Nuovi tipi di cemento biocompatibili

1. Biocementi
Alternative all’uso del cemento Portland

2. Perché cambiare?
• Emissione in atmosfera del 5% della CO2 prodotta da attività umane (7 tonnellate di CO2
per tonnellata di cemento ) e del 7% del uso di combustibili fossili .
• Impatto ambientale in molti aspetti della biosfera.
• Progressivo degrado di strutture costruite poche decine di anni fa.
• Riutilizzo di scarti industriali per poter recuperare costi di produzione e
risparmiare su smaltimento di scorie (economia circolare).

3. È necessario cambiare sistemi di produzione il prima possibile dal
momento che nei prossimi anni la domanda di cemento nel mondo è
destinata ad aumentare. Secondo l’organizzazione per lo sviluppo e la co-
operazione economica questo sarà il trend nei prossimi decenni.

4. La produzione del cemento ad oggi

5. Possibili soluzioni
• Migliorare i sistemi di produzione già in uso
• Produzione di SCM (supplementary cementious materials)
• Geopolimeri

6. Fonti alternative di energia
Pro
• Possono essere usati fonti alternative
nella pre-calcinazione come: pneumatici,
residui animali, fanghi di depurazione oli
di scarto e biomasse. Quando sono usati
nella pre-calcinazione non influenzano le
proprietà del clinker.
• Riduzione dell’emissione di CO2 per una
cifra significativa.
Contro
• Problemi di tipo burocratico e legislativo
• Il network di raccolta di rifiuti locale deve
essere adeguato.
• Carburanti alternativi possono avere alti
costi sia da un punto di vista economico
sia dal punto di vista ambientale.
• Limitazioni dal punto di vista fisico-
chimico.
• Possibile presenza metalli tossici.
• Se le fonti alternative di energia sono
usate direttamente nel forno dove avviene
la calcinazione possono introdurre
polimorfi non voluti. È necessario prestare
attenzione a: fosforo, zolfo e ossido di
sodio.

7. SCM
• Loppe di altoforno
• Fly-ash
• Lolla di riso
• Marmettola
• Calcare (non calcinato)
• Pozzolana
• Metacaolino

8. Loppe
Composizione: in massa almeno 2/3 di ossidi di calcio,magnesio e biossido di
silicio il resto ossido di alluminio ed altre impurità
• Già usate nei cementi di tipo III con un utilizzo fino al 95% in massa nel
clinker.
• Lenta ad indurire.
• Resiste bene attacchi solfatici vista la minor presenza di ettringite
• Sviluppa meno calore di idratazione.
• Minore tendenza al dilavamento ( grazie alla minore presenza di calce che in
presenza di acque aggressive può lasciare una struttura porosa).

9. Fly-ash
• Contengono Si, Al e in alcuni casi Ca.
• Scorie della combustione del carbone.
• Rispetto al cemento Portland classico garantiscono:
minor calore di idratazione, maggior
impermeabilità del manufatto e maggior fluidità
dell’impasto.
• Due tipi di ceneri volanti F ( a più alto tenore di
silice ed allumina) ed C ( con contenuto di ossido di
calcio superiore al 5%).

10. Metacaolino
• Contiene principalmente Si e Al.
• Migliora notevolmente resistenza e durabilità, i
risultati migliori con percentuale di sostituzione
tra il 10% e il 15 %.
• Resiste attacchi solfatici (riducendo formazione
ettringite).
• Temperatura di reazione dall’argilla caolinica al
metacaolino di soli 800°C.
• Alti costi di purificazione (alto uso di acqua
durante il processo) e delle materie prime e
competizione con altre industrie.

11. Lolla di riso
Si prende lo scarto della lavorazione del riso, lolla, e lo si fa bruciare in assenza di ossigeno a
800°C ottenendo una polvere con SiO2. Le ceneri contengono fino al 17% di silice. Possono
essere usate anche come isolanti termici. Il suo utilizzo contribuisce ad abbassare l’emissione di
CO2 dal momento che tradizionalmente viene bruciata.

12. Lolla di riso/ rifiuti vetrosi
Studio effettuato per confrontare le proprietà del cemento realizzato con aggiunta di lolla di riso e
rifiuti vetrosi . Entrambi sono stati fatti reagire con un geopolimero a base metacaolinica. Come
attivatore alcalino è stato usato in entrambi i casi Na2O (in soluzione acquosa da NaOH). G1
rappresenta il cemento con rice ash mentre G2 quello con waste glasse.
• Si può notare la differenza di
contenuto dei due principali
componenti nei 3 campioni

13. Microstruttura
• Il metacaolino non reagito in G1 porta ad un «gel» di geopolimero che non lega bene con il
network di fondo. In G2 ci sono meno aree di metacaolino non reagito
• La presenza di ioni di Ca nella struttura di G2 porta ad una struttura più paccata e di
conseguenza più forte.

14. Influenza ioni Calcio
In questo caso (come nel caso del cemento Portland classico) si formano i cosiddetti C-(A)-
S- H, ossia una fase poco ordinata basata su catene di silicio e alluminio.
La presenza di ioni Calcio (provenienti dai vetri di scarto) coinvolge reazioni di calcio
con specie alluminate e silicate. Queste reazioni continuano fino al termine della
disponiblità di Ca consumando ioni OH- durante l’idrolisi di queste catene.

15. Resistenza alla compressione
• Possiamo notare la maggior
resistenza a compressione di G2
data dalla presenza ioni Ca dentro i
mesopori del gel geopolimerico e
contribuisce alla protezione dei
legami Al-O-Si.
• Resistenza comparabile al cemento
Portland classico.
In generale le proprietà meccaniche del geopolimero a base di metacaolino dipendono da:
• Il tipo di sorgente di silice usato.
• Dalla quantità di metacaolino non reagito
• Dalla grandezza dei pori.

16. Problematiche
• Alti costi di alcune materie prime
• Emissione di CO2 con qualsiasi tipo di sostituto al Portland
• NECESSITA’ DI USARE ATTIVANTI ALCALINI. Questo tipo attivanti (come NaOH, KOH,
Na2SiO3) hanno un impatto ambientale molto alto specialmente dal punto di vista di
inquinamento delle acque. Il loro uso in ambienti industriali necessiterebbe inoltre di una
notevole formazione del personale.
• La mancanza di studi approfondi sulla durabilità dopo decenni di questo tipo di cemento.
• La necessità di costruire un nuovo iter legislativo.

17. Vantaggi
• Resistono bene alla penetrazione di cloruri.
• Resistono bene a fuoco ed acidi.
• Possiamo stoccare al loro interno rifiuti industriali.
• Bassa conducibilità termica.
• Per quelli contenenti fly-ash e loppe è necessaria meno acqua di idratazione.
• Non servono superplasticizzanti.
In generale possiamo affermare che:

18. Cementi a base solfo-alluminata
• Studiati per abbassare le temperature di clikerizzazione, attraverso l’uso di fasi intermedie
contenenti belite, ye’elimite (Ca4 ( AlO2 )6 SO4)
• La fase di idratazione di questo tipo di cementi è diversa da quella tradizionale dal
momento che la fase di ye’elleminte più un aggiunta di anidrite porta alla formazione di
ettringite più una fase amorfa di gel di Alluminio idrossido.
• Non appena finito il solfato di Calcio disponibile la ye’ellemite continua ad idratare
per dare un mono solfo-alluminato in aggiunta al AH3.
• Si forma stratlingite a breve periodo invece di C-S-H.
• A 14 giorni dalla posa la maggior parte degli idrati è cristallino e
contemporaneamente inizia a formarsi il C-S-H.
• La riduzione di CO2 immessa in atmosfera con questo tipo di cementi è del ordine
del 20/30 %.

19. Celiment
La produzione di Celiment richiede tre fasi:
• La calcinazione del calcare per renderlo CaO.
• Reazione di calce e silice in autoclave a 200°C in acqua per produrre α-C2SH.
• Essiccazione e mescolamento con silice (quarzo).
Vantaggi:
• Riduzione della CO2 prodotta fino al 50%.
• Resistenza alla compressione dopo 28 giorni di 80 Mpa.
• Bassa permeabilità e di conseguenza utile nel ritardare la corrosione delle barre
di acciaio del cemento armato
Svantaggi:
• La necessità di superplasticizzanti.

20. Cementi a base ossidi Magnesio
MgO è molto diffuso nella crosta terrestre ma è sempre presente legato. Infatti MgO è molto
reattivo e difficile da purificare.
• Già usati 140 anni fa ma il contenuto di Brucite (Mg(OH)2) li rendeva troppo sensibili all’acqua.
• Novacem ha ideato un sistema per purificarlo a partire da peridotite e altri silicati che sono molto
abbondanti nella crosta terreste. L’intero processo sviluppa CO2 in maniera contenuta
• Se si usa una carbonatazione supercritica ad alta pressione si decompone il silicato di magnesio
in magnesite e silice amorfa. La CO2 in questo tipo di processo potrebbe essere usata come
catalizzatore.
• La basicità del MgO è troppo bassa per
riuscire a passivare l’acciaio.
• Mancanza di studi sulla CO2 realmente
emessa.

21. Fonti
• «The role of inorganic polymer tecnology in the development of green concrete»
Duxson, Provis, Lukey, Van Deventer.
• «A physico-chemical basis for novel cementitious binders» Gartner , Macphee.
• «Environmental impact of Portland cement production» Habert.
• «Life cycle assessment (LCA) of alkali-activated cements and concretes» Ouellet-
Plamondon, Habert.
• « Geopolymer binders from metakaolin using sodium waterglass from waste
glass and rice husk ash as alternative activators: A comparative study»
Tchakoute’, Ruscher, Kong, Kamseu, Leonelli.
• «Alkali-activated binders: A review Part 1. Historical background, terminolgy,
reactions mechanisms and hydration products» Pacheco-Torgal, Castro-Gomes,
Jalali.