestruzzi, malte e sistemi prefabbricati in cui si vuole ottimizzare il mix design, nei casi in cui vengono usati cementi a minor contenuto di clinker, SCM o per ottimizzare le sabbie anche quelle di riciclo. È particolarmente utile quando la semplice sostituzione del cemento comporta cali di resistenza o variazioni di lavorabilità che richiedono una riformulazione controllata.

Quali prestazioni consente di controllare?
La metodologia consente di intervenire su resistenze a breve termine, consistenza (flow), viscosità, densità apparente delle sabbie, rapporto acqua/legante e interazione/sinergia con gli additivi. L’ottimizzazione del Total Powder Content e del packing delle particelle permette di bilanciare sviluppo meccanico e lavorabilità senza ricorrere a incrementi di cemento.

Quali vantaggi offre rispetto alla sostituzione diretta del cemento?
La sostituzione 1:1 di un CEM I con un CEM II a minor clinker può ridurre le resistenze iniziali. L’approccio LG di Omya valuta sistematicamente insieme al cemento, acqua, superfluidificante e filler GCC, individuando combinazioni che ripristinano le prestazioni target e riducono la CO₂ in modo misurabile su base comparativa.

Quali sono le indicazioni operative per il mix design?
Il metodo prevede: valutazione delle sabbie, verifica della compatibilità additivi/legante, definizione del fabbisogno minimo d’acqua e ottimizzazione del contenuto di GCC. È fondamentale eseguire le prove preliminari prima delle validazioni industriali, isolando il contributo di ciascun componente.

Come incidono i GCC su comfort, durabilità e comportamento nel tempo?
I carbonati di calcio fini e ultrafini favoriscono la nucleazione delle fasi C-S-H e migliorano l’impaccamento granulometrico. Questo può tradursi in maggiore omogeneità della pasta, riduzione dei vuoti e sviluppo più rapido delle resistenze iniziali, senza compromettere le prestazioni a lungo termine, in funzione del progetto e della formulazione.

Quali errori deve evitare il progettista o il tecnologo del calcestruzzo?
Evitare la sostituzione del cemento senza ricalibrare acqua e additivi. Non trascurare la compatibilità tra superfluidificante, filler e nuovo legante. Non ottimizzare il contenuto totale di fini può portare a eccessi di pasta o a perdita di lavorabilità. La valutazione deve essere sistemica e basata su prove di laboratorio strutturate.