Cementi innovativi: nuovi tipi e sostituti del clinker

27/09/2023 - “Se l’industria del cemento fosse un Paese, sarebbe il terzo più grande emittente di CO₂ del mondo dopo Cina e Stati Uniti”. Così la BBC interveniva in passato su una criticità legata alla produzione del cemento ancora oggi molto attuale.
 
Secondo la Global Cement and Concrete Association (GCCA), ogni anno vengono gettati circa 14 miliardi di metri cubi di calcestruzzo. In tal modo, la sola produzione del cemento è responsabile fino al 7% delle emissioni globali di CO₂.
 

La composizione del clinker

Si definisce clinker di portland il prodotto che si ottiene dalla cottura a temperatura di 1450°C di miscele di rocce calcaree (circa il 75%) e argilla (circa il 25%).
 
Aggiungendo al clinker il gesso, si ottiene il cemento, utilizzato per produrre il calcestruzzo, il materiale impiegato per la maggior parte delle opere realizzate dall’uomo.
 
Il clinker in uscita dai forni, una volta fatto raffreddare bruscamente, si presenta sotto forma di granuli. Questi granuli sono costituiti principalmente da minerali, l’alite (C₃S) per il 35-65%, la belite (C₂S) per il 10-40% e poi altri minerali come la celite e la fase ferrica in quantità nettamente minori.
 
Il clinker ottenuto è un legante a comportamento idraulico ovvero un materiale che, finemente macinato e unito con elementi solidi inerti, una volta mescolati con acqua, formano una pasta inizialmente deformabile e lavorabile, che si indurisce gradualmente sia all'aria che in acqua, fino ad assumere consistenza pietrosa.
 
Successivamente il clinker viene immagazzinato in grandi silo e macinato in relazione alle necessità, con diversi tipi di sostanze di carica al fine di ottenere le varie tipologie di cemento.
 
Sia l’alite che la belite sono due costituenti fondamentali del clinker. L'alite contribuisce alla resistenza iniziale del cemento, il che significa che il cemento indurisce rapidamente dopo la miscelazione con l'acqua; la belite contribuisce alla resistenza a lungo termine: essa reagisce più lentamente con l'acqua rispetto all'alite ma la sua reazione continua nel tempo contribuendo a consolidare e aumentare la resistenza del cemento con il passare del tempo.
 
La combinazione di questi due costituenti nel clinker è essenziale per ottenere le proprietà meccaniche e fisiche desiderate nel cemento.
 

Perché l’impatto ambientale del cemento è così forte

La maggior parte delle emissioni viene generata nel corso del processo di fabbricazione del clinker di cemento portland, sia per i materiali impiegati che per l’energia consumata.
 
Si stima che di tutte le emissioni globali del cemento:

• il 70% proviene dal processo di fabbricazione;
• il 30 % proviene dall’energia necessaria ad alimentare il processo.

 
Il processo di cottura, che avviene in forni rotativi ad alte temperature, genera e produce anidride carbonica; il rapporto è quasi 1:1, ovvero per chilogrammo di clinker di cemento portland prodotto viene rilasciato in atmosfera un quantitativo di biossido di carbonio (CO₂) mediamente pari a 1,05 kg.
 
Anche l’energia per produrre il clinker è molto elevata: si stima che l'energia teorica sia di 1700 Joule per grammo di clinker ma, a causa delle dispersioni, il valore è molto più alto e può arrivare fino a 3000 Joule per grammo.
 

Ridurre l’impatto con cementi ecocompatibili

Queste stime sottolineano chiaramente la non sostenibilità del processo, in vista soprattutto del 2050, in cui l’Europa e quindi anche l’Italia, ambiscono alla carbon neutrality.  
 
La riduzione o l'eliminazione delle emissioni di CO₂ è un obiettivo chiave del settore; molte aziende si sono mobilitate da tempo per trovare soluzioni e azioni in grado di ridurre l’impatto che la produzione di questo materiale ha sull’ambiente.  
 
Sono tante e diverse le strade che si possono intraprendere per ottenere un calcestruzzo sostenibile. Conosceremo in questo Focus lo sviluppo di due leganti, delle vere e proprie alternative ecocompatibili al clinker di cemento portland, in grado di limitare le emissioni di CO₂.
 

Cemento Portland reattivo ricco di belite (RBPC)

La capacità del cemento portland di indurire dipende dall’alite e dalla belite. Nel cemento ordinario l’alite è presente in percentuali superiori.
 
I moderni cementi hanno contenuti di alite molto elevati rispetto al clinker portland prodotto più di cento anni fa, perché la domanda del mercato per calcestruzzi con rapido indurimento ha spinto i produttori di cemento verso contenuti di alite sempre più elevati, a scapito di una maggiore emissione di CO₂.
 
Nel RBPC (Reactive Belite-rich Portland cement) questo rapporto è invece invertito e la belite si trova in quantitativi maggiori.
 
L’RBPC non è un concetto nuovo: negli anni ’30 fu utilizzato per realizzare la diga di Hoover negli USA. Poi il suo utilizzo si fermò e solo a partire dalla fine degli anni ’90 la Cina ha iniziato a produrlo su scala industriale.
 
I cementi ricchi di belite emettono meno CO₂ perché richiedono temperature inferiori di clinkerizzazione e di conseguenza meno energia; dai risultati cinesi si evince che gli RBPC consumano il 10-20% in meno di energia termica.
 
Altre caratteristiche di questo prodotto sono:
 

• ritiro inferiore;
• maggiore resistenza alle fessurazioni;
• elevata resistenza all’ invecchiamento;
• minore richiesta acqua nel processo di idratazione.

 
I cementi RBPC possono essere prodotti in cementifici convenzionali, infatti vengono definiti portland. La diffusione del suo utilizzo è tuttavia ostacolata, come si può intuire, dai tempi di presa più lunghi rispetto al cemento portland ordinario; quindi, il loro utilizzo è attualmente limitato solo dalla domanda del mercato ⁽¹⁾.
 

Cemento a base di calcio solfoalluminato ad alta belite (BCSA)

I BCSA non sono ancora commercializzati in misura significativa, ma in termini di livello di sviluppo scientifico e tecnico sono abbastanza avanzati poiché si basano su conoscenze che esistono da diversi decenni.
 
Infatti, i BCSA sono un’evoluzione dei cementi a base di calcio solfoalluminato (CSA); quest’ultimi sono l’esempio tangibile di come sia possibile ridurre l'impatto ambientale, grazie alle temperature di clinkerizzazione più basse e alle corrispondenti minori emissioni di CO₂, circa il 25%÷30% in meno rispetto al clinker portland convenzionale.
 
La composizione dei CSA è caratterizzata dalla ye’elmite, un minerale che conferisce al cemento elevate resistenze iniziali e tempi di presa brevi. Ma un CSA a differenza di un cemento convenzionale ha una durabilità minore.
 
Con l’aggiunta di alti quantitativi di belite, che è responsabile della resistenza del cemento nel lungo termine, si ridimensiona questa criticità. Unendo i vantaggi della belite e della ye’elmite si ottiene un prodotto più duraturo nel tempo.
 
La produzione del BCSA richiede minori temperature di clinkerizzazione, riducendo le emissioni di anidride carbonica legate al processo e all'energia di circa il 30% rispetto al cemento Portland ordinario. ⁽¹⁾
 
Rimangono tuttavia alcuni dubbi sulla diffusione del cemento BCSA, il primo legato proprio alla durabilità ed in particolare sulla sua resistenza alla carbonatazione, che è un processo chimico di deterioramento delle superfici in calcestruzzo e quindi un rischio per il rinforzo in acciaio; l’altro è relativo ai costi delle materie prime più alti rispetto al cemento portland convenzionale ⁽¹⁾.
 

Perché la ricerca sui clinker innovativi?

Ci sono tanti altri approcci alternativi al clinker di cemento portland, che tratteremo in altri approfondimenti. Ma quello che è chiaramente emerso è che il tema dell’innovazione del cemento e quindi del calcestruzzo non è procrastinabile. Sostenere e promuovere l'innovazione nel settore del cemento e del calcestruzzo è fondamentale per migliorarne la sostenibilità e ridurre l'impronta di CO₂.
 
 
 Bibliografia: Ellis Gartner e Tongbo Sui, Cement and Concrete Research, © 2017 Elsevier Ltd

⁽¹⁾<https://gccassociation.org/>