Riduzione del contenuto di cemento per miscele di calcestruzzo sostenibili

Il calcestruzzo è il materiale da costruzione più utilizzato, responsabile di notevoli emissioni di CO2, principalmente legate alla produzione di cemento. Tenendo presente l’obiettivo della neutralità carbonica da raggiungere entro il 2050, è forte la necessità di investigare soluzioni più sostenibili. L’obiettivo di questa ricerca è lo studio di miscele di calcestruzzo caratterizzate da un ridotto contenuto di cemento Portland. Tali miscele sono progettate considerando diversi tipi di cemento, granulometria degli aggregati e aggiunte, quali filler calcareo. Inoltre, l’uso di additivi è studiato sia per garantire la lavorabilità che adeguate prestazioni meccaniche alle miscele. Per ogni miscela, sono confezionati provini cubici, poi maturati in condizioni standard o a vapore. Le proprietà meccaniche sono valutate tramite prove di compressione a diversi tempi di stagionatura. I risultati ottenuti sono confrontati principalmente in termini di lavorabilità e resistenza a compressione, a breve termine e a 28 giorni, valutando anche il potenziale di riscaldamento globale delle miscele.

Obiettivo della ricerca: studiare miscele di calcestruzzo con un ridotto contenuto di cemento Portland

Il calcestruzzo è il materiale da costruzione più prodotto e utilizzato nel mondo. Nel 2023, la produzione di cemento ha raggiunto i 4,1 miliardi di tonnellate (US Geological Survey, 2024) e rappresenta una delle principali cause della produzione e dell’immissione di CO₂ nell'atmosfera, con gravi conseguenze sul riscaldamento globale e sui cambiamenti climatici. Inoltre, la produzione di cemento richiede un largo uso di materie prime e un enorme consumo di combustibili, quali, ad esempio, carbone, gas naturale, oli esausti, etc. (Manzanera, M., 2011).

Per questo motivo, si sta sempre di più studiando come aumentare la sostenibilità del calcestruzzo, mantenendone però, allo stesso tempo, intatte le caratteristiche in termini di resistenza e durabilità. Varie sono le strategie che è possibile adottare per ottenere calcestruzzi più sostenibili, come l’utilizzo di materiali di riciclo o la sostituzione di parte del contenuto in clinker con altri materiali caratterizzati da un minor impatto ambientale, come i filler calcarei o altri materiali di scarto dell’industria, quali loppa di Altoforno, ceneri volanti, scorie, ceneri di lolla di riso, etc., utilizzati nelle giuste proporzioni (Ideker, J. H. et al., 2019; Zhou, S. et al. 2019). Esistono poi altri additivi catalizzatori che permettono di sostituire maggiori quantità di clinker con materie prime secondarie, grazie alla loro abilità di catalizzare l’idratazione del cemento compensando il basso sviluppo di resistenza che si ha con i cementi a base di materie prime secondarie. (Cheung, J. et al. 2018).

Nell’ottica di una riduzione dell’impatto ambientale legato alla produzione del calcestruzzo, l’obiettivo di questa ricerca è quello di studiare miscele di calcestruzzo caratterizzate da un ridotto contenuto di cemento Portland. In particolare, è stata condotta una campagna sperimentale su calcestruzzi da utilizzare per il confezionamento di traverse ferroviarie post-tese, per le quali è necessario raggiungere una resistenza di almeno 45 MPa a 24 ore dal getto ai fini dell’applicazione della post-tensione. Le miscele oggetto di studio sono state progettate considerando diversi tipi di cemento, granulometria degli aggregati, aggiunte, quali filler, e additivi, per rispondere a specifiche richieste prestazionali.

Descrizione della campagna sperimentale

Nell’ambito dell’attività sperimentale, sono state realizzate 8 miscele di calcestruzzo, utilizzando tre tipologie di cemento, filler calcareo e due tipologie di additivi, come descritto nel seguito. Per ciascuna miscela sono stati realizzati, in laboratorio, getti con modesti volumi di calcestruzzo (50 litri), dai quali si sono ricavati provini cubici che sono poi stati maturati in condizioni standard (T=20°C, RH=98%) o all’interno di una cella climatica (T=40°C e nebbia) per simulare una maturazione accelerata al vapore, tipicamente utilizzata negli stabilimenti dove si realizzano elementi in calcestruzzo armato precompresso. La caratterizzazione delle miscele realizzate è stata ottenuta mediante prove sul calcestruzzo fresco e tramite prove di resistenza a compressione.

Materiali e metodi

Materiali

Per la realizzazione delle miscele di calcestruzzo, sono state impiegate le seguenti tipologie di cemento:

• CEM I 52.5R;
• CEM II/A-LL 42.5R;
• CEM IV/A (V) 42.5 R – SR.

In Tabella 1 sono riportate le percentuali di clinker, calcare, gesso, materie prime artificiali e seconde per ogni tipologia di cemento.

Gli aggregati utilizzati si suddividono quattro categorie:

• sabbia granita con dimensione minima di 0 mm e massima di 5 mm (S1);
• pietrisco con dimensione minima di 3 mm e massima di 8 mm (G1);
• pietrisco con dimensione minima di 8 mm e massima di 15 mm (G2);
• pietrisco con dimensione minima di 15 mm e massima di 25 mm (G3).

Le quantità percentuali degli aggregati, sul peso totale, sono 55%, 13%, 22% e 10% rispettivamente per le categorie S1, G1, G2 e G3.

Con l’obiettivo di ridurre l’impatto ambientale dei calcestruzzi, partendo da una miscela di riferimento, caratterizzata da 395 kg/m³ di CEM I 52.5R, si è operato sia riducendo il quantitativo che cambiando la tipologia di cemento, optando quindi per cementi caratterizzati da un minor contenuto in clinker (Tabella 1).

Per alcune miscele studiate, caratterizzate da un ridotto contenuto di cemento (350 kg/m³), è stato inoltre utilizzato un filler calcareo ricavato da pure rocce calciche. A parità di rapporto acqua/cemento, al fine di aumentare la lavorabilità delle miscele, da un lato, e, allo stesso tempo, di garantire adeguate prestazioni meccaniche alle brevi durate (24 e 48 ore), sono state impiegate due tipologie principali di additivi: superfluidificanti (SF) e incrementatori di resistenza (IR).

L’IR impiegato è un additivo liquido che, ottimizzando l'idratazione delle fasi del cemento, incrementa le resistenze meccaniche di calcestruzzi e malte a tutte le stagionature ed è stato formulato secondo i principi “HPSS - High Performance Sustainable Solutions”. I mix design delle miscele studiate sono riportati in Tabella 2.

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