IGNI

IMPIEGO DI FUMI DI SILICENEI 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 piùpuò dare soddisfazione sia ai ricercatori che agli utilizzatori. Trattandosi di unsottoprodotto di lavorazioni industriali, è importante che esso sia sottoposto ad un attentocontrollo di qualità onde evitare che la presenza di materiali deleteri superi determinatilivelli. Questo, al momento, è garantito dai vostri fornitori. E' tuttavia attivo un WorkingGroup europeo 0NG 9) che in seno al TC 104 sta predisponendo la normativa ad hocprevista dalla EN 206. AI momento attuale la norma è allo stato di "Final Orafi" ed èpubblicata 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 control'inquinamento dell'aria, fu aggiunta sperimentalmente nel calcestruzzo già nel 1951. Pervedere alcuni esempi applicativi concreti e commercialmente validi si doveva peròattendere il 1976-77. Da allora e per molti anni, l'applicazione prevalente della microsilicesi è avuta nei calcestruzzi spruzzati fibrorinforzati. E' stata proprio questa applicazionecosì particolare, di solito effettuata in condizioni estreme, a fornire una valida ed esaustivaconoscenza dei meccanismi d'azione dell'SF. La scarsa disponibilità di questo prodotto,unitamente alla forte richiesta dovuta alle eccellenti caratteristiche conferibili aicalcestruzzi, sono le ragioni per le quali il prezzo del fumo di silice ha raggiunto valori chesuperano 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 siliceamorfa, si ottiene come sottoprodotto della lavorazione all'arco elettrico del silicio, ferro-silicio e di altre leghe metalliche a base di silicio e viene recuperato. dai filtri diabbattimento delle polveri. In queste lavorazioni si opera una riduzione del silicio concarbone (l'elettrodo del forno ad arco voltaico). Una piccola parte di silicio ridotta soloparzialmente, evapora, e a contatto con l'ossigeno presente nelle parti più fredde del fornosi 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%) dacostituenti minori (ossidi di alluminio, ferro, calcio e magnesio) e, molto più raramente, dapiccole quantità di carbone incombusto. La presenza di costituenti secondari è funzionediretta del tipo di lega sottoposto a lavorazione. Nelle tabelle seguenti sono presentatealcune delle caratteristiche salienti dei tipi di Silica Fume più comuni.Vedi tabelle 1 e 2, .

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TAB.1 - Composizione chimica di fumi di silice derivanti dalla produzione di silicio o leghedi ferro-silicio.

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 sottoforma 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 irisultati migliori e più ripetibili. La silice densificata pur offrendo maggior facilità d'usosembra essere meno attiva. In Italia l'uso prevalente riguarda la polvere tout-venant.lnquesta forma essa è disponibile in sacchi da 1O kg, in big-bag da 500 kg circa, sfuso inautosilos come il cemento. La manipolazione del materiale fornito in autosilos puòpresentare 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 adalimentare ogni impianto di dosaggio. In ogni caso la vibrazione non è del tutto utilementre può essere molto vantaggioso lo scuotimento (per esempio montando all'internodel silos delle catene vibranti). /I fumo di silice, abbiamo detto, è un materialecompletamente amorfo. L'osservazione al microscopio elettronico, mostra la presenza disferette, raggruppate a formare delle aggregazioni "a grappolo", la cui dimensione, chepuò arrivare a diverse decine di micron, facilita di molto l'uso ed il dosaggio dell'SF. Ilegami tra le sferette all'interno del grappolo sono però talmente tenui che l'agitazionemeccanica necessaria alla preparazione del calcestruzzo trasforma facilmente il fumo disilice nel materiale finissimo che in effetti è.

Componenti %Provenienza (produzione leghe)

Si metallico 90% Fe-Si 74% Fe-Si 50% Fe-Si Fe-Cr-SiSiOz 94 - 98 92 - 95 86 - 90 85 - 89 82 - 84SiC 0,2 - 1,0 0,2 - 0,5 0,1 - 0,4 ------ ---C 0,2 - 1,3 0,5 - 1.2 0.8 - 1,3 1 - 2 1 - 2

FeZO3 0,02-0,15 0,2 - 0,8 0,3 - 1.0 7-8 0.5 - 1,5AlzO3 0,1 - 0,4 0,4 - 1,0 0,2 - 0,6 0,5 - 1 2-3CaO 0,1 - 0,3 0,4 - 1,0 0,2 - 0,6 0,5 - 1 0.5 - 1MQO 0,3 - 0,9 0,5 - 1,2 1,0 - 3,5 0,5 - 1 6-8NazO 0,1 - 0,4 0,2 - 0,7 0,8 - 1,8 --- 0,5-1KzO 0,2 - 0,7 0,1 - 0,5 1,5 - 3,5 --------- 1-2Altri 0,1 - 0,5 0,4 - 0,8 0,5 - 0,9 --------- ---------

Perditaal fuoco 0,8 - 1,5 0,7 - 2,0 2,0 - 4,0 3-4 2-3

Colore Grigio scuro Grigio scuro Grigio Grigio chiaro Grigio chiaroBianco

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 sicollocano ad un livello molto superiore a quello di altri materiali molto noti quali le tenerivolanti e le pozzolane naturali.1. La funzione di filler. (fiq. 1) ".

La funzione di filler è legata, ovviamente, alla finezza estrema posseduta da questomateriale che è, sia cq,me diametro medio dei granuli sia come superficie specifica, circa100 volte più fine del cemento. Ciò consente ai granuli di fumo di silice di collocarsi tra igranuli più grossi del cemento per creare una struttura estremamente compatta che lasciaa disposizione dell'acqua uno spazio ridotto. Vale qui la pena di ricordare che solo unaminima parte dell'acqua di impasto risulterà combinata chimicamente con il legante; larestante, 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 presentaun'elevata richiesta d'acqua. In verità questa elevata quantità d'acqua ha soprattutto lafunzione di disperdere le particelle in modo uniforme. Se a questo scopo si impiega unopportuno disperdente - riduttore d'acqua ad alta efficacia, è molto facile confezionarecalcestruzzi con rapporto NC inferiore a D,3D, al tempo stesso fluidi e privi disegregazione, adatti per ogni tipo di posa in opera. Per questo, l'uso del fumo di silice, nonè 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 morfologicadei granuli di silice che sono altamente reattivi. La misura dell'attività pozzolanica con ilsaggio Fratini, di Norma per i cementi pozzolanici, conferma che si ottengono risultatieccellenti con dosaggi di silice che sono meno di un terzo di quelli della miglior pozzolanadisponibile in Italia. Per questo, il fumo di silice, non viene e non deve essere consideratosolo un aggregato o un'aggiunta ma una parte integrante, a tutti gli effetti, della quotacemento presente nella miscela.3. La protezione delle armature dalla corrosione: (fiq. 3)

Il calcestruzzo è, com'è noto, un materiale particolarmente adatto a prevenire lacorrosione delle armature in esso annegate. I numerosi casi di degrado verificatisi,soprattutto in questi ultimi anni, hanno tuttavia evidenziato la necessità di curare conmaggior attenzione la qualità del copriferro. Una via per raggiungere tale obiettivo è quelladi ridurre drasticamente la permeabilità della pasta di cemento alla penetrazionedell'anidride carbonica, dei cloruri, de!l'ossigeno e dell'umidità. Per diminuire lapermeabilità è necessario ridurre la porosità totale del calcestruzzo (preparare calcestruzzimolto compatti) oppure, a parità di porosità totale, ridurre la dimensione media dei poricontenendo, il più possibile, la formazione dei grossi pori capillari. (fig. 4) Un mezzo moltovalido per diminuire la porosità totale nei calcestruzzi è appunto quello di utilizzareaggiunte minerali finissime. Se le aggiunte finissime hanno anche una buona attivitàpozzolanica, com'è il caso del fumo di silice, si ottiene, contemporaneamente anchealtissima resistenza al dilavamento e all'erosione. L'attacco dei cloruri è contrastatoefficacemente dall'aggiunta di fumo di silice. La velocità di carbonatazione non sembrasensibilmente influenzata dalla presenza di fumo di silice e tuttavia la grande compattezzaottenibile 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 dicalcestruzzi.modificati con fumo di silice, permette un notevole aumento della protezionedei ferri d'armatura in virtù dei suoi elevati valori di resistività elettrica.

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Numerosi test confermano infatti come la resistività del calcestruzzo modificato con fumodi silice sia da 3 a 7 volte maggiore di quella di un calcestruzzo normale di pari rapportoAfC. Questa proprietà fa si che risulti enormemente ritardato, se non addirittura bloccato,

-+innesco della reazione catodica (pila elettrica) che è, in definitiva, la vera responsabiledella corrosione del ferro.4. Reazione alcali-aqqreqato.Per concludere questa parte relativa ai vantaggi offerti dal fumo di silice, va ricordata lacapacità che esso ha di ridurre le conseguenze della reazione alcali-aggregato. Lapresenza di fumo di silice fa diminuire assai rapidamente la concentrazione di alcali liberinel 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 inmisura proporzionale all'aggiunta di fumo di silice a causa del sommarsi delle due funzioniquella pozzolanica e quèlla di filler.

I valori della tabella (certificazioni di laboratori ufficiali) mettono in grande evidenza lapossibilità di produrre calcestruzzi di elevate caratteristiche tecnologiche con anchequalche vantaggio economico proprio grazie alle modifiche apportate dal fumo di siliceimpiegato. Come valutare il ruolo svolto dal 'fumo di silice nello sviluppo delle resistenzemeccaniche? Se è nota la correlazione tra resistenza meccanica e rapporto AlC, nel casoin cui una parte del cemento sia sostituita con fumo di silice si può ipotizzare che per duecalcestruzzi 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 alcalcestruzzo modificato con fumo di silice mentre (k) è detto "fattore di efficienza" erappresenta a quanti kg di cemento, in termini di resistenza meccanica, equivalgono i kg difumo di silice aggiunti. Se, per esempio, un calcestruzzo con 175 kg/mc d'acqua, 250kg/mc di cemento e 25 kg/mc di fumo di silice ha fornito a 28 giorni la stessa resistenza diun 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 datola stessa resistenza. meccanica che avrebbero dato 2 kg di cemento. Non esiste,purtroppo, un unico valore di (k). Esso dipende da molteplici parametri quali:

AfC CEM. SiI. Fume Additivo Slump R28 gg R90 ggPERM.

kg/mc kg/rnc S.Fluì. cm pen.mm0.7 250 -- - 5 155 193 230.7 250 25 2,7 12 349 386 100.6 300 -- - 10 224 265 24,70,6 300 30 3,3 13 377 410 8,70,5 350 --- - 8 287 336 130,5 350 35 5,0 14 545 569 11

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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 èmolto più marcata con cementi portland di alta qualità: 52.5 - 42.5 e anche con 32.5tipo I e Il/A che non con cementi d'aggiunta: 32.5 tipo II/B e cementi ditipo 111e tipo IV)Percentuale di cemento che si sostituisceDosaggio 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. Puòessere interessante allora confrontare questo valore con quello, significativamente piùbasso ma anch'esso variabile, registrato per la cenere volante:

Fumo di SiliceK = 2-4

Cenere volante0.2 - 1

Per quanto questi dati debbano essere considerati solo come una grossolanaapprossimazione, resta il fatto che il fumo di silice è sicuramente da 4 a 10 volte piùefficace che non la cenere volante

IMPIEGHI.In virtù delle elevate caratteristiche conferite al calcestruzzo dal fumo di silice esistonosvariate 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 disgeloper migliorare la resistenza chimica del cemento grazie alla reazione pozzolanica chesottrae idrossido di calcio al sistema.

La composizione del calcestruzzo in ordine agli aggregati ed al dosaggio di cemento non èdiversa da quella di un impasto normale.Ulteriori impieghi del fumo di silice nei getti di spessore normale e, addirittura, in quelli dispessore elevato sono:

Possibilità di ridurre il calore di idratazione all'interno di una struttura. Il fumo di silice haun calore di idratazione simile a quello del cemento, però, rende possibili riduzioniimportanti del dosaggio e pertanto il calore di idratazione del calcestruzzo risulterà, indefinitiva, più basso. (Nel calcestruzzo con fumo di silice, a parità di Rcl<,siregistra unosviluppo della temperatura 7-10 °C minore che nel calcestruzzo non modificato.)Possibilità di confezionare calcestruzzi "super-resistenti" (Rck > 100 Mpa) in modocostante ed economico:

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D Mix desig di un calcestruzzo ad altissima resistenza

Materiali

Cemento 42.5 Tipo IFumo di Silice

Additivo SuperfluidificanteSlump (cm)Rck28 gg (MPa)Rck90 gg (MPa)

Dosa i Materialika/mc 450 Quarzite 0-4 mm

" 90 Granito Frt. 4-15 mm" 24 Ac ua

8-10120150

"

lime

D Caratteristichemeccanica.

di alcuni calcestruzzi ad elevatissima resistenza

Inerte impiegatoGranitoDiabaseBauxite

M.V. del Cls kg/mc250026702870

R28 gg MPa125165215

M.E.28 gg Mpa6800065000110000

Per confezionare calcestruzzi leggeri di Argilla Espansa.Nei calcestruzzi leggeri di struttura il limite di resistenza meccanica ottenibile ègovernato dalla resistenza allo schiaccia mento dei granuli. Buoni risultati si possonoallora ottenere solo con argille espanse appositamente prodotte. Esiste, tuttavia, nelsistema cemento -x-- fumo di silice -x- argilla espansa una sorta di cooperazionedella pasta ad altissima resistenza che fa si che si possano ottenere calcestruzzileggeri 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 larealizzazione 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 glispessori sono inferiori ai 5 cm. Si sfruttano al massimo le resistenze meccaniche delmateriale per produrre manufatti leggeri e di ottimo aspetto architettonico. In talicondizioni,' tuttavia, può risaltare maggiormente la fragilità della pasta di cementomodificata e pertanto è consigliabile aggiungere anche le fibre sintetiche, (fibre dipolipropilene), metalliche o di vetro alcali resistente per dare un contributo sostanziale alladuttilità del sistema. E' il caso di lastre sottili di fibrocemento, dove, il pericolosissimo e oravietato amianto, è stato sostituito da fibre di propilene o da una fittissima rete in materialeplastico. L'aggiunta del fumo di silice qui ha anche lo scopo di aumentare non solo leresistenze meccaniche ma anche la resistenza al gelo.Un altro caso interessante è quello delle malte destinate all'esecuzione di pavimentazioniindustriali con elevata resistenza all'usura e buona resistenza chimica. " fumo di siliceconsente l'esecuzione di rivestimenti impermeabili che non richiedono più nessun ulterioretrattamento di finitura. I risultati di tutte le prove eseguite sono risultati congruenti nelsenso che a maggiori compattezze (modifica con fumo di silice) hanno fatto riscontromaggiori 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 pesodel 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 segnalatinumerosissimi lavori importanti in miniera e in galleria. Dapprima l'aggiunta di silice avevail 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 inrivestimenti strutturali durevoli. Ad una certa maggior fragilità del calcestruzzo modificatocon fumo di silice, si supplì e si supplisce tuttora con l'aggiunta di fibre d'acciaio opolimeriche. In realtà, è proprio la tixotropia la caratteristica delle malte e dei calcestruzzifreschi 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 cherende molto vantaggioso l'uso della silica fume in malte e betoncini spruzzati. Aggiunte dipiccole quantità di fumo di silice (5%) consentono di pompare facilmente impasti freschiche, una volta spruzzati in parete, non "colano" ed aderiscono perfettamente anche inspessori rilevanti (5-10 cm).

BIBLIOGRAFIA.- P.C.Aitcin, Condensed Silica Fumes, Les Editions de l'Universitè de Sherbrooke,

Canada (1983)- V.M. Malhotra, International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Siang and Natural

Pozzolans in Concrete, ACI SP-91, Detroit, Michigan, USA (1986)- V.M. Malhotra, Supplementary Cementing Materials for Concrete, CANMET, Ottawa,

Canada, (1987)- M.Berra(*),S.Tavano,Proprietà delle Miscele Cementizie contenenti Fumo di Silice, Il

Cemento,volA,361 -374, (1986)- H.H.Bache, Densified Cement Ultra Fine Particle Based Materials, Il'' International

Conference on Superplasticizers in Concrete, Ottawa, Giugno (1981)- M.Berra(*), G.Ferrara(*), S.Tavano, La Corrosione delle Armature del Calcestruzzo.

Influenza di alcuni materiali con Attività Pozzolanica: Fumi di Silice e CeneriVolanti,Convegno AITEC, Padova Ottobre (1981'

- ESelievold, Microsilica in Concrete, Norwegian Building Research Institute, Oslo,Gennaio (1984)

- P.K. Mehta, O.E GioN, Properties of Portland Cement Concrete Containing Fly-Ashand Condensed Silica Fume,Cement and Concrete Research, volo14, 375-385 (1984)

- M. Buil,A.M. Paillere, B. Roussel, High Strength Mortars Containing Condensed SilicaFume, Cement and Concrete Research, voI.14, 693-704, (1984)

- S. Diamont, Effect of Microsilica on Pore Solution Chemistry of cement Pastes,JournalAmerican ceramic Society,voI.66,n.5 (1983)

- TA. Burge, Hight Strength Lightweight Concrete with Condensed Silica Fume, ACIPubblication SP-79, vol.2, 731-745, (1983)

- Corradini(**), Scoccia(**), Pajewski(**), Volpe(**), Tavano, Influenza di alcuni parametrisulle resistenze meccaniche e sul modulo elastico di malte modificate con fumo disilice condensato.

- M.Berra(*), G.Ferrara(*), STavano, Uso di fumo di silice nel ripristino dei danni daerosione in una galleria di deviazione in calcestruzzo, Convegno AITEC - Padova -1987EAllievi(***), S.Tavano, Calcestruzzo fibrorinforzato e additivato con fumi di silice perl'arco rovescio della galleria ENEL di Cardano (BZ), Quarry and Construction - Ottobre90.