C’è una zona di cemento nel campus della Drexel University che potrebbe far presagire un futuro senza gelo per marciapiedi e autostrade nel nord-est. Nascoste in modo poco appariscente accanto a un parcheggio per i veicoli delle strutture universitarie, due lastre da 30 pollici per 30 pollici proteggono da sole neve, nevischio e pioggia gelata – senza spalare, salare o raschiare – per un po’ oltre tre anni. I ricercatori del Drexel’s College of Engineering, hanno recentemente riferito sulla scienza alla base del calcestruzzo speciale, che può riscaldarsi quando nevica o quando le temperature si avvicinano allo zero.
Il calcestruzzo autoriscaldante, come quello di Drexel, è l’ultimo di uno sforzo continuo per creare infrastrutture più reattive e resilienti rispetto all’ambiente, in particolare nelle regioni settentrionali degli Stati Uniti, dove la National Highway Administration stima che gli stati spendano 2,3 miliardi di dollari in operazioni di rimozione di neve e ghiaccio. ogni anno e milioni per riparare le strade danneggiate dal clima invernale.
“Un modo per prolungare la vita utile delle superfici in calcestruzzo, come le strade, è aiutarle a mantenere una temperatura superficiale sopra lo zero durante l’inverno”, ha affermato Amir Farnam, PhD, professore associato presso il College of Engineering il cui Advanced Infrastructure Materials Lab ha condotto la ricerca. “Prevenire il congelamento e lo scongelamento e ridurre la necessità di aratura e salatura sono buoni modi per evitare che la superficie si deteriori. Quindi, il nostro lavoro sta esaminando come possiamo incorporare materiali speciali nel calcestruzzo che lo aiutino a mantenere una temperatura superficiale più elevata quando la temperatura ambiente circostante scende.”
Negli ultimi cinque anni il team Drexel ha sviluppato la sua miscela di calcestruzzo resistente alle basse temperature con l’obiettivo di ridurre il congelamento, lo scongelamento e la salatura che corrodono le strade e altre superfici di cemento. Fino ad ora, il successo del loro calcestruzzo autoriscaldante – che secondo loro in precedenza può sciogliere la neve e prevenire o rallentare la formazione di ghiaccio per un lungo periodo di tempo – è avvenuto solo in un ambiente di laboratorio controllato. In un articolo recentemente pubblicato sulla American Society for Civil Engineering Giornale dei materiali in ingegneria civile, il gruppo ha compiuto l’importante passo di dimostrarne la fattibilità nell’ambiente naturale.
“Abbiamo dimostrato che il nostro calcestruzzo autoriscaldante è in grado di sciogliere la neve da solo, utilizzando solo l’energia termica diurna ambientale, e lo fa senza l’aiuto di sale, spalature o sistemi di riscaldamento”, ha affermato Farnam. “Questo calcestruzzo autoriscaldante è adatto per le regioni montuose e settentrionali degli Stati Uniti, come la Pennsylvania nord-orientale e Filadelfia, dove sono presenti cicli di riscaldamento e raffreddamento adeguati in inverno.”
Un caldo benvenuto
Il segreto del riscaldamento del calcestruzzo è la paraffina liquida a bassa temperatura, che è un materiale a cambiamento di fase, il che significa che rilascia calore quando passa dal suo stato di temperatura ambiente – come liquido – a solido, quando le temperature scendono. In un articolo precedente, il gruppo aveva riferito che l’incorporazione di paraffina liquida nel calcestruzzo innesca il riscaldamento quando le temperature scendono. La loro ultima ricerca esamina due metodi per incorporare il materiale a cambiamento di fase nelle lastre di cemento e come ciascuno di essi si comporta all’aperto al freddo.
Un metodo prevede il trattamento degli aggregati leggeri porosi – i ciottoli e i piccoli frammenti di pietra che costituiscono gli ingredienti del calcestruzzo – con la paraffina. Gli aggregati assorbono la paraffina liquida prima di essere mescolati al calcestruzzo. L’altra strategia consiste nel mescolare microcapsule di paraffina direttamente nel calcestruzzo.
Una prova negli elementi
I ricercatori hanno versato una lastra utilizzando ciascun metodo e una terza senza alcun materiale a cambiamento di fase, come controllo. Tutti e tre sono stati all’aria aperta dal dicembre 2021. Nei primi due anni, hanno affrontato un totale di 32 eventi di gelo-disgelo – casi in cui la temperatura è scesa sotto lo zero, indipendentemente dalle precipitazioni – e cinque nevicate di un pollice o Di più.
Utilizzando telecamere e sensori termici, i ricercatori hanno monitorato la temperatura e il comportamento delle lastre in termini di scioglimento della neve e del ghiaccio. Hanno riferito che le lastre a cambiamento di fase hanno mantenuto una temperatura superficiale tra 42 e 55 gradi Fahrenheit per un massimo di 10 ore, quando la temperatura dell’aria è scesa sotto lo zero.
Questo riscaldamento è sufficiente a sciogliere un paio di centimetri di neve, ad una velocità di circa un quarto di pollice di neve all’ora. E anche se la temperatura potrebbe non essere abbastanza calda da sciogliere una forte nevicata prima che siano necessari gli spazzaneve, può aiutare a sbrinare la superficie stradale e aumentare la sicurezza dei trasporti, anche in caso di forti nevicate.
Stare abbastanza caldo
Secondo i ricercatori, anche semplicemente impedire che la superficie scenda sotto lo zero è molto utile per prevenire il deterioramento.
“Cicli di gelo-disgelo, periodi di raffreddamento estremo – sotto lo zero – e riscaldamento, possono causare l’espansione e la contrazione di una superficie, il che mette a dura prova la sua integrità strutturale e può causare dannose fessurazioni e scheggiature nel tempo”, ha affermato Robin Deb, uno studente di dottorato presso la Facoltà di Ingegneria, che ha contribuito a condurre la ricerca. “E anche se questo da solo potrebbe non degradare la struttura fino al punto di cedimento, crea una vulnerabilità che porterà al problematico deterioramento interno che dobbiamo evitare. Uno dei risultati promettenti è che le lastre con materiali a cambiamento di fase sono state in grado di per stabilizzare la loro temperatura sopra lo zero di fronte al calo della temperatura ambiente.”
Lento e costante
Nel complesso, la lastra di aggregato leggero trattata ha ottenuto risultati migliori nel sostenere il riscaldamento – mantenendo la temperatura sopra lo zero fino a 10 ore – mentre la lastra con materiale a cambiamento di fase microincapsulato è stata in grado di riscaldarsi più rapidamente, ma di mantenere il riscaldamento solo per la metà del tempo. I ricercatori suggeriscono che ciò sia dovuto alla relativa erogazione del materiale a cambiamento di fase all’interno dei pori dell’aggregato, rispetto alla concentrazione del materiale a cambiamento di fase all’interno delle microcapsule, un fenomeno che è stato ampiamente studiato.
Hanno anche notato che la porosità dell’aggregato probabilmente contribuisce a far sì che la paraffina rimanga liquida al di sotto della sua normale temperatura di congelamento di 42 gradi Fahrenheit. Ciò si è rivelato vantaggioso per le prestazioni della lastra perché il materiale non ha rilasciato immediatamente la sua energia termica quando la temperatura ha iniziato a scendere, mantenendo il rilascio fino a quando il materiale non ha raggiunto i 39 gradi Fahrenheit. Al contrario, la paraffina microincapsulata ha iniziato a rilasciare la sua energia riscaldante non appena la sua temperatura ha raggiunto i 42 gradi, il che ha contribuito a un periodo di attivazione relativamente più breve.
“I nostri risultati suggeriscono che il calcestruzzo aggregato leggero trattato con materiale a cambiamento di fase era più adatto per applicazioni antighiaccio a temperature inferiori allo zero a causa del suo rilascio graduale di calore entro un intervallo di temperature più ampio”, ha affermato Farnam.
Margini di miglioramento
Mentre entrambe le applicazioni sono state in grado di aumentare la temperatura del calcestruzzo tra 53 e 55 gradi Fahrenheit, che è più che sufficiente per sciogliere la neve. Le loro prestazioni erano influenzate dalla temperatura dell’aria ambiente prima di una nevicata e dal tasso di nevicata.
“Abbiamo scoperto che i marciapiedi incorporati nel PCM non possono sciogliere completamente l’accumulo di neve pesante, più grande di 2 pollici”, ha detto Deb. “Può, tuttavia, sciogliere nevicate di meno di due pollici in modo abbastanza efficace. Le lastre incorporate nel PCM iniziano a sciogliere la neve non appena inizia ad accumularsi. E il rilascio graduale di calore può effettivamente sbrinare la superficie di una pavimentazione, eliminando la necessità di pre -sale prima della forte nevicata.”
Hanno anche notato che se il materiale a cambiamento di fase non ha il tempo di “ricaricarsi” riscaldandosi abbastanza da tornare al suo stato liquido tra eventi di gelo-disgelo o neve, le sue prestazioni potrebbero essere ridotte.
“Condurre questa ricerca è stato un passo importante per noi per capire come si comporta in natura il calcestruzzo che incorpora materiale a cambiamento di fase”, ha detto Deb. “Con questi risultati, saremo in grado di continuare a migliorare il sistema e un giorno ottimizzarlo per un riscaldamento più lungo e una maggiore fusione. Ma è incoraggiante vedere prove di una significativa riduzione dei cicli di gelo-disgelo, che dimostra che il calcestruzzo PCM è più resistente al gelo-disgelo rispetto al calcestruzzo tradizionale.”
Il team prevede di continuare a raccogliere dati sulle lastre per comprendere l’efficacia a lungo termine dei materiali a cambiamento di fase e studiare come questo metodo possa prolungare la durata del calcestruzzo.
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
