Il futuro delle infrastrutture: il calcestruzzo auto-riscaldante
Il calcestruzzo auto-riscaldante sviluppato dai ricercatori della Drexel University potrebbe rappresentare una svolta per le infrastrutture delle regioni fredde, riducendo l’accumulo di neve e ghiaccio e rendendo le superfici più durature e con minor bisogno di manutenzione. Questo innovativo materiale, in grado di scaldarsi autonomamente quando le temperature scendono, è stato oggetto di recenti studi che ne hanno dimostrato l’efficacia nel contesto naturale.
Il potenziale del calcestruzzo auto-riscaldante
Il calcestruzzo auto-riscaldante, come quello sviluppato dalla Drexel University, rappresenta l’ultima frontiera nella creazione di infrastrutture più reattive all’ambiente e resilienti, in particolare nelle regioni settentrionali degli Stati Uniti. Si stima che l’Amministrazione Nazionale delle Autostrade spenda circa 2,3 miliardi di dollari all’anno per le operazioni di rimozione di neve e ghiaccio e milioni per riparare i danni causati dal meteo invernale alle strade.
“Un modo per estendere la vita utile delle superfici in calcestruzzo, come le strade, è aiutarle a mantenere una temperatura superficiale al di sopra dello zero durante l’inverno”, ha affermato Amir Farnam, PhD, professore associato presso il College of Engineering della Drexel University. “Prevenire il congelamento e lo scongelamento e ridurre la necessità di spalare e salare sono buoni modi per impedire il deterioramento della superficie. Pertanto, il nostro lavoro si concentra su come possiamo incorporare materiali speciali nel calcestruzzo che lo aiutino a mantenere una temperatura superficiale più elevata quando la temperatura ambiente circostante scende”.
La meccanica del calcestruzzo riscaldante
Il segreto del riscaldamento del calcestruzzo è il paraffina liquida a bassa temperatura, che è un materiale a cambio di fase, il quale rilascia calore quando passa dallo stato liquido a temperatura ambiente allo stato solido, quando le temperature scendono. La ricerca ha esaminato due metodi per incorporare il materiale a cambio di fase nelle lastre di calcestruzzo e come ciascuno si comporta all’aperto nel freddo.
Un metodo prevede il trattamento di aggregati leggeri porosi – ciottoli e frammenti di pietra piccoli che sono ingredienti nel calcestruzzo - con la paraffina. L’aggregato assorbe la paraffina liquida prima di essere miscelato nel calcestruzzo. L’altra strategia consiste nel mescolare microcapsule di paraffina direttamente nel calcestruzzo.
Un test negli elementi
I ricercatori hanno versato una lastra utilizzando ciascun metodo e una terza senza alcun materiale a cambio di fase, come controllo. Tutte e tre sono state esposte agli elementi dal dicembre 2021. Nei primi due anni, hanno affrontato un totale di 32 eventi di congelamento-scongelamento e cinque nevicate di un pollice o più.
Utilizzando telecamere e sensori termici, i ricercatori hanno monitorato la temperatura e il comportamento di fusione di neve e ghiaccio delle lastre. Hanno riferito che le lastre a cambio di fase hanno mantenuto una temperatura superficiale tra i 42 e i 55 gradi Fahrenheit per un massimo di 10 ore, quando le temperature dell’aria scendevano al di sotto dello zero.
Questo riscaldamento è sufficiente per sciogliere un paio di pollici di neve, a un ritmo di circa un quarto di pollice di neve all’ora. E sebbene ciò potrebbe non essere abbastanza caldo per sciogliere un evento di neve pesante prima che siano necessari i mezzi spazzaneve, può aiutare a sghiacciare la superficie stradale e aumentare la sicurezza dei trasporti, anche in eventi di neve pesante.
Mantenere il calore
Prevenire semplicemente che la superficie scenda al di sotto dello zero è anche un grande passo avanti per prevenire il deterioramento, secondo i ricercatori.
“I cicli di congelamento-scongelamento, periodi di raffreddamento estremo – al di sotto dello zero – e riscaldamento, possono causare un’espansione e una contrazione delle dimensioni di una superficie, mettendo a dura prova la sua integrità strutturale e causando nel tempo crepe e distacchi dannosi”, ha detto Robin Deb, dottorando presso il College of Engineering, che ha contribuito a guidare la ricerca. “E sebbene ciò da solo potrebbe non degradare la struttura fino al punto di rottura, crea una vulnerabilità che porterà al deterioramento interno problematico che dobbiamo evitare. Uno dei risultati promettenti è che le lastre con materiali a cambio di fase sono state in grado di stabilizzare la loro temperatura al di sopra dello zero di fronte a temperature ambiente in calo”.
Un rilascio lento e costante
Nel complesso, la lastra trattata con aggregato leggero ha avuto prestazioni migliori nel sostenere il suo riscaldamento, mantenendo la temperatura al di sopra dello zero per un massimo di 10 ore, mentre la lastra con materiale a cambio di fase microincapsulato è stata in grado di riscaldarsi più rapidamente, ma solo mantenere il riscaldamento per la metà del tempo. I ricercatori suggeriscono che ciò è dovuto alla relativa dispersione del materiale a cambio di fase all’interno dei pori dell’aggregato, rispetto alla concentrazione di materiale a cambio di fase all’interno delle microcapsule.
Hanno anche notato che la porosità dell’aggregato contribuisce probabilmente a far sì che la paraffina rimanga liquida al di sotto della sua solita temperatura di congelamento di 42 gradi Fahrenheit. Ciò si è dimostrato vantaggioso per le prestazioni della lastra perché il materiale non ha rilasciato immediatamente la sua energia termica quando la temperatura ha iniziato a scendere, trattenendo il rilascio fino a quando il materiale ha raggiunto i 39 gradi Fahrenheit. Al contrario, la paraffina microincapsulata ha iniziato a rilasciare la sua energia di riscaldamento non appena la sua temperatura ha raggiunto i 42 gradi, contribuendo al suo periodo di attivazione relativamente più breve.
“I nostri risultati suggeriscono che il calcestruzzo trattato con aggregato leggero e materiale a cambio di fase è più adatto per applicazioni di sghiacciamento a temperature sotto zero a causa del suo rilascio graduale di calore in un intervallo di temperature più ampio”, ha detto Farnam.
Spazio per miglioramenti
Sebbene entrambe le applicazioni siano state in grado di innalzare la temperatura del calcestruzzo tra i 53 e i 55 gradi Fahrenheit, che è più che sufficiente per sciogliere la neve, le loro prestazioni sono state influenzate dalla temperatura dell’aria ambiente prima di una nevicata e dal tasso di nevicata.
“Abbiamo scoperto che i pavimenti incorporati con PCM non possono sciogliere completamente l’accumulo di neve pesante, maggiore di 2 pollici”, ha detto Deb. “Tuttavia, può sciogliere efficacemente nevicate inferiori a due pollici. Le lastre incorporate con PCM iniziano a sciogliere la neve non appena inizia ad accumularsi. E il rilascio graduale di calore può sghiacciare efficacemente la superficie di un pavimento, eliminando la necessità di pre-salare prima della forte nevicata”.
Hanno anche notato che se il materiale a cambio di fase non ha il tempo di “ricaricarsi” riscaldandosi abbastanza da tornare al suo stato liquido tra eventi di congelamento-scongelamento o nevicate, allora le sue prestazioni potrebbero essere ridotte.
“Condurre questa ricerca è stato un passo importante per noi per capire come si comporta il calcestruzzo che incorpora materiale a cambio di fase in natura”, ha detto Deb. “Con questi risultati, saremo in grado di continuare a migliorare il sistema per ottimizzarlo un giorno per un riscaldamento più lungo e una maggiore fusione. Ma è incoraggiante vedere prove di una significativa riduzione dei cicli di congelamento-scongelamento, il che dimostra che il calcestruzzo PCM è più resistente al congelamento-scongelamento rispetto al calcestruzzo tradizionale”.
Il team prevede di continuare a raccogliere dati sulle lastre per comprendere l’efficacia a lungo termine dei materiali a cambio di fase e studiare come questo metodo possa estendere la durata del calcestruzzo.