INTRODUZIONE

L'impiego di loppa d'altoforno o di cenere volante rappresenta uno dei maggiori contributi dell'industria del cemento e del calcestruzzo al progresso tecnologico (in termini di migliori prestazioni) ed allo sviluppo sostenibile (per il ri-utilizzo di scorie di altri processi industriali).
Tuttavia, l'impiego congliunto di loppa d'altoforno e cenere volante in forma di cemento composito tipo CEM V previsto dalla normativa europea è piuttosto difficoltoso da reperire in Italia di questo legante nei cementifici italiani: si consulti in proposito il sito aggiornato allo 05/05/2004 www.itc.cnr.it Þ certificazione CE dei cementi in conformità all'allegato 2A della norma EN 197-1:2000.

TANTI VANTAGGI E QUALCHE PERPLESSITA' SUL CEM V

Val la pena di ricordare brevemente gli eccezionali vantaggi in termini di durabilità conseguibili con l'impiego di un legante a base di loppa e cenere sulla base dei dati disponibili in letteratura [1-4]:

1. invulnerabilità dallla reazione alcali-aggregato nelle zone con aggregati a rischio di ASR.
2. maggiore resistenza alla penetrazione dei cloruri e quindi migliore protezione dei ferri dalla corrosione nelle opere marine ed autostradali esposte a salatura nei periodi invernali.
3. minor sviluppo del calore di idratazione e quindi minore esposizione al rischio di feessurazione indotta da eccessivi gradienti termici (> 20°C) nelle strutture massive con spessori oltre 30 cm.

Le maggiori perplessità sull'impiego di un cemento tipo CEM V riguardano:

- le prestazioni meccaniche alle brevi stagionature soprattutto in climi freddi per il basso tenore di clinker portland (40-64%) responsabile dell'indurimento iniziale;
- il maggior rischio di carbonatazione per il ridotto quantitativo di calce disponibile nel calcestruzzo sempre a causa del minor contenuto di clinker di cemento portland.

SCOPO DELLA RICERCA

L'unico modo che rende praticabile la produzione di calcestruzzo con leganti a base di loppa e cenere consiste nell'impiego di un cemento d'altoforno reperibile in Italia (per es. CEM III A) con l'aggiunta di cenere volante in centrale di betonaggio.
L'obiettivo della ricerca è stato quello di verificare la fattibilità di questo calcestruzzo caratterizzato da naftalina solfonata (SN) o di polimero acrilico (AP).

Tabella 1 - Composizione dei calcestruzzi in classe di consistenza S4.

PARTE SPERIMENTALE

E’ stato utilizzato un cemento d’altoforno CEM IIIA ottenuto per macinazione di un clinker di cemento Portland (58%) loppa d’altoforno (38%) e gesso come regolatore di presa (4%).
Esprimento le percentuali di clinker e loppa senza tener conto del gesso esse diventano rispettivamente il 60 ed il 40%.
Le prestazioni meccaniche del CEM III A sono state variate regolando la finezza di macinazione a circa 3800 cm²/g o a 4500 cm²/g per ottenere rispettivamente CEM III A 32.5N e CEM III A 32.5R.
La cenere volante, prelevata da una centrale termoelettrica dell’ENEL, era di tipo silicico (SiO₂=60%), e presentava una percentuale di incombusto del 5,1% ed una finezza Blaine di circa 3500 cm²/g.
Sono stati confezionati quattro calcestruzzi tutti con 350 kg/m³ di CEM III A e 110 kg/m³ di cenere volante silicica: esprimendo la percentuale di clinker, loppa e cenere nel sistema “CEM III A + cenere” si ottengono rispettivamente 46%, 30% e 24%. Questi valori sono congruenti con la composizione percentuale del CEM V secondo la EN 197-1: (clinker: 40-64%; loppa= 18-30%; cenere= 18-30%).
I calcestruzzi, tutti con classe di consistenza S5 subito dopo la miscelazione, presentavano lo stesso rapporto acqua/cemento (0.43) ed acqua/legante (0.33); per quest’ultimo si è messo in conto anche la cenere oltre al cemento CEM III A.
I calcestruzzi sono stati conservati nello stato fresco fino ad 1 ora per rilevare la perdita di lavorabilità nel tempo (Fig. 1).
Con i conglomerati sono stati confezionati provini cubici stagionati fino a 90 giorni alle temperature di 20°C o di 5°C per simulare condizioni climatiche invernali. Alle stagionature di 1-3-7-28-90 giorni sono state determinate le resistenze meccaniche a compressione (Fig. 2 e 3).
Sui provini sformati a 1 giorno e conservati alll’aria è stata misurata la penetrazione dell’anidride carbonica con il test alla fenoftaleina [4]: i risultati sono mostrati in Fig. 4.
Sui provini sformati a 1 giorno, stagionati a umido per 1 settimana ed all’aria per 3 settimane, sono stati immersi in una soluzione di cloruro di sodio (10%) ed è stata determinata la penetrazione del cloruro con il test al nitrato d’argento e fluoresceina [4,5]: i risultati sono mostrati in Fig. 5.

Fig. 1 - Influenza del tipo di additivo (acrilico AP o naftalinico SN) e della classe del CEM III A 32.5 (N oppure R).

Fig. 2 - Andamento della resistenza meccanica (Rc) di calcestruzzi N () ed N' () (vedere Tabella 1)

Fig. 3 - Andamento della resistenza meccanica (Rc) di calcestruzzi R () ed R' () (vedere Tabella 1)

RISULTATI E DISCUSSIONE

I risultati mostrati in Tabella 1 evidenziano che a parità di lavorabilità iniziale (classe di consistenza S5) e di rapporto a/c (0.43) occorre aumentare il dosaggio dell’additivo superfluidificante da 0.9% per il prodotto acrilico (AP) ad 1.5% per il prodotto naftalinico (SN).
L’efficacia dell’additivo AP nella migliore conservazione della lavorabilità (Fig. 1) rende questo additivo più prestazionale in termini di slump sul cantiere dopo un certo tempo di trasporto dall’impianto di betonaggio.
Le prove di conservazione della lavorabilità (Fig. 1) mostrano in generale un buon comportamento. In particolare l’impiego del CEM 32.5N e del superfluidificante acrilico (AP) comportano una perdita di slump nulla fino a circa un’ora. La perdita di lavorabilità aumenta, con l’impiego di un cemento più finemente macinato come il CEM III A 32.5R oltre che, come si è già detto, con l’adozione di un superfluidificante naftalinico (SN). Il problema della conservazione della lavorabilità appare ovviamente meno importante per i calcestruzzi prefabbricati con tempi tra miscelazione e getto solitamente inferiore a 15 minuti.
Le prestazioni in termini di resistenza meccanica dei calcestruzzi N ed N’ - confezionati con CEM III A 32.5N e cenere volante - sono davvero spettacolari (Fig. 2) anche a basse temperature (5°C) per il basso rapporto acqua/legante di fatto adottato (0.33). A 28 giorni la prestazione risulta in ogni caso circa 60 MPa indipendentemente dalla temperatura (5-20°C) e del tipo di additivo (AP-SN). La resistenza meccanica a 1 giorno ed alla temperatura di 5°C è comunque più che accettabile (5 MPa) e diventata circa 20 MPa a 20°C.
Tuttavia, se occorre una maggiore prestazione iniziale, l’impiego congiunto di cenere volante con un cemento più finemente macinato come il CEM III A 32.5R - consente di superare 10 MPa a 1 giorno anche in climi sfavorevoli (5°C) come è mostrato in Fig. 3, purché si impieghi un additivo superfluidificante capace di abbassare adeguatamente il rapporto a/c.
Le prestazioni meccaniche a 20°C con CEM III A 32.5R e cenere volante rendono applicabile questo calcestruzzo anche in prefabbricazione: oltre 30 MPa a 24 ore senza impiego di vapore).
Le prestazioni di durabilità nei confronti della carbonatazione (Fig. 4) sono altrettanto straordinarie come quelle, già note dalla letteratura [5], per la penetrazione del cloruro (Fig. 5).

Fig. 4 - Penetrazione della CO2 all'interno dei calcestruzzi tutti con cenere = 110 kg/m3.

Fig. 5 - Penetrazione del cloruro all'interno dei calcestruzzi tutti con cenere = 110 kg/m3.

CONCLUSIONI

L’impiego di cenere volante (110 kg/m³) in un calcestruzzo confezionato con cemento d’altoforno CEM III A (350 kg/m³) dove si adotta un rapporto a/c di 0.43 ed un rapporto acqua/legante (inclusiva della cenere) di 0.33 consente di attuare:

- prestazioni straordinarie in termini di resistenza meccanica a breve stagionatura;
- prestazioni straordinarie in termini di durabilità per le esposizioni alla carbonatazione ed ai cloruri;
- ridotti gradienti termici per il basso contenuto di clinker Portland presente nel calcestruzzo (210 kg/m³).

BIBLIOGRAFIA

1. R.N. Swamy, Cement Replacement Materials, Survey University Press, 1986.
2. S. Nagataki, Mineral Admixtures in Concrete: State of the Art and Trends, ACI-SP_144, pp. 473-484, 1994.
3. A. Borsoi, S. Collepardi, L. Coppola, R. Troli and M. Collepardi, Superplasticized Concretes with Slag-Fly Ash-Portland Cement, Supplementary Papers of the Proceedings of Sixth CANMET/ACI International Conference on Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete, Nice, pp. 93-103, 2000.
4. M. Collepardi, Il Nuovo Calcestruzzo, 3a Edizione, Editore Tintoretto, Villorba (TV).
5. M. Collepardi, A. Marcialis, R. Turriziani, Penetration of Chloride into Cement Pastes and Concretes, Journal of American Ceramic Society, Vol. 53, pp. 534-535, 1972.