Microsilicati: appunti d’uso

01 – come nascono i microsilicati

I microsilicati, altrimenti detti anche fumi di silice (silica fume) sono prodotti derivanti dal processo di riduzione delle quarziti, in forni di tipo elettrico ad arco, nella metallurgia dell’acciaio al silicio e delle leghe ferro silicio. Vengono generati come materiale grezzo a 2000° C e quindi sottoposti a speciali processi di filtrazione e condensazione che li rendono  particolarmente adatti per l’impiego come “aggiunte” in calcestruzzi ad elevatissime prestazioni.

Il progetto Elkem – Silica fume nasce nel 1950. Nella seconda metà degli anni 60 si sviluppa la produzione su vasta scala, mentre la diffusione, nel settore dei calcestruzzi e dei conglomerati cementizi in genere, risale agli inizi degli anni 80. In Italia, le prime malte fibrorinforzate, addizionate con microsilicati, fanno la loro comparsa nel 1985 grazie ad un team tecnico successivamente confluito in AZICHEM.

02 – a proposito di pozzolana e “pozzolanicità”

Il termine “pozzolana” risale ad epoca romana e definiva una roccia sciolta di tipo piroclastico, incoerente, prodotta da eruzioni vulcaniche esplosive, nel corso delle quali il “magma”, lanciato ancora in fase liquida nell’atmosfera, subiva un processo di “tempra” per raffreddamento a contatto con l’aria, liberando aria e dando luogo ad una microstruttura silico-vetrosa ed a una macrostruttura porosa, ad elevata superficie specifica. Caratteristica peculiare delle pozzolane è la capacità di consumare, fissandolo, l’idrato di calcio Ca(OH)₂, altrimenti detto anche “calce libera”, prodotto dalla calce, nell’utilizzo classico e dalle reazioni di idratazione del silicato tricalcico C₃S e del silicato bicalcico C₂S, nel caso dei cementi moderni.

La reazione descritta, definita anche come “reazione pozzolanica” è descritta con estremo reali-smo, in termini di effetti, da Marco Vitruvio Pollione, nel secondo volume, quarto capitolo, del ce-lebre trattato “De Architectura”. 

03 - cosa sono i microsilicati

Premesso trattarsi di polveri, le caratteristiche fondamentali dei microsilicati (silica fume) sono riassumibili, così come è possibile evincere dalla tabella, con:
03.1 – dimensione “ultrafine”: mediamente 0,15 micron;
03.2 – estesa superficie specifica: mediamente 20 m2/kg (*);
03.3 – forma tendenzialmente sferica;
03.4 – struttura amorfa;
03.5 – natura idrofila rappresentabile con la tendenza a legare l’acqua per dare luogo ad una tipica struttura colloidale “gel”.

 (*) = nelle sostanze disperse in particelle “molto piccole”, nelle quali risulti “molto grande” il rap-porto “superficie/volume” le attività e le reattività, proprie delle sostanze stesse, risultano estremamente esaltate.

04 – aspetti dimensionali dei microsilicati

04.1 - Il confronto dimensionale fra la microsfera “media” dei microsilicati il granulo di cemento “medio” ne illustra efficacemente la dimensione “ultrafine”. Nell’immagine il granulo medio di cemento  è rappresentato con la dimensione della Mole Antonelliana di Torino, alta m 169, mentre la microsfera “media” di microsilicati è rappresentata dall’omino alto m 1,72;

04.2 - Il rapporto dimensionale accennato è tale che, considerato un dosaggio medio di microsilicati pari al 10%, rispetto al cemento, ogni granulo di cemento viene ad essere “coadiuvato” da circa 100.000 microsfere di microsilicati.

Gli aspetti accennati, l’elevata ed omogenea densità, determinate dalla “finezza” dei microsilicati,   la formazione di “idrogel”, ecc., si traducono, nei conglomerati, in importanti valori di coesione intrinseca che si riverberano nella pratica inibizione della segregabilità e del bleeding, nella “capacità antidilavante”, nella pompabilità, ecc. 

05 – aspetti chimico/reattivi dei microsilicati

La caratteristica peculiare dei materiali pozzolanici è la capacità di consumare, fissandolo, l’idrossido di calcio Ca(OH)₂, altrimenti detto anche “calce libera” o “idrato di calcio”, prodotto dal-la calce, nell’utilizzo classico e dalle reazioni di idratazione del silicato tricalcico C₃S e del silicato bicalcico C₂S, nel caso dei cementi moderni.

I microsilicati introducono nella reazione i parametri rappresentati da un contenuto di silicio più che doppio, rispetto alle pozzolane, e da una superficie specifica 90 volte superiore. La “reazione pozzolanica” ne risulta estremamente amplificata, in termini di efficienza, meritando di essere talvolta indicata anche come “reazione superpozzolanica”.

Nel contesto in esame è opportuno considerare ancora che i prodotti di reazione dei microsilicati da un lato “bloccano” stabilmente una maggiore quantità di ioni di alluminio sottraendo allumina, altrimenti disponibile per la formazione di “ettringite” e dall’altro, “inglobano” efficacemente gli ioni dei metalli alcalini, sino ad inibire la reazione alcali-aggregati (ASR), che, come è noto, è pericolosamente distruttiva.

Gli assunti sinora riferiti al calcestruzzo sono da considerare validi, nella stessa misura, anche nel caso di betoncini e malte di tipo cementizio o comunque confezionate con leganti idraulici.

06 – Cemento Portland, Microsilicati, Fly Ash, ecc. 

La tabella di comparazione, proposta da “Silica Fume Association” consente un sintetico confronto fra le caratteristiche fisico-chimiche del Cemento Portland”, dei cementi di scoria d’altoforno (Slag cement), dei “Microsilicati”e delle “ceneri volanti” (Fly Ash).

07 – microsilicati, tecnologia e terotecnologia

Le più recenti normative (UNI EN 206-1, Eurocodice 2, Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni: DM 14/01/2008), prescrivendo  le caratteristiche minime che il calcestruzzo deve possedere per soddisfare i requisiti di durabilità dell’opera in funzione dell’ambiente in cui è costruita, per una vita utile di progetto di 50 o 100 anni, hanno inserito, accanto alla “tecnologia classica” il concetto di terotecnologia. In realtà il concetto accennato non rappresenta una novità assoluta poiché il termine “terotecnologia” che deriva dall'unione di due parole greche teros e logos, e significa tecnologia della conservazione, venne definito già nel 1970 dalla British Standards Institution.

Sotto il profilo terotecnologico, le possibilità offerte dall’impiego dei microsilicati nei conglomerati cementizi, acquisiscono una valenza ancora superiore. A solo titolo di esempio può essere opportuno considerare i grafici relativi ai fondamentali parametri della permeabilità e della resistività dei conglomerati cementizi con microsilicati, proposti nel paragrafo successivo (08).

Sempre sotto il profilo terotecnologico è altresì opportuno considerare che “la resistenza meccanica può essere considerata come un sottoprodotto della durabilità.

08 –microsilicati nei conglomerati cementizi

Come appare evidente dalle note sin qui richiamate i microsilicati esplicano una complessa e posi-tiva “azione modificante” sia in termini di “reologia” dei conglomerati cementizi freschi che in relazione alle proprietà e prestazioni dei conglomerati cementizi induriti, siano essi calcestruzzi, betoncini, malte, ecc.

A titolo puramente semplificativo gli aspetti reologici possono essere distinti da quelli prestazionali, fermo restando che il conglomerato prestazionale e durevole, ottenibile con i microsilicati, è il risultato della coazione delle differenti azioni.   

09 – microsilicati nei conglomerati cementizi freschi

Nei confronti dei conglomerati cementizi freschi, i contributi sono rappresentati dalle significative modifiche di seguito schematizzate:
09.1 – Elevatissimi incrementi della coesività delle miscele, tali da consentire eccezionali presta-zioni antidilavanti (NO WASHOUT);
09.2 – Drastica riduzione della segregabilità;
09.3 – Pratica eliminazione dell’acqua libera e del suo affioramento (NO BLEEDING);
09.4 – Pratica eliminazione degli accumuli d’acqua libera sotto gli aggregati (NO SETTLING);
09.5 – Pratica eliminazione degli accumuli d’acqua libera sotto le armature (NO SETTLING);
09.6 – Elevatissimi incrementi dell’adesività a fresco con conseguenti proporzionali incrementi del-la pompabilità, anche in condizioni critiche e della proiettabilità con la pratica inibizione degli sfridi per rimbalzo (SHOTCRETE).

Nelle immagini sono rappresentati alcuni confronti fra conglomerati ordinari (A) e conglomerati con microsilicati (B).

10 – microsilicati nei conglomerati cementizi induriti

Nei confronti dei conglomerati cementizi induriti, i contributi sono rappresentati dai significativi risultati prestazionali di seguito accennati e riproposti, in termini quantitativi, nella tabella.
10.a – Elevatissimi incrementi delle resistenze meccaniche;
10.b - Drastica riduzione dei parametri inerenti la porosità e la permeabilità;
10.c – Elevatissimi incrementi dell’impermeabilità intrinseca;
10.d – Elevatissimi incrementi della resistenza di “matrice” alle interfacce di transizione: pasta di cemento/aggregati, pasta di cemento/armature;
10.e – Elevatissimi incrementi della resistività elettrica;

10.f – Elevatissimi incrementi delle resistenze all’abrasione ed alla cavitazione;
10.g – Significativa riduzione della velocità di carbonatazione;
10.h – Significativi incrementi della resistenza alla penetrazione dei cloruri;
10.i – levati incrementi della resistenza ai solfati, assimilabile ai cementi solfato-resistenti;
10.j – Elevati incrementi della resistenza ai cicli gelo/disgelo;
10.k – Eliminazione della pericolosa e distruttiva reazione Alcali/Aggregati (ASR);

10.l – Prestazioni di durabilità coerenti con UNI EN 206-1, Eurocodice 2, Nuove Norme Tecniche per le Costruzioni: DM 14/01/2008.

11 – microsilicati & miscelazione

L’effettivo conseguimento delle prestazioni connesse con l’impiego dei microsilicati è subordinato ad una uniforme ed omogenea distribuzione degli stessi nel conglomerato. Nel caso di conglomerati in autobetoniera, per esempio, la miscelazione, alla massima velocità di rotazione, non deve essere inferiore ad 1 minuto per metro cubo di conglomerato.

12 – microsilicati & curing

I magisteri di cura e stagionatura umida, essenziali per i conglomerati ordinari, diventano assolutamente indispensabili e fondamentali, nei conglomerati con microsilicati.

Le indicazioni della “Silica Fume Association” e della NCHRP prescrivono provvedimenti di cura e stagionatura umida protratti per almeno 7 giorni.

Le modalità di cura e stagionatura umida possono essere di differente tipo purché di accertata efficacia.

13 – microsilicati & normativa

Sotto il profilo delle più recenti normative i microsilicati possono essere considerati quali “aggiunte” pozzolaniche”. La norma UNI EN 206-1: “Calcestruzzo, specificazione, prestazioni, produzione e conformità”, al punto 3.1.23, definisce l’aggiunta come “materiale finemente suddiviso” usato nel calcestruzzo, allo scopo di migliorare determinate proprietà o ottenere proprietà speciali, distinguendo le “aggiunte praticamente inerti” di tipo I e le “aggiunte pozzolaniche o ad attività idraulica latente” di tipo II. Le “aggiunte pozzolaniche o ad attività idraulica latente” come MICROSIL 90, sono riconosciute come opportunità tecnologicamente e terotecnologicamente adeguate per costruire opere impermeabili, resistenti e durevoli.

NOTA BENE: Al punto 5.2.5.2.1, della norma citata,  viene altresì inserito il concetto del valore K (da non confondersi con l’omonimo parametro di permeabilità. Il concetto K riferito alle aggiunte, consente che le aggiunte di tipo II vengano prese in considerazione sostituendo al termine "rapporto acqua/cemento" (definito in 3.1.31) con il termine "rapporto acqua/cemento + k aggiunta), nel requisito del dosaggio minimo di cemento (vedere 5.3.2). L’effettivo valore di k dipende dalla specifica aggiunta. 

Per le “aggiunte pozzolaniche” (assimilabili a MICROSIL 90), al punto 5.2.5.2.3, si precisa che la quantità massima di fumi di silice o di aggiunte assimilabili, che può essere considerata agli effetti della rivalutazione del rapporto acqua/cemento e del contenuto di cemento può essere desunta sulla base dei seguenti parametri. 
- per un rapporto acqua/cemento prescritto ≤0,45 k = 2,0 
- per un rapporto acqua/cemento prescritto >0,45 k = 2,0 eccetto 
- per le classi di esposizione XC e XF, per un rapporto acqua/cemento prescritto >0,45. k = 1,0 

14 – Azichem microsilica technology 

MICROSIL 90 rappresenta, da un lato, “l’aggiunta” classica per il confezionamento di conglomerati  a base di microsilicati e, dall’altro “l’aggiunta base di numerosi prodotti della serie REPAR, GROU-TO, OSOCEM, FLOOR, ecc.

Edoardo Mocco

15 – riferimento bibliografici

A.M. Neville: “Properties of concrete”; E.A. Herfurth: “Microsilica Technology; T.C. Powers: “The physical structure of Portand cement paste”; D.G. Parker: “Microsilica concrete”; R. Johansen: “Silica in concrete; M. Venaut: “Adjuvant et traitements des mortiers et de betons; E.J. Sellevold: “Report to Elkem chemicals con-cerning Microsilica in concrete; E. Mocco: “Considerazioni sull’impiego dei microsilicati nei conglomerati cementizi”; Silica Fume Association: “Silica Fume User’s Manual”; BS EN 13263-1:2005 “Silica fume for con-crete”; A.C.I. 234R-06: “Guide of silica fume in concrete”; ASTM C1240-97b: “Standard specification for sili-ca use as a mineral admixture in hydraulic-cement or mortar and grout; S. Collepardi: “Calcestruzzo antico e moderno”; S. Tavano: “Calcestruzzo ad alte prestazioni”; I. Pigni: “Impiego di fumi di silice nei calcestruzzi”; M. Berra, S. Tavano: “Proprietà di miscele cementizie contenenti fumi di silice condensati”; J. Wolsiefer, D.R. Morgan: “Silica fume in shotcrete”; Elkem information paper: “Silica fume in concrete”. 

N.B.: sono disponibili, in letteratura, oltre 500 pubblicazioni scientifiche dettagliate sull’argomento.