Ceneri volanti: cosa sapere prima di usarle nell’impasto

Le ceneri volanti sono una polvere minerale finissima che può essere utilizzata come aggiunta nella produzione dei conglomerati cementizi, in parziale sostituzione del legante o a integrazione della sua azione. Il loro uso in Europa poggia su una lunga esperienza tecnica e normativa: la prima versione della norma EN 450, dedicata proprio a questo materiale, risale al 1994. Oggi le miscele che le contengono trovano impiego in fondazioni, pavimentazioni e opere idrauliche.

Cosa sono le ceneri volanti: origine, composizione e classi

Le ceneri volanti sono il residuo fine che i fumi trascinano con sé durante la combustione del carbone polverizzato nelle centrali termoelettriche. Prima di uscire dal camino, i gas attraversano filtri elettrostatici o a maniche, che trattengono le particelle. Il loro nome deriva proprio dal modo in cui si formano: la cenere viaggia in sospensione nei fumi, mentre le scorie più pesanti si depositano sul fondo della caldaia.

Le alte temperature della combustione e il rapido raffreddamento danno alle particelle una forma sferica e una struttura in prevalenza vetrosa, cioè amorfa e quindi chimicamente reattiva. Sul piano chimico, la cenere volante contiene soprattutto biossido di silicio (SiO₂), ossido di alluminio (Al₂O₃), ossido di ferro (Fe₂O₃) e ossido di calcio (CaO), oltre a una quota variabile di carbonio incombusto.

In Europa la classificazione delle ceneri avviene attraverso la norma EN 450-1, che ne prevede la suddivisione in categorie sulla base di due parametri.

• Perdita al fuoco: misura il carbonio incombusto, individua la categoria A (fino al 5,0%), la B (fino al 7,0%) e la C (fino al 9,0%).
• Finezza: espressa come quota trattenuta al setaccio da 45 µm, la categoria N ammette fino al 40%, mentre la categoria S, più fine, si ferma al 12%.

Entrambi i parametri incidono sul comportamento in opera: un tenore di carbonio elevato tende ad assorbire gli additivi chimici, in particolare gli aeranti, mentre una finezza maggiore rende più rapida la reazione con il cemento.

Reazione pozzolanica: i vantaggi delle ceneri volanti nell’impasto

La reazione pozzolanica è il processo chimico che trasforma la cenere da polvere fine a componente attivo della matrice indurita. Durante l’idratazione del cemento si formano i silicati di calcio idrati (C-S-H), responsabili della resistenza, e si libera idrossido di calcio, un composto che contribuisce poco alle prestazioni meccaniche. La silice e l’allumina amorfe della cenere reagiscono lentamente con tale idrossido e producono nuovo C-S-H, che si deposita nei pori capillari e ne riduce le dimensioni.

Dal meccanismo appena descritto, insieme alla forma sferica delle particelle, derivano i principali vantaggi per i getti:

• resistenza meccanica più alta alle lunghe stagionature, perché il C-S-H aggiuntivo continua a formarsi anche oltre i 28 giorni;
• matrice più compatta e meno permeabile, che rallenta l’ingresso di acqua e di agenti aggressivi come i cloruri e migliora la durabilità della struttura;
• minore calore di idratazione, prezioso nei getti massivi, dove la differenza di temperatura tra nucleo e superficie può generare fessure;
• lavorabilità migliore a parità d’acqua, grazie alle particelle sferiche che riducono l’attrito interno della pasta;
• minore quantità di cemento per metro cubo, poiché le ceneri possono sostituire parte del legante e abbassare l’impronta ambientale della miscela.

Il limite principale delle ceneri riguarda i tempi di sviluppo delle resistenze: la reazione pozzolanica procede più lentamente dell’idratazione del clinker, perciò nelle prime stagionature le resistenze risultano leggermente inferiori a quelle di un calcestruzzo con solo cemento. Quando servono disarmi rapidi o si getta con temperature basse, il dosaggio della cenere va calibrato di conseguenza e accompagnato da una stagionatura umida più lunga, che lascia alla reazione il tempo di svilupparsi.

Come si dosano le ceneri volanti: UNI EN 450 e rapporto a/c equivalente

Una cenere destinata agli impasti strutturali deve rispettare la UNI EN 450-1, che ne fissa definizione, specifiche e criteri di conformità, mentre la UNI EN 450-2 disciplina la valutazione della conformità. Fra i requisiti chimici, la somma di SiO₂, Al₂O₃ e Fe₂O₃ deve raggiungere almeno il 70%. Sul piano prestazionale conta l’indice di attività, che confronta la resistenza di una malta contenente cenere con quella di una malta di riferimento: il valore minimo è del 75% a 28 giorni e dell’85% a 90 giorni. Una cenere conforme può entrare nei conglomerati cementizi come aggiunta di tipo II secondo la UNI EN 206, affiancata in Italia dalle istruzioni complementari della UNI 11104.

Il contributo della cenere al progetto della miscela si quantifica attraverso il coefficiente k, che indica quanta parte della sua massa vale come cemento. Ne deriva un rapporto acqua/cemento equivalente, calcolato come a / (c + k · f), dove a è l’acqua efficace, c il cemento e f la cenere, tutti espressi in kg/m³. Con cemento CEM I, la UNI EN 206 adotta k = 0,4 e limita la cenere conteggiabile a un rapporto f/c non superiore a 0,33 in massa; la quota eccedente resta esclusa dal calcolo.

In una miscela con 300 kg/m³ di CEM I, 90 kg/m³ di cenere (f/c = 0,30) e 165 kg/m³ di acqua efficace, il rapporto a/c semplice vale 0,55, mentre quello equivalente scende a 165 / (300 + 0,4 · 90) ≈ 0,49. Grazie all’utilizzo della cenere diventa più agevole rispettare i limiti di a/c imposti dalle classi di esposizione senza aumentare il dosaggio di cemento, e mantenendo un’ottima lavorabilità.

Per individuare aggiunte minerali e additivi adatti a queste miscele, visita la pagina Prodotti di General Admixtures.

Le domande più frequenti

A cosa servono le ceneri volanti nel calcestruzzo?

Nel calcestruzzo le ceneri volanti sostituiscono una parte del cemento e, grazie alla reazione pozzolanica, contribuiscono alla resistenza nel lungo periodo, mentre le particelle sferiche migliorano la lavorabilità e riempiono i vuoti tra i granuli di cemento. Ne risulta un impasto più compatto, meno permeabile e con un minore sviluppo di calore durante l’idratazione, caratteristica apprezzata nelle fondazioni e nei getti di grande spessore. Sul piano ambientale, l’impiego delle ceneri riduce la quantità di clinker per metro cubo e valorizza un sottoprodotto industriale che altrimenti finirebbe in discarica.

Che differenza c’è tra ceneri volanti e fumo di silice?

Ceneri volanti e fumo di silice rientrano entrambi tra le aggiunte pozzolaniche di tipo II previste dalla UNI EN 206, ma differiscono per origine, finezza e reattività. Le ceneri derivano dalla combustione del carbone nelle centrali termoelettriche, mentre il fumo di silice è un sottoprodotto della produzione di silicio metallico e di leghe di ferrosilicio. Le sue particelle hanno dimensioni medie inferiori al micrometro e un contenuto di silice amorfa pari ad almeno l’85%, come richiesto dalla UNI EN 13263-1: reagiscono quindi più in fretta e si impiegano in dosaggi ridotti, soprattutto nei calcestruzzi ad alte prestazioni.

Come si verifica che una cenere volante sia idonea al calcestruzzo?

Le ceneri volanti destinate al calcestruzzo devono riportare la marcatura CE secondo la norma armonizzata UNI EN 450-1 ed essere accompagnate da una dichiarazione di prestazione (DoP) del produttore. Nel documento compaiono la categoria di perdita al fuoco, la categoria di finezza e i valori dei principali requisiti chimici e fisici, come l’indice di attività. La UNI EN 450-2 stabilisce invece come produttore e organismo notificato controllano nel tempo la costanza della produzione.

Quante ceneri volanti si possono aggiungere al calcestruzzo?

L’utilizzo delle ceneri nel calcestruzzo è disciplinato dalla UNI EN 206 e dalla UNI 11104. Con cemento CEM I la cenere considerata nel rapporto acqua/cemento equivalente non può superare un rapporto f/c di 0,33 in massa: con 300 kg/m³ di cemento, ad esempio, entrano nel calcolo al massimo 99 kg/m³ di cenere. L’eventuale quota eccedente può restare nella miscela, dove agisce come filler, ma non aiuta a rispettare i limiti di rapporto a/c e di dosaggio minimo di legante. Il dosaggio effettivo si stabilisce con prove iniziali sulla miscela.