Lavorazione e attivazione dei materiali cementizi supplementari (SCM): materiali sostitutivi del cemento e tecnologia di attivazione delle argille
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.
| Sostituti di Clinker & Portland Cement |
|---|
| Le conchiglie contengono grandi quantità di calce e, una volta macinate, possono essere utilizzate in modo simile al calcare incombusto. |
| Ceneri volanti: A causa della diminuzione dell'uso di centrali elettriche a carbone, la disponibilità di ceneri volanti è in costante calo. |
| Le argille calcinate possono essere calcinate a 800 °C. Sebbene la CO2 venga rilasciata durante la calcinazione - in modo simile alla cottura del calcare - le temperature richieste sono significativamente più basse. |
| Scorie: I materiali di scarto della produzione di acciaio vengono riciclati, ma questi processi industriali stanno diventando più efficienti, riducendo la disponibilità di scorie. |
| Le ceneri provenienti da rifiuti alimentari, come le bucce di riso, possono essere utilizzate per sostituire il cemento Portland. |
| Le code dei rifiuti minerari possono persino aumentare la resistenza del cemento a seconda della loro composizione. Il vantaggio risiede nella conservazione delle risorse, poiché i rifiuti vengono riutilizzati, ad esempio al posto della sabbia naturale. |
| I rifiuti di demolizione possono essere lavorati (finemente macinati) e attivati per l'uso a livello di cemento come SCM, consentendo la riduzione del clinker e riciclando in modo efficiente le risorse minerarie. |
| Il vetro usato può essere utilizzato come SCM, materia prima che sostituisce il quarzo. |
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.
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.
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.
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
Rifiuti da demolizione
I rifiuti di demolizione offrono un potenziale significativo come SCM e sostituto del cemento per un'industria cementizia più efficiente in termini di risorse. Materiali come detriti di calcestruzzo, mattoni, ceramiche e malta contengono componenti minerali rilevanti; tuttavia, senza un trattamento, di solito non sono sufficientemente reattivi per essere utilizzati direttamente come SCM o sostituti del cemento. Pertanto, le impurità devono prima essere rimosse e le frazioni minerali devono essere processate selettivamente. La fine levigatura aumenta significativamente l'area superficiale specifica, il che migliora la reattività del materiale. Allo stesso tempo, l'attivazione meccanica può interrompere la struttura cristallina e quindi aumentarne l'idoneità come SCM e sostituto del cemento. Se questo non è sufficiente, la reattività può essere ulteriormente aumentata attraverso l'attivazione chimica.
È importante distinguere tra i tipi di materiali: il calcestruzzo frantumato spesso presenta una bassa reattività naturale e quindi di solito richiede una maggiore attivazione per funzionare come SCM. Al contrario, i residui di mattoni possono già contenere fasi reattive pozzolanicamente grazie al loro contenuto di argilla cotta e sono quindi spesso più facili da utilizzare come SCM e sostituti del cemento; tuttavia, generalmente richiedono comunque una selezione e una Levigatura fine attenta.
In questo modo, i materiali da costruzione (SCM) derivati dai rifiuti di demolizione possono aiutare a sostituire il clinker, ridurre le emissioni di CO₂ e chiudere i cicli dei materiali nel settore edile.
Detriti di cemento 12 mm, 45 kg
TM 500
3 Ore | 100 µm
Detriti di cemento 4 mm, 200 g
PM 100
20 min. | 100 µm
Frammenti di mattoni 8 mm, 2 kg
TM 300
1 Ore | 40 µm
Il materiale tende ad agglomerarsi nella RS 200 e a intasare i vagli sottili nella SK 300; pertanto, si consigliano mulini a sfere funzionanti a velocità moderata e l'aggiunta di qualche goccia di etanolo.
Vetro riciclato
Il vetro riciclato può svolgere un ruolo importante nell'industria del cemento come SCM, contribuendo a ridurre le emissioni di CO₂ e a conservare le risorse naturali. Quando il vetro riciclato viene macinato molto finemente, forma una polvere di vetro che può sviluppare proprietà pozzolaniche e quindi essere utilizzata come SCM. I requisiti chiave per il suo utilizzo come SCM includono un alto grado di finitura, una composizione chimica adeguata e una qualità costante del materiale in ingresso. Oltre al suo uso come SCM, il vetro riciclato può essere utilizzato anche come materia prima nella produzione di clinker, sostituendo il quarzo; tuttavia, in questa applicazione sostituisce solo materie prime minerali e non è considerato un sostituto del cemento. Un'altra applicazione è il suo uso come aggregato nel calcestruzzo. Il vetro riciclato dimostra quindi come le materie prime secondarie possano rendere l'industria del cemento più sostenibile ed efficiente in termini di risorse. Frantumatori e, ad esempio, mulini vibratori a disco sono tipicamente utilizzati per l'omogeneizzazione.
40 mm, 1 kg
BB 50
2 min. | 2 mm
50 mm, 100 g
RS 200
10 min. | 100 µm
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Lavorazione di calcare non cotto, conchiglie e pozzolane come materiali sostitutivi del cemento
Diversi materiali minerali sostitutivi del cemento possono essere trattati con le comuni apparecchiature da laboratorio per la macinazione del cemento. Il calcare non cotto viene idealmente lavorato con frantoi a mascelle seguiti da mulini a sfere. Anche le conchiglie sono costituite principalmente da CaCO₃, ma sono più sottili rispetto ai tipici campioni di calcare e possono quindi essere prefrantumate in modo efficiente con mulini da taglio e macinate finemente nell’Ultra Centrifugal Mill ZM 300; a questo scopo è adatto il rotore a 6 dischi per i mulini da taglio, mentre nello ZM 300 possono essere impiegati rotori resistenti all’usura rivestiti in carburo di tungsteno e setacci distanziatori. I materiali cementizi supplementari più teneri, ad esempio pozzolane o materiali vulcanici come la pomice, vengono analogamente trattati con mulini a rotore quali lo ZM 300 per volumi fino a 5 l oppure l’SR 300 per quantità di campione maggiori. Per aperture di setaccio inferiori a 1 mm, i cicloni facilitano lo scarico del campione e aiutano a prevenire la formazione di polvere.
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.
La finezza delle particelle nelle pastiglie dipende dal tipo di mulino utilizzato
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. [2]
Campioni di origine vegetale
Casse di noci 40 mm, 500 g
SK 300
7,5 min. | 150 mm
Lolla di riso 8 mm, 200 g
ZM 300
8 min. | 0,5 mm
Ceneri di lolla di riso 15 mm, 450 g
SK 300
2 min. | 1 mm
Pellet di bucce di semi di girasole 30 mm, 500 g
ZM 300
15 min. | 0,5 mm
Paglia 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].
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.
In un progetto di esperimento presso l'Università di Bath sono state testate diverse condizioni di fresatura nei mulini a sfere planetarie per valutare la migliore configurazione dei parametri per la massima attivazione dell'argilla con il minimo consumo energetico. Sembra che rapporti palla/polvere più elevati di 25 siano vantaggiosi, insieme a una maggiore velocità di almeno 600 giri/min. In soli 20 minuti è stata raggiunta una notevole reattività, con un consumo energetico più basso di soli 0,22 kWh (risultati con il permesso della Dott.ssa Ilda Tole).
È interessante notare che anche il mulino a dischi vibranti RS 200 può essere utilizzato per l'attivazione dell'argilla, anche se con tassi di attivazione leggermente inferiori. Qui si è rivelato vantaggioso se il livello di riempimento non è troppo elevato – il campione di 40 g era ottimale. Anche in questo caso, una velocità superiore di 1400 giri/min sembra essere vantaggiosa. Il tempo e il consumo di energia erano nello stesso range dei mulini a sfere planetarie.
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Lavorazione e attivazione dei materiali cementizi supplementari (SCM): materiali sostitutivi del cemento e tecnologia di attivazione delle argille - 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 volatili, 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 volatili.
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