Microsilice nel calcestruzzo: la chiave per durabilità e alte prestazioni

La microsilice (silica fume) è una delle aggiunte minerali più utilizzate nella progettazione dei calcestruzzi ad alte e altissime prestazioni. Grazie alla sua reattività pozzolanica e alla finezza delle particelle, contribuisce a densificare la matrice cementizia, migliorando resistenze meccaniche, impermeabilità e durabilità del materiale. Tuttavia il suo impiego richiede una progettazione accurata delle miscele, un controllo della reologia e l’utilizzo di additivi specifici.

Con Ingenio abbiamo voluto approfondire  l'argomento con l'articolo "Che cosa sono le SILICA FUME" e il contributo di alcuni esperti del settore, tra Ivana Torresan, Segment Manager Admixtures and Cement Additives di Master Builders Solutions

In questa intervista Ivana Torresan, quindi, analizza il ruolo della silica fume nella progettazione dei calcestruzzi moderni, dalle applicazioni HPC e UHPC fino alle prospettive di sviluppo nelle infrastrutture, nella prefabbricazione avanzata e nelle tecnologie emergenti come la stampa 3D del calcestruzzo.

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Il ruolo della silica fume nella durabilità del calcestruzzo esposto ad ambienti aggressivi

Negli ultimi anni il tema della durabilità del calcestruzzo è tornato centrale nella progettazione delle opere. Quale ruolo può svolgere la silica fume nel migliorare la durabilità delle strutture in calcestruzzo, in particolare nei contesti più esposti ad ambienti aggressivi?

L’aggiunta di fumi di silice può migliorare in modo significativo la durabilità del calcestruzzo, soprattutto quando l’opera è esposta ad ambienti aggressivi, dove cloruri e solfati possono essere presenti e viene comunque fortemente consigliata per la confezione di calcestruzzi in classe di esposizione XC, XD, XS, XA secondo la EN 206.

Il fumo di silice (silica fume) è un sottoprodotto industriale che si ottiene dalla produzione di silicio metallico o leghe di silicio nei forni elettrici. È una polvere molto fine, nell’ordine delle decine di microns ed è composta principalmente da biossido di silicio (SiO₂). La sua elevata superficie specifica (mediamente 15-35 m²/gr) rende questo materiale estremamente reattivo nei confronti dell’idrossido di calcio prodotto durante la reazione di idratazione del cemento con la reazione pozzolanica

SF (ricca di SiO₂ reattiva) + Ca(OH)₂ + H₂O → C-S-H aggiuntivo

Questo contribuisce a rendere la matrice della pasta di cemento molto compatta in quanto i silicati di calcio idrati (C S H) aggiuntivi che si vengono a formare vanno a chiudere le porosità capillari rendendo impermeabile all’acqua ed agli agenti aggressivi in essa disciolti, la matrice di pasta di cemento allo stato indurito. Vengono in tal modo anche incrementate le resistenze meccaniche a compressione.

Grazie quindi alla sua reazione pozzolanica l’aggiunta di fumi di silice consente di ottenere calcestruzzi più durevoli e sostenibili, in quanto permette di ottimizzare il mix design utilizzando cementi a più basso contenuto di clinker.

 

Effetti della silica fume sul mix design: lavorabilità, reologia e resistenze

Dal punto di vista del mix design, quali sono gli effetti più rilevanti che osservate quando la silica fume viene introdotta nella miscela? In che modo cambia l’equilibrio tra lavorabilità, resistenze meccaniche e prestazioni nel tempo?

Nel mix design del calcestruzzo, l’introduzione del fumo di silice produce effetti molto marcati essendo questa un’aggiunta di polvere ultrafine ed altamente reattiva.

Il suo utilizzo può modificare le caratteristiche del calcestruzzo allo stato fresco, impattando sulla sua lavorabilità e sulla reologia. Effetti sulle variazioni di lavorabilità possono dipendere dall’assorbimento di acqua d’impasto, con ottenimento di miscele più viscose e coesive, con anche sensibili perdite di lavorabilità. L’aggiunta di riduttori d’acqua ad alta efficienza con proprietà di mantenimento di lavorabilità diventano perciò necessari se non indispensabili al fine di gestire la reologia delle miscele soprattutto all’aumentare dei dosaggi di fumo di silice.

L’aggiunta di silica fume per contro, allo stato indurito del calcestruzzo, ne migliora positivamente le resistenze a compressione grazie a due meccanismi:

• un effetto “filler” (fisico), in quanto le particelle ultrafini vanno a riempire i vuoti tra i granuli di cemento che si stanno idratando, densificano la microstruttura della pasta;
• ed un effetto pozzolanico “chimico” con un aumento della resistenza a compressione, un aumento della resistenza a trazione ed un aumento del modulo elastico.

Non ultimo, nell’aggiungere il fumo di silice si ottiene il beneficio di una minore vulnerabilità nella di zona di transizione matrice aggregato dovuta al consumo dell’idrossido di calcio.

Per quanto riguarda la durabilità, l’uso di fumo di silice contribuisce alla protezione dell’armatura grazie alla minore permeabilità ai cloruri, ritardando così l’innesco del fenomeno della corrosione, migliora la resistenza ai cicli gelo disgelo grazie alla minore saturazione d’acqua nei pori capillari e riduce il rischio delle reazioni alcali silice grazie a una diminuzione degli alcali liberi ed alla microstruttura più densa della matrice cementizia.

 

Calcestruzzi ad alte prestazioni: applicazioni strategiche della microsilice

La silica fume è spesso associata allo sviluppo di calcestruzzi ad alte o altissime prestazioni (HPC e UHPC). Quali sono oggi le applicazioni in cui ritenete che il suo utilizzo risulti realmente strategico?

La silica fume è un componente chiave nella progettazione di calcestruzzi HPC e UHPC, quando durabilità estrema, impermeabilità, resistenza all’abrasione e altissima resistenza meccanica diventano i requisiti di progetto.

I dosaggi tipici nella miscela variano tra il 20 ed il 30% del legante. Questo ottimizza il packing granulometrico e, via reazione pozzolanica, permette di ottenere valori di resistenze a compressione anche superiori ai 120-150 MPa

Applicazioni tipiche in cui si possono ottenere vantaggi sono la realizzazione di strutture molto performanti, durevoli e di sezione sottile, elementi prefabbricati e precompressi ad altissime prestazioni, strutture impermeabili o interrate.

 

Lavorabilità e controllo della miscela: accorgimenti tecnici nell’uso della silica fume

L’elevata finezza della silica fume comporta anche alcune criticità legate alla lavorabilità e alla gestione della miscela. Quali accorgimenti tecnici ritenete fondamentali per ottenere prestazioni ottimali in cantiere o in impianto?

L’uso di superfluidificanti ad alte prestazioni, in particolare policarbossilati di ultima generazione con caratteristiche di ottimizzazione della reologia e del mantenimento di lavorabilità sono fondamentali nella progettazione di miscele a medio-elevato contenuto di fumi di silice.

Importante è anche la sequenza e l’energia posta nella miscelazione dei materiali, visti i bassi rapporti A/C che possono ottenere con contenuti di polveri così elevate.

 

Silica fume e sostenibilità del calcestruzzo: impatti sul ciclo di vita delle opere

In un contesto in cui il settore sta lavorando per ridurre l’impronta ambientale del calcestruzzo, quale contributo può offrire la silica fume in termini di durabilità, ottimizzazione dei materiali e sostenibilità complessiva delle opere?

Il fumo di silice, come già detto, contribuisce positivamente ed in modo significativo alla riduzione dell’impronta ambientale del calcestruzzo in quanto migliora le prestazioni dei manufatti e delle opere permettendo la realizzazione di strutture più durevoli, più efficienti e con minore consumo di risorse.

Una struttura più durevole richiede meno manutenzione e meno interventi di ripristino, riducendo nel ciclo di vita consumo di materiali, energia ed emissioni. Dal punto di vista della sostenibilità, inoltre la silica fume contribuisce in quanto viene valorizzato l’uso di un sottoprodotto industriale.

 

Microsilice e aggiunte minerali: confronto con loppa, ceneri volanti e filler

Negli ultimi anni il mercato ha visto crescere l’attenzione verso diverse aggiunte minerali (loppa, ceneri volanti, filler calcarei, ecc.). In che modo la silica fume si colloca oggi in questo panorama tecnologico?

Tra le diverse possibilità di aggiunte minerali nel mix di confezione del calcestruzzo, il fumo di silice può essere visto come un’aggiunta “speciale e costosa” rispetto ad altre aggiunte più economiche come i filler calcarei, le ceneri volanti o le loppe, ma rimane una delle più efficaci per le prestazioni molto elevate che si possono ottenere.

La silica fume resta unica nel suo genere in quanto risulta un componente necessario nella progettazione di calcestruzzi ad alte prestazioni come gli HPC ed UHPC.

 

Normative e capitolati: il potenziale della silica fume è pienamente valorizzato?

Dal punto di vista della progettazione strutturale e delle specifiche tecniche, ritenete che il potenziale della silica fume sia pienamente valorizzato oppure esistono ancora margini di sviluppo nelle normative e nei capitolati?

Il potenziale del fumo di silice, nonostante il suo utilizzo sia ben conosciuto e valorizzato da molti anni, non è ancora pienamente considerato e valutato. Esistono margini di sviluppo sia a livello normativo, sia nei capitolati tecnici.

Nella norma europea EN 206, la silica fume è vista come un’aggiunta pozzolanica e molti capitolati ne viene limitato l’uso a percentuali del 5–10% senza sfruttarne il vero potenziale in termini di prestazione ottenibile a dosaggi più alti.

Purtroppo, i limiti pratici che ne frenano l’uso sono un costo decisamente più elevato rispetto ad altre aggiunte (ceneri volanti, loppa), la disponibilità sul mercato, la maggiore sensibilità richiesta nel controllo tecnologico e nella progettazione del mix design.

 

Il futuro della silica fume tra prefabbricazione avanzata e stampa 3D del calcestruzzo

Guardando al futuro della tecnologia del calcestruzzo, quali evoluzioni immaginate per l’impiego della silica fume nei prossimi anni, sia dal punto di vista dei materiali sia delle applicazioni nelle infrastrutture e nell’edilizia?

Applicazioni emergenti dove l’uso dei fumi di silice possono essere maggiormente utilizzati sono nella prefabbricazione avanzata, produzione di elementi in UHPC prefabbricati a ridotti spessori, ponti modulari, facciate sottili ad alta resistenza, nella futuristica stampa 3D del calcestruzzo, progettazione di infrastrutture con vita utile >100 anni.