Introduzione

La produzione di cemento è responsabile di quasi l’8% delle emissioni globali di CO₂. Per affrontare questa criticità, una delle strategie chiave per ridurre l’impronta di carbonio dei materiali a base cementizia – in linea con lo scenario Net Zero 2050 raccomandato dall’Agenzia Internazionale dell’Energia (IEA) – è la riduzione del rapporto clinker/cemento.

In questo contesto, Cembureau delinea diversi percorsi possibili per ridurre l’impronta di carbonio e raggiungere la neutralità climatica entro il 2050.

Nei sistemi a base di cemento, il clinker viene solitamente sostituito con materiali cementizi supplementari (SCM), come la loppa d’altoforno granulata macinata (GGBS), le pozzolane o le ceneri volanti. Tuttavia, ciò comporta spesso uno sviluppo più lento della resistenza iniziale.

L’impiego di carbonato di calcio ultrafine ad alta purezza e basso contenuto di carbonio rappresenta una valida soluzione, in quanto agisce come acceleratore minerale fornendo siti di nucleazione per la cristallizzazione delle particelle di cemento. In questo contesto, contribuisce a migliorare la resistenza iniziale senza compromettere le prestazioni a lungo termine.

In alcuni Paesi, l’uso di tali materiali nel calcestruzzo è regolato da normative locali specifiche – come in Francia, Regno Unito, Paesi Bassi e Stati Uniti – mentre a livello europeo rientra più generalmente nella norma EN 12620. Inoltre, è in fase di preparazione una norma europea dedicata (bozza prEN18136) che definirà i requisiti chimici e fisici per l’utilizzo del calcare macinato come aggiunta in calcestruzzo, malte e boiacche cementizie.

Il carbonato di calcio fine di Omya proviene da rocce carbonatiche composte da minerali puri. Grazie a un processo produttivo che ne preserva le qualità originali e tramite macinazione, lavorazione e selezione, si ottiene una gamma di prodotti fini e ultrafini commercializzati con il marchio Betocarb®.

Questo studio valuta l’impiego del calcare macinato ultrafine come acceleratore dell’idratazione del cemento, proponendo un approccio sostenibile per ottimizzare l’efficienza dei sistemi cementizi.

Carbonati di Calcio Fini e Ultrafini

Gli ioni di calcio presenti nella gamma Betocarb® contribuiscono ad accelerare la cristallizzazione dei principali componenti idratati del cemento, come le fasi di Calcio-Silicato-Idrato (C-S-H). La finezza delle particelle e la presenza di ioni calcio forniscono siti di nucleazione che favoriscono un’idratazione più rapida e completa del cemento, con un conseguente aumento della resistenza iniziale (entro 24 ore).

Inoltre, la finezza delle particelle della gamma Betocarb® ottimizza il compattamento del calcestruzzo, riducendo i vuoti e potenzialmente diminuendo il contenuto di cemento.

Oltre alla finezza, anche l’elevata purezza gioca un ruolo cruciale, soprattutto nell’interazione e nella sinergia con cemento e additivi.

Ottimizzazione della Progettazione della Miscela e delle Prestazioni

Di conseguenza, è possibile ottimizzare il contenuto di fini e il volume della pasta riducendo al minimo il contenuto di cemento (o legante), al fine di raggiungere gli obiettivi di riduzione dell’impronta di carbonio. La scelta dei superfluidificanti è inoltre essenziale per ottimizzare il contenuto d’acqua e la viscosità.

Le Figure 1 e 2, a cura di P. Gonnon, Global Senior Manager – Cement, Mortar & Concrete Laboratory di Omya, illustrano questo concetto e il meccanismo di ottimizzazione del sistema.

Grazie alla LG Methodology di Omya, i componenti fini dei sistemi cementizi vengono ottimizzati insieme all’acqua e agli additivi chimici per ottenere un effetto sinergico:

Nel caso specifico di Betocarb UF, un carbonato di calcio ultrafine naturale con basso contenuto di carbonio e alta purezza, l’idratazione del cemento è accelerata grazie alla presenza di siti di nucleazione, con un incremento della resistenza già dopo 5 ore. Sebbene il carbonato di calcio ultrafine non sia reattivo come altre pozzolane, migliora la reattività del cemento in quanto la sua superficie funge da sito di nucleazione per la crescita dei prodotti di idratazione.

Inoltre, Betocarb UF presenta un’impronta di carbonio di 54 kg CO₂eq/t (CCA Europe – EPD – EN 15804), significativamente inferiore rispetto al cemento Portland, consentendo la produzione di malte e calcestruzzi più sostenibili. Non solo riempie i vuoti tra le particelle di cemento, ma migliora anche le proprietà meccaniche e la durabilità del sistema, con un conseguente aumento della resistenza iniziale.

Test su Malte

Per valutare il contributo di Betocarb UF, Omya ha utilizzato la sua metodologia LG basata su malta CEN (1 parte di cemento, 3 parti di sabbia CEN, 0,5 parti di acqua) con diversi tipi di cemento (ad es. CEM I 52.5N, CEM II/A-LL 42.5R e CEM III/A 42.5N) e dosaggi incrementali di Betocarb UF (2,8%, 5,6% e 8,3%) in sostituzione della sabbia standard, mantenendo costante il contenuto d’acqua.

Risultati di Resistenza

In tutti i casi, l’aggiunta di carbonato di calcio ultrafine come Betocarb UF ha comportato un miglioramento di almeno il 30% della resistenza a 1 giorno rispetto al mix di riferimento privo di Betocarb UF.

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Introduction

Cement production is responsible for nearly 8% of global CO₂ emissions. To address this, one of the key strategies to reduce the carbon footprint of cement-based materials, in line with the Net Zero Scenario 2050 recommended by the International Energy Agency (IEA), is to lower the clinker-to-cement ratio.

In this context, Cembureau outlines several possible pathways to reduce the carbon footprint and achieve Net Zero by 2050.

Typically, in cement-based systems, clinker is replaced with supplementary cementitious materials (SCMs) such as ground granulated blast furnace slag (GGBS), pozzolans, or fly ash. However, this often results in slower early strength development.

The use of high-purity, low-carbon, ultrafine calcium carbonate can be a valid solution, as it acts as a mineral accelerator by providing nucleation sites for crystallizing cement particles. In this context, this improves early strength without compromising long-term performance.

In some Countries, the use of such materials in concrete is regulated by specific local standards – such as in France, the UK, the Netherlands, and the USA – while more generally in Europe, it falls under EN 12620. Additionally, a dedicated European standard (Draft prEN18136) is being prepared to specify the chemical and physical requirements for the use of ground limestone as an addition in concrete, mortars, and cement grouts.

Omya’s fine calcium carbonate originates from carbonate rocks composed of pure minerals, through a production process that preserves the material’s original qualities, and through grinding, processing, and selection, a range of fine and ultrafine products is obtained under the Betocarb® product line.

This study evaluates ultrafine ground limestone as an accelerator to cement hydration, offering a sustainable approach to optimizing the efficiency of cementitious systems.

Fine and Ultrafine Calcium Carbonates

The calcium ions in the Betocarb® range help accelerate the crystallization of the main hydrated cement components, such as Calcium-Silicate-Hydrate (C-S-H) phases. The fine particle size and calcium ions provide nucleation sites that lead to greater and early hydration of the cement, resulting in increased early strength (within 24 hours).

In addition, the fine particle size of the Betocarb® range also optimizes concrete packing, reducing voids and potentially lowering cement content.

In addition to fineness, high purity with plays a crucial role, especially in interaction and synergy with cement and admixtures.

Optimising Mix Design and Performance

Accordingly, it is possible to optimize the fine content and paste volume while minimizing cement (or binder) content to meet carbon footprint reduction targets. The choice of superplasticizers is also essential for optimizing water content and viscosity.

Figures 1 and 2, by P. Gonnon, Global Senior Manager – Cement, Mortar & Concrete Laboratory at Omya, illustrate this concept and the mechanism for system optimization.

Thanks to Omya’s LG Methodology, the fine components of cementitious systems are optimized along with water and chemical admixtures to achieve a synergistic effect:

In the specific case of Betocarb UF, a natural ultrafine calcium carbonate with low carbon content and high purity, cement hydration is accelerated by providing nucleation sites, resulting in increased strength as early as 5 hours. Although ultrafine calcium carbonate is not reactive like other pozzolans, it enhances cement reactivity since its surface area acts as nucleation sites for and growth of its hydration products.

Moreover, Betocarb UF has a carbon footprint of 54 kg CO₂eq/t (CCA Europe – EPD – EN 15804), significantly lower than Portland cement, enabling the production of more sustainable and mortars and concretes. It not only fills voids between cement particles but also improves mechanical properties and durability of the system, resulting in increased early strength.

Mortar Testing

To evaluate the contribution of Betocarb UF, Omya used its LG methodology based on CEN mortar (1 part cement, 3 parts CEN sand, 0.5 parts water) with various cement types (e.g., CEM I 52.5N, CEM II/A-LL 42.5R, and CEM III/A 42.5N) and incremental Betocarb UF dosages (2.8%, 5.6%, and 8.3%) replacing standard sand, with constant water content.

Strength Results

In all cases, the addition of ultrafine calcium carbonate like Betocarb UF resulted in at least a 30% improvement in 1-day strength compared to the reference mix without Betocarb UF.

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To learn more about this subject, don’t miss Omya’s presentation at the Construction Chemicals Academy at Paint & Coatings Italy on 9th of October at 12:00.

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