IMPIEGO DI FUMI DI SILICE NEI CALCESTRUZZI. ASPETTI

IGNI
IMPIEGO DI FUMI DI SILICE
NEI CALCESTRUZZI.
ASPETTI TECNOLOGICI E NORMA TIVI
Articolo pubblicato nel numero 17/98 della rivista "In Concret08.
INTRODUZIONE.
Nell'ambito dell'applicazione di sottoprodotti industriali al campo del calcestruzzo il
fumo di silice rappresenta senza dubbio, oggi, uno dei materiali più stimolanti e che più
può dare soddisfazione sia ai ricercatori che agli utilizzatori. Trattandosi di un
sottoprodotto di lavorazioni industriali, è importante che esso sia sottoposto ad un attento
controllo di qualità onde evitare che la presenza di materiali deleteri superi determinati
livelli. Questo, al momento, è garantito dai vostri fornitori. E' tuttavia attivo un Working
Group europeo 0NG 9) che in seno al TC 104 sta predisponendo la normativa ad hoc
prevista dalla EN 206. AI momento attuale la norma è allo stato di "Final Orafi" ed è
pubblicata come documento CEN nr. 43.
La Microsilice altrimenti detta Silica Fume (in italiano Fumo di Silice - in sigla SF),
originariamente recuperata, in Norvegia, nell'ambito di un programma contro
l'inquinamento dell'aria, fu aggiunta sperimentalmente nel calcestruzzo già nel 1951. Per
vedere alcuni esempi applicativi concreti e commercialmente validi si doveva però
attendere il 1976-77. Da allora e per molti anni, l'applicazione prevalente della microsilice
si è avuta nei calcestruzzi spruzzati fibrorinforzati. E' stata proprio questa applicazione
così particolare, di solito effettuata in condizioni estreme, a fornire una valida ed esaustiva
conoscenza dei meccanismi d'azione dell'SF. La scarsa disponibilità di questo prodotto,
unitamente alla forte richiesta dovuta alle eccellenti caratteristiche conferibili ai
calcestruzzi, sono le ragioni per le quali il prezzo del fumo di silice ha raggiunto valori che
superano il prezzo del cemento,
ORIGINE COMPOSIZIONE
E CARATTERISTICHE
DEL FUMO DI SILICE.
Il fumo di silice, una polvere formata da particelle costituite quasi esclusivamente da silice
amorfa, si ottiene come sottoprodotto della lavorazione all'arco elettrico del silicio, ferrosilicio e di altre leghe metalliche a base di silicio e viene recuperato. dai filtri di
abbattimento delle polveri. In queste lavorazioni si opera una riduzione del silicio con
carbone (l'elettrodo del forno ad arco voltaico). Una piccola parte di silicio ridotta solo
parzialmente, evapora, e a contatto con l'ossigeno presente nelle parti più fredde del forno
si ossida nuovamente condensando in particelle sferiche: il Fumo di Silice appunto.
Il Fumo di Silice, chimicamente parlando, è costituito in prevalenza di silice (85-98%) da
costituenti minori (ossidi di alluminio, ferro, calcio e magnesio) e, molto più raramente, da
piccole quantità di carbone incombusto. La presenza di costituenti secondari è funzione
diretta del tipo di lega sottoposto a lavorazione. Nelle tabelle seguenti sono presentate
alcune delle caratteristiche salienti dei tipi di Silica Fume più comuni.
Vedi tabelle 1 e 2,
.
- pag 2 TAB.1 - Composizione chimica di fumi di silice derivanti dalla produzione di silicio o leghe
di ferro-silicio.
Componenti %
SiOz
SiC
C
FeZO3
AlzO3
CaO
MQO
NazO
KzO
Altri
Perditaal fuoco
Colore
Si metallico
94 - 98
0,2 - 1,0
0,2 - 1,3
0,02-0,15
0,1 - 0,4
0,1 - 0,3
0,3 - 0,9
0,1 - 0,4
0,2 - 0,7
0,1 - 0,5
0,8 - 1,5
Provenienza (produzione leghe)
90% Fe-Si 74% Fe-Si 50% Fe-Si
92 - 95
86 - 90
85 - 89
-----0,2 - 0,5
0,1 - 0,4
1 -2
0,5 - 1.2
0.8 - 1,3
0,2 - 0,8
0,4 - 1,0
0,4 - 1,0
0,5 - 1,2
0,2 - 0,7
0,1 - 0,5
0,4 - 0,8
0,7 - 2,0
Grigio scuro Grigio scuro
0,3 - 1.0
0,2 - 0,6
0,2 - 0,6
1,0 - 3,5
0,8 - 1,8
1,5 - 3,5
0,5 - 0,9
2,0 - 4,0
Grigio
Bianco
7-8
0,5 - 1
0,5 - 1
0,5 - 1
------------------3-4
Fe-Cr-Si
82 - 84
---
1-2
0.5 - 1,5
2-3
0.5 - 1
6-8
0,5-1
1-2
--------2-3
Grigio chiaro Grigio chiaro
TAB.2 - Caratteristiche del Fumo di Silice
articelle
Per l'uso in calcestruzzo, il fumo di silice, si presenta: sotto forma di polvere "tout venant"
(cosi com'è scaricata dai filtridi abbattimento delle polveri che la producono), oppure sotto
forma di polvera compatta (microsilice densificata) o di slurry (fango) al 50% di solido.
Le esperienze sin qui fatte, mostrano che l'impiego dello "slurry" e del "tout-venat" offrono i
risultati migliori e più ripetibili. La silice densificata pur offrendo maggior facilità d'uso
sembra essere meno attiva. In Italia l'uso prevalente riguarda la polvere tout-venant.ln
questa forma essa è disponibile in sacchi da 1O kg, in big-bag da 500 kg circa, sfuso in
autosilos come il cemento. La manipolazione del materiale fornito in autosilos può
presentare qualche problema, soprattutto in relazione allo scarico dei sili di stoccaggio. E'
comunque sufficiente aumentare il flusso d'aria nel cono di scarico. per riuscire ad
alimentare ogni impianto di dosaggio. In ogni caso la vibrazione non è del tutto utile
mentre può essere molto vantaggioso lo scuoti mento (per esempio montando all'interno
del silos delle catene vibranti). /I fumo di silice, abbiamo detto, è un materiale
completamente amorfo. L'osservazione al microscopio elettronico, mostra la presenza di
sferette, raggruppate a formare delle aggregazioni "a grappolo", la cui dimensione, che
può arrivare a diverse decine di micron, facilita di molto l'uso ed il dosaggio dell'SF. I
legami tra le sferette all'interno del grappolo sono però talmente tenui che l'agitazione
meccanica necessaria alla preparazione del calcestruzzo trasforma facilmente il fumo di
silice nel materiale finissimo che in effetti è.
MECCANISMO DI AZIONE DEL FUMO DI SILICE NEL CALCESTRUZZO.
Il fumo di silice possiede, in relazione alla sua natura chimico fisica, svariate e distinte
funzioni: la funzione di filler e quella pozzolanica sono le più eclatanti ed entrambe si
collocano ad un livello molto superiore a quello di altri materiali molto noti quali le teneri
volanti e le pozzolane naturali.
1. La funzione di filler. (fiq. 1)
".
La funzione di filler è legata, ovviamente, alla finezza estrema posseduta da questo
materiale che è, sia cq,me diametro medio dei granuli sia come superficie specifica, circa
100 volte più fine del cemento. Ciò consente ai granuli di fumo di silice di collocarsi tra i
granuli più grossi del cemento per creare una struttura estremamente compatta che lascia
a disposizione dell'acqua uno spazio ridotto. Vale qui la pena di ricordare che solo una
minima parte dell'acqua di impasto risulterà combinata chimicamente con il legante; la
restante, evaporerà più o meno velocemente lasciando dei vuoti, spesso macroscopici,
che vanno ad aumentare in modo notevole la porosità accessibile del calcestruzzo.
Quanto detto, sembrerebbe in contraddizione con il fatto che il fumo di silice presenta
un'elevata richiesta d'acqua. In verità questa elevata quantità d'acqua ha soprattutto la
funzione di disperdere le particelle in modo uniforme. Se a questo scopo si impiega un
opportuno disperdente - riduttore d'acqua ad alta efficacia, è molto facile confezionare
calcestruzzi con rapporto NC inferiore a D,3D, al tempo stesso fluidi e privi di
segregazione, adatti per ogni tipo di posa in opera. Per questo, l'uso del fumo di silice, non
è mai disgiunto dal contemporaneo impiego di buoni additivi superfluidificanti.
2. La funzione pozzolanica: (fiq. 2)
La funzione pozzolanica è legata alla composizione chimica ed alla natura morfologica
dei granuli di silice che sono altamente reattivi. La misura dell'attività pozzolanica con il
saggio Fratini, di Norma per i cementi pozzolanici, conferma che si ottengono risultati
eccellenti con dosaggi di silice che sono meno di un terzo di quelli della miglior pozzolana
disponibile in Italia. Per questo, il fumo di silice, non viene e non deve essere considerato
solo un aggregato o un'aggiunta ma una parte integrante, a tutti gli effetti, della quota
cemento presente nella miscela.
3. La protezione delle armature dalla corrosione: (fiq. 3)
Il calcestruzzo è, com'è noto, un materiale particolarmente adatto a prevenire la
corrosione delle armature in esso annegate. I numerosi casi di degrado verificatisi,
soprattutto in questi ultimi anni, hanno tuttavia evidenziato la necessità di curare con
maggior attenzione la qualità del copriferro. Una via per raggiungere tale obiettivo è quella
di ridurre drasticamente la permeabilità della pasta di cemento alla penetrazione
dell'anidride carbonica, dei cloruri, de!l'ossigeno e dell'umidità. Per diminuire la
permeabilità è necessario ridurre la porosità totale del calcestruzzo (preparare calcestruzzi
molto compatti) oppure, a parità di porosità totale, ridurre la dimensione media dei pori
contenendo, il più possibile, la formazione dei grossi pori capillari. (fig. 4) Un mezzo molto
valido per diminuire la porosità totale nei calcestruzzi è appunto quello di utilizzare
aggiunte minerali finissi me. Se le aggiunte finissime hanno anche una buona attività
pozzolanica, com'è il caso del fumo di silice, si ottiene, contemporaneamente anche
altissima resistenza al dilavamento e all'erosione. L'attacco dei cloruri è contrastato
efficacemente dall'aggiunta di fumo di silice. La velocità di carbonatazione non sembra
sensibilmente influenzata dalla presenza di fumo di silice e tuttavia la grande compattezza
ottenibile rende di fatto trascurabile l'influenza di un "aggressivo" così importante e diffuso
(atmosfere cittadine, industriali, di galleria, ecc). Non si può poi trascurare che l'uso di
calcestruzzi.modificati con fumo di silice, permette un notevole aumento della protezione
dei ferri d'armatura in virtù dei suoi elevati valori di resistività elettrica.
- pago4 Numerosi test confermano infatti come la resistività del calcestruzzo modificato con fumo
di silice sia da 3 a 7 volte maggiore di quella di un calcestruzzo normale di pari rapporto
AfC. Questa proprietà fa si che risulti enormemente ritardato, se non addirittura bloccato,
-+innesco della reazione catodica (pila elettrica) che è, in definitiva, la vera responsabile
della corrosione del ferro.
4. Reazione alcali-aqqreqato.
Per concludere questa parte relativa ai vantaggi offerti dal fumo di silice, va ricordata la
capacità che esso ha di ridurre le conseguenze della reazione alcali-aggregato. La
presenza di fumo di silice fa diminuire assai rapidamente la concentrazione di alcali liberi
nel cemento. In tal modo, essi, sono sottratti alle più lente reazioni de'gli aggregati reattivi.
5. Il miqlioramento della resistenza.
Sperimentalmente è possibile dimostrare come le resistenze meccaniche aumentino in
misura proporzionale all'aggiunta di fumo di silice a causa del sommarsi delle due funzioni
quella pozzolanica e quèlla di filler.
AfC
0.7
0.7
0.6
0,6
0,5
0,5
CEM.
kg/mc
250
250
300
300
350
350
SiI. Fume
kg/rnc
-25
-30
--35
Additivo
S.Fluì.
2,7
3,3
-
5,0
Slump
cm
5
12
10
13
8
14
R28 gg
R90 gg
155
349
224
377
287
545
193
386
265
410
336
569
PERM.
pen.mm
23
10
24,7
8,7
13
11
I valori della tabella (certificazioni di laboratori ufficiali) mettono in grande evidenza la
possibilità di produrre calcestruzzi di elevate caratteristiche tecnologiche con anche
qualche vantaggio economico proprio grazie alle modifiche apportate dal fumo di silice
impiegato. Come valutare il ruolo svolto dal 'fumo di silice nello sviluppo delle resistenze
meccaniche? Se è nota la correlazione tra resistenza meccanica e rapporto AlC, nel caso
in cui una parte del cemento sia sostituita con fumo di silice si può ipotizzare che per due
calcestruzzi di pari consistenza valga la seguente equazione:
(A/C)N = «A/(C+k.F.S.»s
dove i suffissi N e S si riferiscono rispettivamente al calcestruzzo normale e al
calcestruzzo modificato con fumo di silice mentre (k) è detto "fattore di efficienza" e
rappresenta a quanti kg di cemento, in termini di resistenza meccanica, equivalgono i kg di
fumo di silice aggiunti. Se, per esempio, un calcestruzzo con 175 kg/mc d'acqua, 250
kg/mc di cemento e 25 kg/mc di fumo di silice ha fornito a 28 giorni la stessa resistenza di
un calcestruzzo normale con 175 kg/mc d'acqua e 300 kg/mc di cemento si ha:
(175/300)N = (175/(250 + kx25»s
si potrà dire allora che il fattore di efficienza (k) vale 2 e cioè un kg di fumo di silice ha dato
la stessa resistenza. meccanica che avrebbero dato 2 kg di cemento. Non esiste,
purtroppo, un unico valore di (k). Esso dipende da molteplici parametri quali:
- pago5 -
Tempo trascorso prima del controllo di resistenza
Temperatura di stagionatura
Tipo di cemento sostituito (è noto ormai che la modifica operata dal fumo di silice è
molto più marcata con cementi portland di alta qualità: 52.5 - 42.5 e anche con 32.5
tipo I e Il/A che non con cementi d'aggiunta: 32.5 tipo II/B e cementi ditipo 111
e tipo IV)
Percentuale di cemento che si sostituisce
Dosaggio di cemento nel calcestruzzo di riferimento.
In linea di massima, a 20°C, a 28 giorni di maturazione, il fattore (k) varia tra 2 e 4. Può
essere interessante allora confrontare questo valore con quello, significativamente più
basso ma anch'esso variabile, registrato per la cenere volante:
Fumo di Silice
K =
2-4
Cenere volante
0.2 - 1
Per quanto questi dati debbano essere considerati solo come una grossolana
approssimazione, resta il fatto che il fumo di silice è sicuramente da 4 a 10 volte più
efficace che non la cenere volante
IMPIEGHI.
In virtù delle elevate caratteristiche conferite al calcestruzzo dal fumo di silice esistono
svariate possibilità di impiego.In tal senso si possono distinguere tre settori fondamentali:
strutture con spessori normali, strutture sottili, calcestruzzi spruzzati.
1. Strutture con spessori normali.
In questi casi, il fumo di silice è usato prevalentemente per:
ridurre la porosità e quindi la permeabilità del calcestruzzo,
per aumentare la resistenza al gelo e disgelo
per migliorare la resistenza chimica del cemento grazie alla reazione pozzolanica che
sottrae idrossido di calcio al sistema.
La composizione del calcestruzzo in ordine agli aggregati ed al dosaggio di cemento non è
diversa da quella di un impasto normale.
Ulteriori impieghi del fumo di silice nei getti di spessore normale e, addirittura, in quelli di
spessore elevato sono:
Possibilità di ridurre il calore di idratazione all'interno di una struttura. Il fumo di silice ha
un calore di idratazione simile a quello del cemento, però, rende possibili riduzioni
importanti del dosaggio e pertanto il calore di idratazione del calcestruzzo risulterà, in
definitiva, più basso. (Nel calcestruzzo con fumo di silice, a parità di Rcl<,siregistra uno
sviluppo della temperatura 7-10 °C minore che nel calcestruzzo non modificato.)
Possibilità di confezionare calcestruzzi "su per-resistenti" (Rck > 100 Mpa) in modo
costante ed economico:
- pago6 D Mix desig di un calcestruzzo
Materiali
Cemento 42.5 Tipo I
Fumo di Silice
Additivo Superfluidificante
Slump
(cm)
Rck28 gg
(MPa)
Rck90 gg
(MPa)
D Caratteristiche
meccanica.
Inerte impiegato
Granito
Diabase
Bauxite
di
ad altissima
resistenza
Dosa
i
Materiali
ka/mc 450 Quarzite 0-4 mm
"
90 Granito Frt. 4-15 mm
"
24 Ac ua
8-10
120
150
alcuni
M.V. del Cls kg/mc
2500
2670
2870
calcestruzzi
ad
R28 gg MPa
125
165
215
"
lime
elevatissima
resistenza
M.E.28 gg Mpa
68000
65000
110000
Per confezionare calcestruzzi leggeri di Argilla Espansa.
Nei calcestruzzi leggeri di struttura il limite di resistenza meccanica ottenibile è
governato dalla resistenza allo schiaccia mento dei granuli. Buoni risultati si possono
allora ottenere solo con argille espanse appositamente prodotte. Esiste, tuttavia, nel
sistema cemento -x-- fumo di silice -x- argilla espansa una sorta di cooperazione
della pasta ad altissima resistenza che fa si che si possano ottenere calcestruzzi
leggeri con densità comprese tra 1400 e 1800 kg/mc e con resistenze tra 30 e 80 MPa.
Sarà così possibile raggiungere rapporti resistenza/peso che consentiranno la
realizzazione di opere di grande impegno: ponti, bacini galleggianti, strutture offshore,
ecc.
2. Strutture sottili.
In questo caso si dovrebbe parlare più di malte che di calcestruzzo, in quanto gli
spessori sono inferiori ai 5 cm. Si sfruttano al massimo le resistenze meccaniche del
materiale per produrre manufatti leggeri e di ottimo aspetto architettonico. In tali
condizioni,' tuttavia, può risaltare maggiormente la fragilità della pasta di cemento
modificata e pertanto è consigliabile aggiungere anche le fibre sintetiche, (fibre di
polipropilene), metalliche o di vetro alcali resistente per dare un contributo sostanziale alla
duttilità del sistema. E' il caso di lastre sottili di fibrocemento, dove, il pericolosissimo e ora
vietato amianto, è stato sostituito da fibre di propilene o da una fittissima rete in materiale
plastico. L'aggiunta del fumo di silice qui ha anche lo scopo di aumentare non solo le
resistenze meccaniche ma anche la resistenza al gelo.
Un altro caso interessante è quello delle malte destinate all'esecuzione di pavimentazioni
industriali con elevata resistenza all'usura e buona resistenza chimica. " fumo di silice
consente l'esecuzione di rivestimenti impermeabili che non richiedono più nessun ulteriore
trattamento di finitura. I risultati di tutte le prove eseguite sono risultati congruenti nel
senso che a maggiori compattezze (modifica con fumo di silice) hanno fatto riscontro
maggiori resistenze meccaniche, minor ritiro, minore profondità di erosione meccanica.
Notevoli benefici si sono notati già a partire da dosaggi di fumo di silice del 10% in peso
del cemento.
3. Calcestruzzo spruzzato.
I primi usi del fumo di silice nel calcestruzzo riguardarono, come detto, proprio questo
tipo di calcestruzzo. Sul finire degli anni 70 in Scandinavia e in Canada sono segnalati
numerosissimi lavori importanti in miniera e in galleria. Dapprima l'aggiunta di silice aveva
il solo scopo di attenuare lo sfrido grazie al ridotto rimbalzo che l'addizione consentiva poi,
visti i notevoli incrementi di resistenza ottenibili,si passò ad utilizzare questi calcestruzzi in
rivestimenti strutturali durevoli. Ad una certa maggior fragilità del calcestruzzo modificato
con fumo di silice, si supplì e si supplisce tuttora con l'aggiunta di fibre d'acciaio o
polimeriche. In realtà, è proprio la tixotropia la caratteristica delle malte e dei calcestruzzi
freschi più facilmente ottenibile con l'aggiunta di fumo di silice. Dal punto di vista pratico,
un impasto tixotropico è molto adesivo, oltre che coesivo. Ed è questa particolarità che
rende molto vantaggioso l'uso della silica fume in malte e betoncini spruzzati. Aggiunte di
piccole quantità di fumo di silice (5%) consentono di pompare facilmente impasti freschi
che, una volta spruzzati in parete, non "colano" ed aderiscono perfettamente anche in
spessori rilevanti (5-10 cm).
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