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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.

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