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Processing and Activation of Supplementary Cementitious Materials (SCMs): Cement Replacement Materials and Clay Activation Technology

I materiali cementizi supplementari (SCM) sono materiali sostitutivi del cemento ampiamente utilizzati, che rimpiazzano una parte del calcare o del clinker tradizionale di cemento Portland nel cemento e nel calcestruzzo. L’utilizzo degli SCM rappresenta una delle leve più efficaci per ridurre le emissioni di CO₂, poiché la produzione di clinker genera grandi quantità di CO₂: sia a causa della reazione chimica durante la calcinazione del calcare, sia per l’elevato fabbisogno energetico del processo in forno ad alta temperatura. Sostituendo, ad esempio, una parte del clinker con SCM, si riduce la quantità di clinker necessaria, abbattendo direttamente le emissioni di CO₂ legate al processo. Inoltre, molti SCM sono sottoprodotti industriali o risorse minerali disponibili localmente, il che può ridurre il consumo di materie prime vergini e favorire i principi dell’economia circolare.

Sostituto del clinker Substitute for Portland Cement
Unburnt limestone Pozzolane
Conchiglie contengono elevate quantità di calce e, una volta macinate, possono essere utilizzate in modo simile al calcare non cotto. Scorie: Waste materials from steel production are recycled. However, these industrial processes are becoming more efficient, reducing the availability of slag.
Ceneri volanti: A causa della progressiva riduzione dell’utilizzo delle centrali a carbone, la disponibilità di ceneri volanti è in costante diminuzione. Ceneri da scarti alimentari  come le bucce di riso, possono essere utilizzate per sostituire il cemento Portland.
Argille calcinate possono essere calcinate a 800 °C. Sebbene durante la calcinazione venga rilasciata CO₂ — analogamente alla cottura del calcare — le temperature richieste sono significativamente più basse. -
Tailings from mining waste can even increase strength of cement depending on their composition. The advantage lies in resource conservation, as waste is reused, e.g. instead of natural sand.

Sostituendo il clinker o il cemento Portland, si riducono significativamente le emissioni di CO₂. Inoltre, è necessario meno combustibile per il riscaldamento del forno rotante.

Omogeneizzazione delle scorie come materiali cementizi supplementari (SCM)

Una caratterizzazione affidabile in laboratorio delle scorie come materiali cementizi supplementari (SCM) inizia con una preparazione del campione. Le scorie sono spesso altamente disomogenee e possono contenere residui metallici; per questo motivo, i componenti magnetici devono essere rimossi prima delle successive fasi di lavorazione.

Per la frantumazione e l’omogeneizzazione, si utilizzano generalmente frantoi a mascelle per la pre‑frantumazione, seguiti da mulini a sfere o dal mulino a croce, come l'SK 300 per la macinazione fine. Nella scelta del frantoio a mascelle più adatto, i fattori chiave sono la dimensione iniziale delle particelle, la quantità di campione e la finezza finale desiderata.

Frantoi a Mascelle

Un approccio di pre-frantumazione in due fasi con il frantoio a mascelle — prima utilizzando un’apertura ampia e poi una più stretta — è spesso più rapido rispetto al forzare direttamente il materiale attraverso un’apertura ridotta. Frammenti di campione fino a circa 20 mm possono essere lavorati in modo efficiente con lo SK 300, che raggiunge finezze finali di circa 700 µm e, grazie al suo design robusto e alle piastre di deviazione in carburo di tungsteno, è particolarmente adatto per materiali abrasivi.

Mulino a croce SK 300

I mulini a sfere sono adatti per la macinazione fine di frammenti di scoria fino a una dimensione massima di circa 15 mm. Anche in questo caso, la scelta del tipo di mulino e dei parametri operativi dipende dalla dimensione iniziale delle particelle, dalla quantità di campione e dalla finezza finale desiderata. Per piccoli volumi fino a 20 ml, si utilizza comunemente l’MM 400. Per lotti più grandi, il TM 300 può lavorare circa 500 g di scoria con una granulometria iniziale di 5 mm fino a una finezza finale di 25 µm in poche ore e, con tamburi più grandi, può gestire anche più di 2 kg di campione.

Mulino a tamburo TM 300

Campioni di scorie

120mm, 30 kg


BB 300

15 min. | < 3 µm

15 mm, 250 g


PM 100

5 min. | < 500 µm

15 mm, 200 g


SK 300

20 min. | < 700 µm

5 mm, 500 g


TM 300

4 Ore | < 25 µm

Processing Unburnt Limestone, Seashells, and Pozzolans as Cement Replacement Materials

Several mineral cement replacement materials can be processed with standard cement‑lab grinding equipment. Unburnt limestone is ideally processed using jaw crushers followed by ball mills. Seashells also consist mainly of CaCO₃ but are thinner than typical limestone samples and can therefore be efficiently pre‑crushed using cutting mills and finely ground in the Ultra Centrifugal Mill ZM 300; the 6‑disc rotor for cutting mills is suitable for this purpose, and wear‑resistant, tungsten‑carbide‑coated rotors as well as distance sieves can be used in the ZM 300. Softer supplementary cementitious materials e.g. pozzolans or volcanic materials like pumice are likewise processed using rotor mills such as the ZM 300 for volumes up to 5 l or the SR 300 for larger sample quantities. For sieve apertures below 1 mm, cyclones facilitate sample discharge and help prevent dust formation.

Frantumazione di calcare e argilla Mulino a taglienti SM 300
Mulino Ultra Centrifugo ZM 300Mulino a rotore SR 300

Conchiglie & Pozzolane

50 mm, 100 g


BB 50


1 min. | < 2 mm

80 mm, 1 kg


Pre-frantumazione SM 200
Macinazione fine ZM 300

3 min. | 0,3 µm

5 mm, 200 g


SR 300


45 s | < 500 µm

2 mm, 90 g


ZM 300


2,5 min. | 0,1 mm

Materiali cementizi supplementari (SCM) di origine vegetale e materiali sostitutivi del cemento derivati da ceneri


I materiali di origine vegetale derivati da ceneri — in particolare quelli provenienti da scarti dell’industria alimentare come le bucce di riso — possono essere utilizzati come materiali cementizi supplementari (SCM) e come materiali sostitutivi del cemento. Possono essere omogeneizzati allo stesso modo delle scorie o del calcare. Il resistente all’usura SK 300 è particolarmente adatto per campioni abrasivi, mentre per la macinazione fine al di sotto di 500 µm si utilizzano mulini a sfere (per quantità di campione da piccole a medie) o mulini a tamburo (per quantità maggiori). Le materie prime di origine vegetale stesse (ad es. bucce di riso, pellet di gusci di semi di girasole o residui di paglia) devono anch’esse essere analizzate; per la riduzione preliminare della dimensione si utilizzano mulini da taglio, seguiti dallo ZM 300 o, per volumi maggiori, dallo SR 300 per la macinazione fine. Per campioni fibrosi, è sempre consigliabile considerare l’uso di cicloni d’aspirazione, poiché raffreddano il materiale, migliorano lo scarico del campione e prevengono la formazione di polvere; anche un’alimentazione lenta e costante o l’uso di setacci distanziatori aiuta a ridurre l’accumulo di calore. Il sistema di alimentazione DR 100 consente un’introduzione del campione più semplice e uniforme.

Fineness of the particles in the pellets depends on the type of mill used

Se il contenuto di fibre del campione macinato deve essere ridotto, i setacci nei mulini da taglio o nello SR 300 possono essere montati in orientamento inverso, oppure si può ridurre la velocità del rotore nei mulini a rotore. Per l’analisi XRF è necessaria una macinazione molto fine — spesso al di sotto di 50 µm; la scelta tra mulini a sfere e mulini a rotore dipende dall’analisi successiva, poiché i mulini a sfere forniscono risultati più fini ma richiedono più tempo e possono generare una maggiore abrasione metallica [3]. Se l’abrasione non è critica, la regola generale per ottenere risultati XRF riproducibili è: più fine è, meglio è.

Plant samples

Rice husks 8 mm, 200 g


ZM 300

8 min. | 0,5 mm

Ash from rice husks 15 mm, 450 g


SK 300

2 min. | 1 mm

Sunflower seed husk pellets 30 mm, 500 g


ZM 300

15 min. | 0,5 mm

Straw 20 mm, 300 g


SR 300

7 min. | < 200 µm

La meccanochimica incontra il cemento: alternative alla calcinazione delle argille e tecnologie di attivazione per le argille

Le argille attivate sono tra i materiali cementizi supplementari (SCM) più promettenti, poiché sono disponibili a livello globale, possono essere reperite localmente e consentono una significativa riduzione del contenuto di clinker. Tradizionalmente, le argille reattive vengono prodotte tramite calcinazione delle argille, ma l’attivazione meccanochimica rappresenta una tecnologia emergente che, in alcune applicazioni, può costituire un’alternativa interessante. L’attivazione meccanochimica delle argille — in particolare mediante mulini a sfere come il PM 100 o il PM 300 — utilizza energia meccanica per modificare la struttura cristallina, favorire l’amorfizzazione e aumentare la reattività, rendendo utilizzabile un’ampia gamma di argille locali come materiali sostitutivi del cemento. Il PM 100 e il PM 300 sono particolarmente adatti per questo processo su scala di laboratorio e pilota. Studi dimostrano che le argille attivate meccanicamente risultano più fini, strutturalmente modificate e più reattive dal punto di vista chimico rispetto alle argille calcinate, soprattutto quelle con un elevato contenuto di mica. Un elemento chiave per il controllo del processo nelle tecnologie di attivazione è il sistema GrindControl, che misura continuamente temperatura e pressione all’interno del vaso di macinazione, aiuta a prevenire il surriscaldamento e fornisce importanti informazioni sulle reazioni meccanochimiche. I sensori sono compatibili con diverse dimensioni di vaso. Durante l’attivazione delle argille, temperatura e pressione aumentano significativamente, indicando il rilascio di gas e le trasformazioni minerali; questo monitoraggio è essenziale per controllare la reattività e garantire una qualità costante degli SCM. I dati possono inoltre supportare valutazioni sulla composizione delle argille — ad esempio, materiali con un maggiore contenuto di dolomite generano pressioni più elevate a causa del rilascio di CO₂ [1].

GrindControlMulino planetario a sfere PM 100
Meccanochimica

Reattività di diverse argille dopo attivazione termica e meccanica; l’aumento della pressione misurato con GrindControl riflette il contenuto di dolomite

Uno studio [2] analizza come l’energia introdotta durante l’attivazione meccanochimica influenzi la reattività chimica delle argille, con particolare attenzione ai mulini planetari a sfere. Il mulino planetario è uno strumento di laboratorio privilegiato perché consente una regolazione precisa di parametri chiave come la velocità di rotazione, il rapporto sfere/polvere e la durata della macinazione. Analizzando quasi 100 punti dati, i ricercatori hanno individuato una forte correlazione tra l’energia introdotta e la reattività risultante delle argille. La reattività chimica aumenta rapidamente con l’incremento dell’energia fino a circa 100 kJ/g, mentre ulteriori aumenti producono solo effetti aggiuntivi limitati. In termini pratici, il mulino planetario a sfere PM 300, utilizzato ad alte velocità come 850 rpm, offre vantaggi significativi massimizzando l’apporto energetico e accelerando il processo di attivazione degli SCM a base di argilla.

Mulino planetario a sfere PM 300

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FAQ

Cosa sono i materiali di cemento supplementare (SCM)?

I materiali di cemento supplementare (SCM) sono materiali sostitutivi del cemento che rimpiazzano una parte del calcare e/o del clinker tradizionale di cemento Portland nel cemento e nel calcestruzzo.

Perché i materiali cementizi supplementari (SCM) contribuiscono a ridurre le emissioni di CO₂?

Riduce la quantità di clinker necessaria. La produzione di clinker è ad alta intensità di CO₂ a causa della reazione di calcinazione del calcare e dell’elevato fabbisogno energetico del processo in forno; pertanto, la sostituzione del clinker con gli SCM riduce direttamente le emissioni legate al processo e può favorire un utilizzo delle risorse in ottica di economia circolare.

Quali materiali possono essere utilizzati come SCM e cosa ne influenza la disponibilità?

Esempi includono scorie, ceneri volanti, pozzolane/rocce vulcaniche (ad es. pomice), calcare non cotto, conchiglie (ricche di CaCO₃), ceneri derivanti da scarti dell’industria alimentare come le bucce di riso, argille calcinate e residui minerari (tailings). La disponibilità può variare in funzione delle tendenze industriali — ad esempio, una produzione siderurgica più efficiente può ridurre la disponibilità di scorie, mentre la diminuzione della produzione di energia da carbone può limitare la disponibilità di ceneri volanti.

Come funziona l’attivazione delle argille e in cosa si differenzia dalla calcinazione delle argille?

Tradizionalmente, le argille reattive vengono prodotte tramite calcinazione delle argille a circa 800 °C, mentre l’attivazione meccanochimica è una tecnologia che aumenta la reattività delle argille attraverso la macinazione (ad es. nei mulini planetari a sfere PM 100 o PM 300). L’energia meccanica modifica la struttura cristallina, favorisce l’amorfizzazione e può rendere utilizzabile una gamma più ampia di argille locali. Il controllo del processo può essere supportato con GrindControl (monitoraggio di temperatura e pressione).

Referenze

1] Tole, I., Delogu, F., Qoku, E., Habermehl-Cwirzen, K., & Cwirzen, A. (2022). Enhancement of the pozzolanic activity of natural clays by mechanochemical activation. Construction and Building Materials, 352, 128739.  

[2] Alastair T.M. Marsh, Sreejith Krishnan, Suraj Rahmon, Sisan A. Bernal and Xinyuan Ke; Relationsship between milling input energy and chemical reactivity for mechanochemical activation of clays; Royal Society of Chemistry 2025, DOI: 10.1039/d5mr00088b

[3] Permission for picture usage by Rigaku Europe SE