Silica Fume, l’alleata “invisibile” del calcestruzzo: più durabilità, meno permeabilità

Negli ultimi anni la durabilità del calcestruzzo è tornata al centro del dibattito tecnico, soprattutto in relazione alla crescente esposizione delle strutture ad ambienti aggressivi. In questo contesto, la silica fume – o microsilice – si conferma un’aggiunta minerale dalle elevate potenzialità. Grazie alla sua composizione quasi pura in biossido di silicio e alla sua estrema finezza, è in grado di migliorare in modo significativo le prestazioni del materiale. Dalla riduzione della permeabilità alla maggiore resistenza ai cloruri, il suo contributo si rivela strategico. Tuttavia, il suo impiego richiede un’attenta valutazione tecnica ed economica. Un equilibrio che ne definisce il ruolo come soluzione “top di gamma” nel panorama del calcestruzzo.

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 cui Michel Di Tommaso, che analizza il contributo di questo materiale nel mix design, nelle applicazioni ad alte prestazioni e nelle strategie di sostenibilità del settore.

Andrea Dari:
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?

Michel Di Tommaso:

Per capire che ruolo può svolgere la microsilice bisogna tenere conto di tre fattori: 1) è praticamente composta per intero da biossido di silicio (SiO₂), 2) ha una finezza 4-5 volte superiore a quella del cemento, 3) è costituita da microsfere.

Per via del contenuto di silice molto alto, si dimostra molto reattiva con i sistemi cementizi ricchi in idrossido di calcio a cui si lega per formare i silicati di calcio ed alluminio idrati (CSH e CASH) che sono responsabili di resistenza e riduzione della permeabilità capillare. Per via del fatto che è molto fine, ma anche sferica, risulta essere, per la mia personale esperienza, un eccellente stabilizzante contro la segregazione e l’essudazione. Nella sua versione in sospensione liquida (slurry) ha inoltre, come posso confermare per esperienza diretta, effetto fluidificante dispersivo aumentando la lavorabilità di miscele a bassissimo rapporto acqua/cemento. L’uso che ne faccio io è per: aumentare la resistenza alla penetrazione dei cloruri, aumentare la resistenza iniziale di sistemi con elevato contenuto di pozzolane calciche (loppe per esempio), nel calcestruzzo spruzzato, nei calcestruzzi auto-compattanti per getti sotto falda.

Andrea Dari:
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?

Michel di Tommaso:

Vedi sopra. Io non credo che la microsilice, sia in polvere che slurry, a patto che sia propriamente dispersa quando viene dispensata, abbia alcuna controindicazione nei calcestruzzi. Solo al superamento di dosaggi superiori all’8-10% in massa di cemento, essa può aumentare la viscosità dinamica della miscela. Ma, in generale, i dosaggi ottimali vanno da 3% a 8% in massa di cemento. Va anche considerato che, se si esagera con il dosaggio di microsilice, aumenta il ritiro autogeno dell’impasto.

Andrea Dari:
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?

Michel di Tommaso:

In questi materiali la silice è dosata in quantità elevate fino a parecchie decine di kg per metro cubo come controllore di reologia e come promotore di resistenza soprattutto. Il suo uso nei calcestruzzi strutturali è però molto diffuso in Nord Europa, Canada, Cina e Medio Oriente per esempio. I calcestruzzi del rivestimento del nuovo tunnel stradale del San Gottardo (17 km) in costruzione nel sud Svizzera sono prodotti con fumi di silice per questioni di resistenza meccanica, reologia e durabilità.

Andrea Dari:
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?

Michel di Tommaso:

Credo che sia solo una questione di dosaggio e che, non superando certi dosaggi massimi come indicato sopra, non via siano in realtà problemi. In particolare la microsilice in slurry, nei primi minuti di miscelazione del calcestruzzo, lavora come abbattitore di viscosità e non il contrario.

Andrea Dari:
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?

Michel di Tommaso:

Sotto il profilo del risparmio di CO₂ conta poco perché se ne usano quantità per metro cubo relativamente basse. Sotto il profilo della durabilità, ovviamente, vale sempre la regola che una struttura durabile è una struttura che richiede meno interventi di manutenzione ordinaria e che quindi impatta periodicamente l’ambiente meno di altre strutture, ritardando anche nel tempo la sua demolizione che è a sua volta un’attività ad elevato impatto.

Andrea Dari:
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?

Michel di Tommaso:

Si colloca come prodotto di nicchia complementare e/o alternativo sia alle ceneri che alle loppe e, per mia esperienza personale, con migliore affinità con le loppe per via del loro elevato contenuto di ossido di calcio (CaO). I filler calcarei essendo costituiti da CaCO3 e non da CaO sono inerti a reazioni pozzolaniche. Tuttavia, per limitare il calore di idratazione delle strutture, la silice è poco adatta perché rimpiazza solo pochi kg di cemento al metro cubo. In questo senso i cementi pozzolanici contenenti volumi importanti di aggiunte minerali sono molto più adatti per produrre miscele a basso calore.

Andrea Dari:
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?

Michel di Tommaso:

Penso che, in un contesto prestazionale, la silice, come altri prodotti, vada vista come un prodotto utilizzabile dal produttore di calcestruzzo, dopo analisi tecnico/economica dei costi/benefici, per raggiungere determinate prestazioni richieste. L’imposizione del suo uso in una specifica tecnica è sbagliata ma la raccomandazione di prodotti come la microsilice per raggiungere certi requisiti è auspicabile. Sotto il profilo strutturale una miscela con microsilice potrebbe avere maggiore ritiro autogeno di un senza microsilice per rapporti acqua/cemento minori di 0.40.

Ma, siccome tutti i cementi pozzolanici moderni, contengono aggiunte che sono note per aumentare il ritiro autogeno (ceneri, loppa) a basso rapporto acqua/cemento, il “problema del ritiro autogeno” non è limitato solo alle miscele prestazionali con microsilice. Resta però lo scoglio dei costi, essendo un materiale considerato "top di gamma". I costi elevati lo rendono soprattutto giustificato quando si devono migliorare prestazioni di miscele marginali (...quando non si sa più che pesci pigliare per intenderci....) e/o quando si debba affrontare durabilità molto spinta. In edilizia e/o con vite di servizio non superiori a 50 anni, non è, ritengo, una soluzione con benefici tangibili rispetto ai costi.

Andrea Dari:
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?

Michel di Tommaso:

Per quanto riguarda la mia esperienza professionale, la silice in moltissimi mercati è già una realtà consolidata da oltre 30 anni ed è un prodotto versatile che consente di migliorare: reologia, resistenza alla segregazione, impermeabilità, resistenza alla penetrazione dei cloruri di calcestruzzi: strutturali gettati con benna, pompati e spruzzati. Le limitazioni principali al suo uso sono, come detto, i costi e la disponibilità su certi mercati. Inoltre, al contrario delle ceneri e loppe che hanno una composizione chimica ed una percentuale di residuo insolubile variabile da regione a regione con impatto sulle proprietà del calcestruzzo, la microsilice, essendo costituita essenzialmente da microsfere silicee pure, ha una qualità che non dipende dalla zona di produzione. Per esempio, la Cina produce quantità molto elevate di microsilice la cui qualità, per via del fatto che si tratta al 95% di un solo componente (SiO₂) è molto stabile nel tempo.