Reviews by Eng Roberto Saccone
Incipit
The production and use of cements with low CO2 emissions is an extremely topical issue for environmental protection and for the well-being of the planet. Recently a RILEM international conference dedicated to innovative technologies for sustainable development in construction was held in 2020 (3rd International Conference on Innovative Technologies for Clean and Sustainable Development – ITCSD 2020) where this theme was addressed and from which a paper signed by Indian authors is taken. I believe it is interesting to report the essential contents of this paper for a diffusion at the Italian level and for a better knowledge of those who operates in the construction market.
La produzione e l’impiego di cementi a bassa emissione di CO2 è un tema estremamente attuale per la salvaguardia ambientale e per il benessere del pianeta. Recentemente si è svolta nel 2020 una conferenza internazionale RILEM dedicata alle tecnologie innovative per lo sviluppo sostenibile nelle costruzioni (3rd International Conference on Innovative Technologies for Clean and Sustainable Development – ITCSD 2020) dove è stato affrontato proprio questo tema e da cui è tratto un articolo a firma di autori indiani di cui ritengo interessante riportare i contenuti essenziali per una diffusione a livello italiano e per una maggiore conoscenza di chi opera nel mercato delle costruzioni.
The new cements based on calcined clay as an alternative to traditional cements
After a brief introduction on the need to contain CO2 emissions in the cement industry as much as possible, the authors underline the availability of a new type of cement called with the acronym LC3 (Limestone Calcined Clay Cement) whose technology, based on the combined and synergistic action of three main components, clinker, calcined clay and ground limestone, it is developing all over the world. This new type of cement therefore contains a much lower clinker content (even less than 50%) than today's type I and type II portland cement and type IV pozzolanic cement (see the European cement standard EN197), reducing CO2 emissions by up to 30%. There could be many technical advantages related to the use of LC3 cement in concrete, such as:
1. Faster development of mechanical strengths (faster formwork removal times);
2. Shorter duration of the seasoning of the castings (less influence of manpower);
3. Better cohesiveness and resistance to segregation of mixtures (greater tolerance on any changes in water content in concrete)
4. Increased resistance to chemical attack (increased durability);
5. Less water permeability (greater use in concretes intended for foundation works in contact with groundwater);
6. A lower heat of hydration (massive casting).
Among the commercial advantages is highlighted the greater availability of raw materials, in particular the clay used for the production of LC3 cement, available also from the waste of various mining activities. Even the limestone used can be more easily found, having a lower degree of purity than that one used for the production of Portland cement clinker. In fact, any impurities such as quartz and clay minerals do not adversely affect the quality of LC3 cement. In addition to these factors, the authors state that an additional important property of LC3 cement is to reduce the amount of clinker at production sites where materials such as fly ash or ground granulated slag are not available or are very expensive and this affects, of course, also to the production of concrete.
However, there are both technical and commercial critical issues on the use of LC3 cement. The authors pointed out some fundamental aspects, such as:
1. The lack of sufficient field experience with respect to the more than centennial history of traditional cements;
2. The development of new specific standards;
3. Laboratory tests are still few in number to verify the technical requirements and technical expectations of users in the market (ready mix manufacturers, prefabricators, designers);
4. A more demand for water and consequently a greater consumption of superplasticiser additives compared to traditional cements;
5. A potential increased risk of corrosion of rebars induced by carbonation of concrete in reinforced concrete structures;
6. A possible reduction of long-term mechanical strengths in general, more evident in concretes matured in temperature conditions above +40 ° C;
7. A possible reduction in the durability of reinforced concrete structures due to increased porosity of the cement paste;
8. The cost of production tends to be higher than traditional cements due to greater investments by producers both in the production process and more accurate choice of raw materials.
Finally, the authors point out how certain market factors can adversely affect the commercial development of LC3 cement. Since, in fact, some characteristics of LC3 cement can be very different from those of traditional cement (color, fineness, surface appearance of finish, setting times, etc ..) the conservative nature of the construction market can significantly slow down the adoption of the new cement among final users.
Comments on paper contents
The paper reports extremely interesting and equally correct considerations about the development of the so-called LC3 cements. The article, in fact, describes both the positive and negative aspects of these new cements. With regard to critical issues, particular attention must be paid to the regulatory aspects that are still being defined and to laboratory checks through targeted tests that demonstrate the suitability of LC3 cement to meet the needs of the market technically and commercially. Both the activity of developing an adequate regulation and the activity of technical assessment through laboratory tests, things closely linked to each other, must necessarily be conducted by the producers and possibly in collaboration with other public and private research bodies operating in the field of cement chemistry and concrete technology. In this regard, even large companies active in construction material chemistry must make their contribution to developing new product technologies that help overcome the technical criticalities reported in the article. At european and Italian level, some large cement producers are verifying the production process of LC3 cements through small-scale plants. It is therefore desirable that cement samples representative of these productions can be tested in order to begin to bridge the gap between the theoretical aspects and the practical-operational aspects, an activity absolutely necessary to convince end customers in the market (ready-mix concrete producers, precastrs, companies and designers) to use this new type of cement.
ITALIAN TRANSLATION
I nuovi cementi a base di argilla calcinata come alternativa ai cementi tradizionali
Dopo una breve introduzione sulla necessità di contenere il più possibile le emissioni di CO2 nell’industria del cemento, gli autori sottolineano la disponibilità di una nuova tipologia di cemento denominato con la sigla LC3 (Limestone Calcined Clay Cement) la cui tecnologia, basata sull’azione combinata e sinergica di tre componenti principali, il clinker, l’argilla calcinata e il calcare macinato, si sta sviluppando in tutto il mondo. Questo nuovo tipo di cemento contiene, quindi, un contenuto di clinker molto più basso (anche inferiore al 50%) rispetto agli odierni cemento portland tipo I e tipo II e cemento pozzolanico tipo IV (si veda la normativa europea sui cementi EN197), arrivando a ridurre le emissioni di CO2 anche del 30%. Molteplici potrebbero essere i vantaggi tecnici legati all’impiego di cemento LC3 nel calcestruzzo, quali:
1. Sviluppo più veloce delle resistenze meccaniche (tempi di scassero più rapidi);
2. Minore durata della stagionatura dei getti (minore influenza della manodopera);
3. Una maggiore coesività e resistenza alla segregazione delle miscele (maggiore tolleranza sulle eventuali variazioni del contenuto di acqua nel calcestruzzo)
4. Una maggiore resistenza agli attacchi chimici (aumento della durabilità);
5. Una minore permeabilità all’acqua (maggiore utilizzo in calcestruzzi destinati ad opere di fondazione a contatto con acque di falda);
6. Un più basso calore d’idratazione (getti massivi).
Tra i vantaggi commerciali viene evidenziata la maggiore disponibilità delle materie prime, in particolare dell’argilla utilizzata per la produzione del cemento LC3, potendo provenire anche dagli scarti di varie attività minerarie. Anche il calcare utilizzato potrà essere più facilmente reperibile, avendo un più basso grado di purezza rispetto a quello impiegato per la produzione del clinker di cemento Portland. Infatti, eventuali impurità quali quarzo e minerali argillosi non influenzano negativamente la qualità del cemento LC3. Oltre a questi fattori, gli autori affermano che un’ulteriore importante proprietà del cemento LC3 è quella di ridurre la quantità di clinker in siti di produzione dove materiali come la cenere volante o la loppa granulare macinata non sono disponibili o sono molto costose e questo vale, ovviamente, anche per la produzione del calcestruzzo.
Esistono tuttavia delle criticità sia tecniche sia commerciali sull’utilizzo del cemento LC3. Gli autori si soffermano su alcuni aspetti fondamentali, quali:
1. La mancanza di sufficienti esperienze di campo rispetto alla storia più che centenaria dei cementi tradizionali;
2. Lo sviluppo di una nuova normativa specifica;
3. I test di laboratorio ancora poco numerosi per la verifica dei requisiti tecnici e delle aspettative tecniche da parte degli utilizzatori nel mercato (produttori di ready mix, prefabbricatori, progettisti);
4. Una maggiore richiesta d’acqua e conseguentemente un maggior consumo di additivi riduttori d’acqua rispetto ai cementi tradizionali;
5. Un potenziale maggior rischio di corrosione indotta da carbonatazione delle armature nelle strutture di cemento armato;
6. Una possibile riduzione delle resistenze meccaniche a lungo termine in generale, maggiormente evidente in calcestruzzi maturati in condizioni di temperatura superiori ai +40°C;
7. Una possibile riduzione della durabilità delle strutture in cemento armato a causa di una maggiore porosità della microstruttura nei legami che si sviluppano durante l’idratazione;
8. Il costo di produzione tendenzialmente maggiore rispetto ai cementi tradizionali a causa di maggiori investimenti da parte dei produttori sia nel processo produttivo che nella scelta più accurata delle materie prime.
Infine, gli autori sottolineano come alcuni fattori di mercato possono influire negativamente sullo sviluppo commerciale del cemento LC3. Poiché, infatti, alcune caratteristiche del cemento LC3 possono essere molto differenti rispetto a quelle del cemento tradizionale (colore, finezza, aspetto superficiale di finitura, tempi di presa, etc..) la natura conservativa del mercato delle costruzioni può rallentare in modo significativo l’adozione del nuovo cemento tra gli utilizzatori.
Un commento ai contenuti dell’articolo
L’articolo riporta delle considerazioni estremamente interessanti ed altrettanto corrette circa lo sviluppo dei cementi cosiddetti LC3. L’articolo, infatti, descrive sia gli aspetti positivi che quelli negativi di questi nuovi cementi. Per quanto riguarda le criticità, particolare attenzione deve essere posta sugli aspetti normativi che sono ancora in fase di definizione e sulle verifiche di laboratorio attraverso prove mirate che dimostrino l’idoneità del cemento LC3 a soddisfare le esigenze del mercato tecnicamente e commercialmente. Sia l’attività di sviluppo di una normativa adeguata sia l’attività di verifica tecnica tramite prove di laboratorio, cose tra loro strettamente legate, devono necessariamente essere condotte dai produttori e possibilmente in collaborazione con altri enti di ricerca pubblici e privati operanti nel settore della chimica del cemento e nella tecnologia del calcestruzzo. A questo riguardo anche le grandi aziende attive nella chimica per le costruzioni devono dare il loro contributo a sviluppare nuove tecnologie di prodotti che aiutino a superare le criticità tecniche riportate nell’articolo. A livello europeo e a livello italiano, alcuni grandi produttori di cemento stanno verificando il processo produttivo dei cementi LC3 attraverso impianti su piccola scala. E’ quindi auspicabile che campioni di cemento rappresentativi di queste produzioni possano essere testati in modo da iniziare a colmare il gap tra gli aspetti teorici e gli aspetti pratico-operativi, operazione assolutamente necessaria per convincere i clienti finali nel mercato (produttori di calcestruzzo preconfezionato, prefabbricatori, imprese e progettisti) ad utilizzare questo nuovo tipo di cemento.
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