INTRODUZIONE

I summit mondiali tenutisi a Rio de Janeiro (Brasile) nel 1992 ed a Kyoto (Giappone) nel 1997 hanno chiarito in modo inequivocabile che per uno sviluppo sostenibile a lungo termine è essenziale che sia ridotta la velocità di emissione dei gas serra. Per sviluppo sostenibile si può dare la definizione, accettata da molti, del Primo Ministro norvegese Gro Harlem Bundtland: “La capacità da parte del genere umano di assicurare che i bisogni attuali siano soddisfatti senza compromettere le necessità delle generazioni future”.
I gas serra che maggiormente influiscono sullo sviluppo sostenibile sono: l’anidride carbonica (CO₂), gli ossidi nitrosi (NOx) ed il metano (CH₄), ma la quantità di questi ultimi è molto minore di quella della CO₂.
A parte gli USA, quasi tutti gli altri paesi industrializzati si sono impegnati a ridurre i gas serra imponendosi una emissione del 6% inferiore a quella del 1990 per gli anni 2010-2012. Lo scopo di questo articolo è di sottolineare la necessità di impiegare maggiore volumi di cenere volante e di altri materiali cementizi unitamente ai superfluidificanti per ridurre le emissioni di CO₂.

Tabella 1 - Emissione di CO2 in tonnellate per uomo per anno*

Anidride carbonica: emissione pro capite e per anno in diversi paesi

Gli Stati Uniti ed il Canada sono i maggiori responsabili per l’emissione della CO₂ nel mondo e le loro emissioni si approssimano a circa 20 tonnellate per uomo, per anno seguite dai paesi europei con circa 9 tonnellate (Tabella 1). I paesi in via di sviluppo, come la Cina e l’India, hanno attualmente delle emissioni basse ma la loro rapida industrializzazione porterà ad aumentare la emissione di gas serra nel prossimo futuro.

Producione di cemento Portland

Il cemento Portland ordinario è il maggior materiale da costruzione in tutto il mondo, e rimarrà così per un futuro molto prossimo (Tabella 2). La produzione di cemento aumenterà da circa 1,7 miliardi di tonnellate nel 2000 a circa 2 miliardi di tonnellate nel 2010. Il maggior aumento avverrà in Cina ed in India, ed in minor misura nella ex Unione Sovietica. Negli USA ci si attende che la produzione di cemento aumenterà da circa 100 milioni di tonnellate nell’anno 2000 a circa 130 milioni di tonnellate nel 2010. In vista di queste enormi quantità di materiale coinvolte è assolutamente necessario che la produzione del cemento sia fatta nel modo più rispettoso per l’ambiente. Il programma sostenibile dell’industria del cemento (World Cement, Vol. 34, N° 4, Aprile 2003, p. 42) che è stato sviluppato dalla Business Council for Sustainable Development (WBCSD) ha portato ad una agenda per il 2002. Il protocollo è stato firmato da un comitato che raggruppa i maggiori dieci produttori di cemento del mondo. E questa agenda contiene un impegno per un periodo di 5 anni a migliorare tra le altre cose:

- la protezione del clima
- combustibili e materie prime
- riduzione delle emissioni
- impatto ambientale

Il produttore di cemento HOLCIM, membro del WBCSD, ha avuto un ruolo leader nel dare una risposta allo sviluppo sostenibile e si è impegnato a ridurre nel 2010 le emissioni di CO₂ del 20% della sua produzione mondiale rispetto al 1990 (ACI Concrete International, Vol. 25, N° 3, Marzo 2003, p. 16).

Emissione di gas serra nella produzione di cemento Portland nel mondo

La produzione di cemento Portland non solo è un processo che consuma molta energia, ma è anche un forte contributore all’emissione di gas serra. Si calcola che per la produzione di una tonnellata di cemento si emetta circa una tonnellata di CO₂ nell’atmosfera, con minori quantità di NOx e CH₄. L’emissione totale di CO₂ in realtà può variare tra 1,1 nei processi a umido sino a circa 0,8 tonnellate nei processi con i pre-calcinatori. La metà dell’emissione della CO₂è dovuta alla decomposizione del calcare e l’altra metà ai gas di combustione dei combustibili fossili. Secondo Cahn et al. (Cahn, D., et al., “Atmospheric CO₂ and the U.S. Cement Industry”) le emissioni dalla decomposizione del calcare sono quasi costanti ed ammontano a circa 0,54 tonnellate di CO₂ per tonnellata di cemento Portland; le emissioni dalla combustione dipendono dal contenuto di carbone nel combustibile che viene usato e dalla efficienza della combustione stessa.
Nel 1995 la produzione globale di cemento Portland ammontò a circa 1,4 miliardi di tonnellate, portando ad una emissione di circa 1,4 miliardi di tonnellate di CO2 nell’atmosfera. Secondo la International Energy Authority (IEA), l’emissione di CO₂ nel mondo dalle varie sorgenti ammontava a circa 21,6 miliardi di tonnellate. Sulla base di queste cifre si può dire quindi che la produzione di anidride carbonica che proviene dal cemento è circa il 7% di tutta la emissione totale. Dalle proiezioni fatte dalle compagnie cementifere, questa produzione dovrebbe rimanere costante nel prossimo decennio. Nonostante quindi gli impegni dell’agenda presi dal WBCSD, questo implica che le compagnie cementifere non adotteranno delle variazioni per un rispetto dell’ambiente durante la produzione del cemento, almeno nell’immediato futuro.

Tabella 2 - Produzione di cemento regionale e mondiale prevista per l'anno 2010 in milioni di tonnellate*

Paesi in via di sviluppo

Le necessità delle infrastrutture nei paesi in via di sviluppo stanno portando ad un aumento enorme nel consumo di cemento Portland (Tabella 2) e questo ha portato alla istallazione di un numero considerevoli di impianti di cemento in Cina ed in India. Per esempio, è già stata commissionato un nuovo impianto con una capacità di 2 milioni di tonnellate di clinker in India (Anantharaman, C.J., “India’s Largest”, World Cement, Vol. 33, N° 23), e i piani futuri prevedono di raddoppiare la capacità delle cementerie, fino a 4 milioni di tonnellate per anno, nel prossimo futuro, così arrivando a produrre il più grande impianto di clinker nel mondo. Paradossalmente, queste due grandi nazioni sono anche quelle che stanno istallando impianti termo-elettrici basati sulla combustione del carbone al fine di soddisfare le crescenti necessità delle loro popolazioni e delle industrie manifatturiere. Per esempio si sa già che per il 2010 l’India dovrà raddoppiare la capacità della produzione di energia elettrica rispetto a quella attuale e tutto ciò provocherà un aumento di ceneri da carbone sino ad arrivare a 160 milioni di tonnellate per anno. In quell’anno la produzione di cemento Portland attesa dovrà raggiungere i 130 milioni di tonnellate. Sfortunatamente le necessità industriali in questi grandi paesi, Cina ed India, stanno influenzando negativamente l’ambiente in due direzioni. Da una parte l’istallazione di nuovi impianti cementieri fa aumentare enormemente la emissione di CO₂, dall’altra la costruzione di stazioni termo-elettriche di grandi capacità provocherà grandi quantità di ceneri volanti e di ceneri pesanti che si accumuleranno se non verranno riciclate in modo significativo. Molta della cenere che viene prodotta verrà portata a discarica in miniere abbandonate. Così risorse cementizie potenzialmente valide sono portate a discarica proprio in questi paesi che hanno maggiore bisogno di ridurre le emissioni di gas serra e di produrre strutture in calcestruzzo durabili ed in modo economico.

Ruolo della cenere volante e di altri materiali cementizi per ridurre l'emissione di CO₂

Come si è già detto prima, non vi sono all’orizzonte nuove tecnologie per ridurre l’emissione della CO₂ nella produzione di cemento Portland. Tutto ciò porterà alla conclusione che la risposta a questo problema ambientale sta nella riduzione della produzione di clinker, e la riduzione della produzione di clinker potrà essere compensata dall’uso di cenere volante o da altri materiali cementizi come la loppa granulata d’altoforno o la cenere di pula di riso.

Tabella 3 - Produzione di cenere volante ed utilizzazione nel 2000*

Disponibilità della cenere volante

Sulla base delle informazioni frammentate disponibile, la produzione annuale attuale di cenere volante si aggira sui 600 milioni di tonnellate per anno in tutto il mondo. I maggiori produttori sono la Cina, l’India e gli Stati Uniti (Tabella 3). In aggiunta a queste quantità vi sono anche milioni di tonnellate di cenere che sono state portate a discarica negli anni scorsi. E’ stato riportato (Sear Lindon, “The Futur of Pulverized Fuel Ash Concrete”, Concrete, Col. 37, N° 2, 2003, pp 50-51) che nel Regno Unito da solo stanno per essere recuperate 120 milioni di tonnellate da queste discariche. La produzione della Società Wisconsis Power a Milwaukee, USA, sta già facendo altrettanto (Comunicazione personale da Bruce Tamme, Wisconsin Power, Milwaukee, USA).
Nonostante che gli impianti termo-elettrici a carbone producano enormi quantità di emissioni di CO₂ e non siano favorevoli all’impatto ambientale, si dovrebbe tenere a mente che per il prossimo futuro, le necessità di energia nel mondo, soprattutto per Cina, India e Stati Uniti, saranno soddisfatte proprio dagli impianti a carbone a causa delle enormi riserve di carbone di buona qualità disponibili in tutto il mondo, e anche per il fatto che l’energia prodotta con queste sorgenti è ancora la più economica rispetto ad altre sorgenti. Inoltre, nel nord Europa gli impianti nucleari per la produzione di energia stanno per essere bloccati e le riserve di gas naturali nel mondo sono molto limitate rispetto a quelle di carbone. Così si può prevedere che la cenere volante sarà disponibile in grandi quantità almeno fino al 2050.
La maggior parte della cenere volante usata nel calcestruzzo è del tipo silicico seconda la ASTM C 618, classe F ed è sostanzialmente il sottoprodotto della combustione dell’antracite o del carbone bituminoso. Questa cenere di per sé non contiene alcuna proprietà cementizia ma, grazie alla elevata finezza, in presenza di acqua può reagire già a temperatura ambiente con l’idrossido di calcio e formare dei prodotti che hanno proprietà cementanti: si comporta cioè come una vera e propria pozzolana. Negli anni recenti anche una cenere ad alto tenore di calcio (ASTM C 618, Classe C) è stata posta sul mercato negli Stati Uniti, Canada, Polonia, Grecia e qualche altra nazione. Questa cenere è il sottoprodotto che si ottiene bruciando la lignite o carbone sub-bituminoso ed essa possiede di per sé proprietà cementizie oltre ad essere un materiale pozzolanico.
Va subito detto che non tutta la cenere disponibile è adatta per l’impiego nel calcestruzzo. Tuttavia le tecnologie disponibili possono bonificare tutte queste ceneri che non soddisfano i requisiti di finezza e di contenuto di carbonio incombusto, i due parametri maggiormente importanti perché una cenere possa essere usata insieme al cemento per produrre il calcestruzzo. Questi metodi prevedono la rimozione del carbonio mediante metodi elettrostatici e di flottazione. La macinazione e la classificazione con aria sono stati usati per produrre delle ceneri volanti con alta finezza.



Tecnologia del calcestruzzo ad alto volume di cenere volante

Uno dei maggiori sviluppi nell’area della utilizzazione della cenere nel calcestruzzo è stata la tecnologia del calcestruzzo ad alto contenuto di cenere (High Volume Fly Ash - HVFA) sviluppata da Malhotra e collaboratori al CANMET, Ottawa, Canada (Malhotra, V.M., and Mehta, P.K., “High-Volume Fly Ash Concrete: Materials, Mixture Proportions, Construction Practice, and Case Histories”, 2002, 101 pp., - Available from: Supplementary Cementing Materials for Sustainable Development Inc., Ottawa, Canada, K1Y 2B3). Si ritiene che negli anni a venire questo sviluppo potrà modificare profondamente l’impiego del cemento nel calcestruzzo. Un lavoro della pubblicazione sopra menzionata descrive anche degli esempi interessanti negli Stati Uniti con l’impiego dei calcestruzzi HVFA.


Altri materiali cementizi supplementari

Oltre alla cenere, gli altri materiali cementizi supplementari che sono disponibili in grande quantità che possono essere utilizzati per rimpiazzare il cemento nel calcestruzzo includono la loppa d’altoforno granulata, le pozzolane naturali e la cenere di pula di riso. La produzione mondiali di loppa granulata d’altoforno è attualmente solo di 25 milioni di tonnellate per anno. La cenere di pula di riso non è ancora commercialmente disponibile sebbene la potenziale disponibilità in tutto il mondo ammonti a circa 20 milioni di tonnellate. L’uso di loppa granulata d’altoforno nel calcestruzzo è aumentato considerevolmente negli anni recenti e questo processo ci si augura possa continuare. La cenere di pula di riso, quando sarà commercialmente disponibile, potrà affiancarsi alla cenere volante ed alla loppa granulata d’altoforno come un significativo materiale cementizio supplementare da impiegare a parziale sostituzione del cemento Portland per produrre calcestruzzo riducendo l’emissione di CO₂. L’uso di pozzolane naturali è piuttosto limitato per la maggiore richiesta di acqua nel calcestruzzo e per la necessità, in alcuni casi, di calcinazione delle pozzolane. Messico, Turchia ed Italia producono miscele di cemento Portland e pozzolana naturale con sostituzione di cemento che arrivano fino al 30%.

Il ruolo dei superfluidificanti nel ridurre l'emissione di CO₂

Vi sono due possibili modi di usare il superfluidificante in modo da ridurre il contenuto di cemento e così di contribuire alla riduzione di emissione di CO₂.

a) Produrre calcestruzzo con rapporto acqua/cemento molto basso. Per ottenere calcestruzzi ad alta resistenza meccanica, l’acqua di impasto deve essere ridotta mantenendo lo stesso contenuto di cemento. La ridotta lavorabilità conseguente alla diminuzione dell’acqua è compensata dall’impiego dei superfluidificanti. In questo modo le riduzioni di acqua che arrivano sino al 30% portano a calcestruzzi con rapporti acqua/cemento bassi fino a 0,28 e che sono stati messi in opera con successo. Così calcestruzzi ad alta resistenza ed a alta prestazione possono essere realizzati senza aumentare il contenuto di cemento.

b) Produrre calcestruzzi con dosaggi di cemento ridotti. I superfluidificanti possono essere usati per produrre calcestruzzi con quantitativi di acqua ridotti. A pari rapporto acqua/cemento anche il cemento può essere ridotto nella stessa misura in cui si riduce l’acqua. Come nel metodo a) sopra descritto, la diminuzione di lavorabilità del calcestruzzo - per la riduzione di acqua - è compensata dall’impiego dei superfluidificanti.

I superfluidificanti sono un componente fondamentale dei calcestruzzi HVFA nei quali più del 50% del cemento può essere sostituito da cenere mentre rimangono o si migliorano le resistenze meccaniche e la durabilità di questi calcestruzzi.

Diritti commerciabili sull'emissione dei gas serra e utilizzazione della cenere volante

Le emissioni “commerciabili” si riferiscono ai meccanismi economici che dovrebbero in futuro aiutare le nazioni in tutto il mondo per adottare riduzioni significative nell’emissione dei gas serra stabilite dal protocollo di Kyoto nel 1997. Si ritiene che, in un futuro non molto lontano, una tonnellata di gas serra avrà un valore commerciale di circa 10 dollari USA. Così, per esempio, se una nazione può sostituire il 50% del cemento Portland con cenere volante o loppa, questa nazione avrà risparmiato un 50% nella emissione di CO₂ a seguito del minor consumo di cemento Portland. Per una nazione che produce annualmente 100 milioni di tonnellate di cemento, questo 50% di sostituzione cemento Portland con cenere volante ammonterà ad un risparmio nella emissione di CO₂ di 50 milioni di tonnellate. Questo a sua volta si trasforma in un valore commerciale di 500 milioni di dollari USA ogni anno. Si deve tenere a mente che il valore dei diritti commerciabili delle emissioni è solo una stima che può fluttuare abbastanza largamente. Tuttavia, date le pressioni politiche ed ambientali, la utilizzazione della cenere porterà a pagare dei ricchi dividendi. I paesi industrializzati hanno un maggior premio in questa faccenda. Se questi paesi possono trasferire le tecnologie di utilizzazione della cenere ai paesi in via di sviluppo e dimostrare che ci sono state delle effettive riduzione nella istallazione di nuovi impianti di cemento in questi paesi, i primi (cioè i paesi industrializzati) potranno richiedere l’accreditamento dovuto alla ridotta emissione di CO₂.
Allo scopo di dare un’idea dei premi finanziari coinvolti, si è stimato che costerà 100 miliardi di dollari in Canada per i prossimi 15 anni tagliare le emissioni di gas serra secondo gli impegni presi nel Protocollo di Kyoto. Da allora il Canada ha approvato il protocollo di Kyoto per ridurre l’emissione dei gas serra del 6% al di sotto del 1990 entro l’anno 2010-2012.

Conclusioni

Gli argomenti ambientali associati con la emissione di CO₂ nella produzione del cemento Portland richiede che i materiali cementizi supplementari in generale, ed in particolare la cenere volante, la loppa d’altoforno e la cenere di pula di riso, siano usati in quantità sempre maggiore per sostituire il cemento Portland nel calcestruzzo. Date le quantità illimitate di cenere di buona qualità nel mondo e tenendo conto dello sviluppo di tecnologie, come ad esempio quella dell’HVFA, si è proposto che la istallazione di nuovi impianti per la produzione di cemento sia evitata il più possibile. Inoltre, con l’invecchiamento degli attuali impianti di cemento Portland e la loro obsolescenza, si dovrebbero usare questi materiali supplementari cementizi per compensare la minore produzione di cemento Portland.
L’uso combinato di superfluidificanti e materiali supplementari cementizi può portare alla produzione di calcestruzzi ad alte prestazioni in modo economico con caratteristiche di durabilità migliori. Si spera che l’industria del calcestruzzo sappia mostrare la leadership e risolvere il problema della emissione dei gas serra e quindi dare un contributo ad uno sviluppo sostenibile della propria industria nel XXI secolo adottando le nuove tecnologie per ridurre le emissioni dei gas serra, e contribuire così al raggiungimento degli obiettivi e degli scopi del protocollo di Kyoto nel 1997.