Scienza dei materiali
Il calcestruzzo auto‑riscaldante potrebbe aiutare le nostre strade, le falde acquifere e i portafogli
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Nelle regioni del Nord America con climi freddi, la neve e i cicli di gelo‑scioglimento sono piuttosto comuni durante le stagioni invernali. Questo porta all’accumulo di neve su strade e pavimentazioni in calcestruzzo e a danni da gelo‑scioglimento del calcestruzzo.
Tuttavia, nel campus dell’Università Drexel, c’è una sezione di calcestruzzo che mostra il futuro di marciapiedi e autostrade senza gelo. Questa sezione si trova proprio accanto al parcheggio dell’università.
Comprende due lastre da 30 pollici per 30 pollici che hanno cancellato neve e pioggia gelata da sole, senza che nessuno le spalmi, le sali o le raschi, per un periodo fino a tre anni. Ma non è un miracolo; ciò che è è calcestruzzo auto‑riscaldante.
Quindi, la scorsa settimana, i ricercatori del College of Engineering della Drexel hanno riferito di come hanno creato questo calcestruzzo speciale che può riscaldarsi da solo quando la temperatura scende al punto di congelamento o quando nevica.
Pubblicato nel Journal of Materials in Civil Engineering, l’articolo discute lo sviluppo del calcestruzzo auto‑riscaldante usando materiali a cambiamento di fase a bassa temperatura, o PCM.
Questi esperimenti sono stati condotti nel Laboratorio Advanced Infrastructure Materials (AIM) dell’Università Drexel. Per condurre questi esperimenti, la Compass Minerals statunitense ha fornito il supporto finanziario, mentre MicroTek Laboratories ha fornito i materiali a scopo di ricerca.
Lo studio è stato condotto da Amir Farnam, Ph.D., professore associato; dottorando Robin Deb; gli studenti universitari Nishant Shrestha, Kham Phan e Mohamed Cissao; e i candidati dottorato Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai e Parsa Namakiaraghi, tutti appartenenti al College of Engineering.
Con questo calcestruzzo auto‑riscaldante, l’obiettivo, come spiega Farnam, è prolungare la vita operativa delle strade e di varie superfici. In particolare, aiuta queste superfici in calcestruzzo a mantenere temperature sopra lo zero durante i climi freddi. L’idea è favorire infrastrutture resilienti nelle regioni settentrionali degli Stati Uniti, dove gli stati investono annualmente circa 2,3 miliardi di dollari in operazioni di rimozione di neve e ghiaccio.
Quindi, per prevenire il gelo e lo scongelamento e ridurre la necessità di spalare e salare per mantenere la superficie dall’andare in frantumi, il nuovo esperimento introduce metalli speciali nel calcestruzzo che lo aiutano a mantenere una temperatura superficiale più alta quando il clima cambia.
Questo materiale è stato sviluppato per circa mezzo decennio con l’obiettivo di ridurre il gelo, lo scongelamento e la salatura che impattano negativamente strade e altre superfici in calcestruzzo. Si riporta che il calcestruzzo auto‑riscaldante ha la capacità di sciogliere la neve e rallentare o impedire la formazione di ghiaccio per un periodo prolungato.
Fino ad ora, il calcestruzzo auto‑riscaldante ha mostrato grande potenziale e successo in un ambiente di laboratorio controllato, ma ora la sua fattibilità è stata dimostrata anche nel mondo reale, nell’ambiente naturale esterno. E ha dimostrato che il calcestruzzo auto‑riscaldante può effettivamente sciogliere la neve senza alcun intervento umano o sistemi di riscaldamento. Può farlo da solo usando solo l’energia termica ambientale diurna.
“Questo calcestruzzo auto‑riscaldante è adatto per regioni montuose e settentrionali negli Stati Uniti, come il nord‑est della Pennsylvania e Filadelfia, dove ci sono cicli di riscaldamento e raffreddamento adeguati in inverno.”
– Farnam
Il materiale a cambiamento di fase a bassa temperatura
Il materiale in questione, che ha aiutato lo studio a ottenere calcestruzzo auto‑riscaldante, è la paraffina liquida a bassa temperatura. Si tratta di un materiale a cambiamento di fase (PCM), il che significa che quando la temperatura ambiente scende a circa 0 °C o 32 °F, rilascia quantità desiderabili di calore passando dallo stato liquido a quello solido. Questo porta allo scioglimento graduale della neve e del ghiaccio accumulati.
Mentre il gruppo aveva già riferito in precedenza che l’incorporazione del materiale nel calcestruzzo attiva il riscaldamento non appena c’è un calo di temperatura, la più recente ricerca ha valutato le prestazioni del calcestruzzo auto‑riscaldante sia in condizioni termiche di laboratorio sia in condizioni reali all’aperto durante le stagioni autunnali e invernali.
Lo scopo del programma era ottimizzare i progetti di miscele di calcestruzzo per la massima incorporazione di PCM e caratterizzare le proprietà termiche di esempi di malta con PCM usando la LGCC. LGCC, o calorimetria comparativa guardata longitudinalmente, è un dispositivo di prova usato per quantificare le proprietà termiche e il flusso di calore dei campioni di calcestruzzo.
Inoltre, l’idea è stata di trattare grandi lastre di calcestruzzo con materiale a cambiamento di fase fuori dal laboratorio, in condizioni naturali, per valutare quanto siano efficienti nello sciogliere la neve e le loro prestazioni termiche in tempo reale contro gli eventi di gelo‑scioglimento. Gli eventi si riferiscono a quando le temperature scendono abbastanza da congelare l’acqua, che avviene a 32 °F o 0 °C, e poi aumentano abbastanza da farla scongelare nuovamente.
Ora, per integrare il materiale nel calcestruzzo, il team ha utilizzato due metodi. Questo includeva PCM microincapsulato (MPCM), dove micro‑capsule di paraffina sono mescolate direttamente nel calcestruzzo. L’altro approccio prevedeva l’immersione del materiale a cambiamento di fase liquido in aggregati leggeri porosi (PCM‑LWA), sotto i quali frammenti di piccoli ciottoli che costituiscono il calcestruzzo venivano trattati con paraffina. Questi piccoli ciottoli e ciottoli assorbono la paraffina liquida prima di essere incorporati nel calcestruzzo.
Nel loro esperimento, i ricercatori hanno usato tre lastre: una colata con il metodo MPCM, la seconda con il PCM‑LWA e la terza senza materiale a cambiamento di fase come controllo.
Queste lastre sono state esposte al clima naturale dal dicembre 2021. Durante questo periodo, tutte e tre hanno sperimentato 32 eventi di gelo‑scioglimento, con temperature al di sotto dello zero. In questi primi due anni, hanno anche affrontato cinque nevicate di un pollice o più. Per monitorare la temperatura e il comportamento delle lastre, il team ha usato telecamere e sensori termici.
Quando le temperature dell’aria sono scese sotto lo zero, i ricercatori hanno scoperto che le lastre con PCM mantenevano una temperatura superficiale tra 42 e 55 °F (5,56 e 12,78 °C) per fino a 10 ore. Questo è sufficiente per sciogliere un paio di pollici di neve. Tuttavia, avviene a una velocità lenta, circa un quarto di pollice di neve all’ora. Sebbene non sia abbastanza caldo da sciogliere neve pesante, può aiutare a mantenere la superficie stradale libera dal ghiaccio e aumentare la sicurezza dei trasporti.
Ciò è vantaggioso per prevenire il deterioramento delle strade, poiché periodi di raffreddamento estremo seguiti da riscaldamento causano l’espansione e la contrazione della superficie, mettendo sotto sforzo l’integrità strutturale e potenzialmente portando a crepe e sfaldamenti nel tempo. Tutto ciò crea una vulnerabilità che alla fine porta al cedimento della struttura dall’interno, cosa da evitare.
“Uno dei risultati promettenti è che le lastre con materiali a cambiamento di fase sono state in grado di stabilizzare la loro temperatura sopra lo zero quando hanno affrontato temperature ambientali in calo.”
– Deb
Oltre ad aiutare a prolungare la vita delle infrastrutture, può anche far risparmiare denaro sulla manutenzione stradale. Secondo le stime della National Highway Administration, milioni di dollari sono spesi per riparare le strade danneggiate dal tempo invernale. Inoltre, eliminando la necessità di salare, gli stati possono non solo risparmiare sui costi di manodopera e sale, ma anche prevenire la ruggine delle automobili. Questo approccio aiuta anche a evitare l’inquinamento delle falde acquifere con sale in eccesso, garantendo che rimangano sicure per l’uso umano.
Progresso graduale, potenziale di crescita
Il gruppo ha esaminato il calcestruzzo auto‑riscaldante su diverse scale e ha riscontrato che il PCM mostra un superraffreddamento soddisfacente, una stabilità termica a lungo termine e un’alta entalpia di fusione. Complessivamente, entrambe le lastre di calcestruzzo con il materiale hanno mostrato capacità positive di scioglimento della neve riducendo al contempo il numero di cicli di gelo‑scioglimento in inverno, secondo i risultati dello studio.
La lastra trattata con aggregati leggeri porosi (PCM‑LWA) è risultata migliore nel ridurre il numero di cicli di gelo‑scioglimento (F‑T). Ciò è dovuto alla distribuzione relativa del PCM all’interno dei pori e al fenomeno di sotto‑raffreddamento creato dalla pressione di confinamento della rete di pori LWA.
Di conseguenza, è stato possibile rilasciare il calore latente gradualmente. Il sotto‑raffreddamento genera qui una trasformazione di fase in un intervallo più ampio di basse temperature, cioè da 3,94 °C a −13,04 °C o da 39,09 °F a 8,52 °F. Pertanto, il metodo PCM‑LWA è risultato più efficace nello sciogliere la neve in questo intervallo di basse temperature.
Nel frattempo, il fenomeno di rilascio di calore “one‑shot” del calcestruzzo MPCM lo aiuta a sciogliere la neve a un ritmo veloce. La lastra trattata con PCM microincapsulato (MPCM), pur potendo riscaldarsi più rapidamente, è riuscita a mantenere il riscaldamento per metà del tempo rispetto al LWA‑PCM.
Quindi, mentre le lastre PCM‑LWA sono state in grado di trattenere il rilascio della loro energia termica fino a quando il materiale ha raggiunto 39 °F, l’MPCM ha iniziato a rilasciare calore appena la temperatura ha raggiunto 42 °F, contribuendo al suo periodo di attivazione relativamente più breve.
Di conseguenza, il team ha affermato che il metodo PCM‑LWA è più adatto per applicazioni di sbrinamento a temperature sotto zero.
Nonostante entrambe le applicazioni siano in grado di aumentare la temperatura del calcestruzzo tra 53 e 55 °F, la quantità di neve caduta e la temperatura dell’aria ambientale prima di una nevicata influenzano le prestazioni sia di PCM‑LWA sia di MPCM.
I pavimenti incorporati con PCM si sono dimostrati incapaci di sciogliere completamente accumuli di neve pesante (superiori a 2 pollici), ma al di sotto di questo limite possono sciogliere la neve “piuttosto efficacemente”. Iniziano effettivamente a scongelare la neve non appena inizia a cadere.
Secondo Deb, il rilascio graduale di calore può scongelare con successo la superficie del calcestruzzo, eliminando la necessità di pre‑salare prima di una nevicata intensa. Tuttavia, va notato che il materiale necessita di un certo tempo di ricarica tra eventi di neve o gelo‑scioglimento per funzionare efficacemente. Se non ritorna allo stato liquido in quel periodo, le prestazioni possono diminuire.
Ora che il team comprende come si comporta il calcestruzzo con PCM in natura, lavorerà per migliorare il sistema al fine di ottimizzarlo per un riscaldamento più prolungato e uno scioglimento maggiore. I ricercatori devono raccogliere più dati per capire l’efficacia a lungo termine del materiale e condurre uno studio per determinare in che modo questo metodo possa estendere la vita utile del calcestruzzo.
Questo è solo l’ultimo progresso nel migliorare le infrastrutture risparmiando l’ambiente, mentre organizzazioni e governi cercano modi migliori per gestire le stagioni fredde e calde. Recentemente, abbiamo riportato come gli scienziati dell’Università della California abbiano dettagliato come ridurre i costi di riscaldamento e raffreddamento tramite tegole di tetto adattive. Le tegole presentano un interruttore radiativo o un dispositivo di termoregolazione passiva per rispondere a una gamma di temperature.
Un’altra soluzione è stato un rivestimento intelligente per tetti tutto l’anno sviluppato nella Divisione di Scienze dei Materiali del Berkeley Lab, che mantiene le case calde durante l’inverno e fresche durante l’estate senza richiedere gas naturale o elettricità. Utilizza un nuovo materiale chiamato rivestimento radiativo a temperatura adattiva (TARC) che spegne automaticamente il raffreddamento radiativo in inverno per garantire che non ci sia sovracooling e spreco energetico. Tutto ciò indica un futuro più luminoso per noi e per il nostro pianeta.
Lavorare sulla manutenzione invernale
Ora, diamo un’occhiata ad alcuni dei nomi nel settore che offrono soluzioni di sbrinamento e sono coinvolti nella ricerca di opzioni più innovative:
#1. Clear Roads
Questo programma riunisce professionisti dei trasporti e ricercatori da tutto il paese per guidare l’innovazione nella manutenzione invernale. Clear Roads valuta materiali, attrezzature e metodi in condizioni reali per trovare le migliori tecnologie e soluzioni che aiutino a risparmiare denaro, aumentare l’efficienza e migliorare la sicurezza.
Nel suo 2024 TRB Annual Meeting, il programma si è concentrato su temi come l’implementazione dell’inventario di sale usando misurazioni LiDAR, la sostenibilità del sale, l’intelligenza artificiale e la modellazione dell’attrito stradale. Ha anche trattato la previsione delle condizioni della superficie stradale invernale mediante approccio basato sui dati, un modello di previsione della temperatura del manto stradale invernale basato su apprendimento di trasferimento e reti neurali a memoria a lungo e breve termine, lo sviluppo di un prototipo di gemello digitale per la manutenzione stradale invernale, il futuro del meteo stradale e altro.
#2. Cargill
L’azienda fornisce soluzioni di sbrinamento per strade e autostrade. Le soluzioni di manutenzione invernale di Cargill minimizzano l’impatto ambientale così come i costi associati. La vasta gamma di prodotti dell’azienda include deicer granulari, anti‑icer, sistemi automatizzati di produzione di salamoia e additivi, e soluzioni per sovrapposizioni di pavimentazione.
Nella seconda metà dell’anno scorso, è stato riportato che l’azienda stava cercando di cedere una selezione delle sue attività di sale per sbrinamento negli Stati Uniti, che all’epoca generavano circa 40 milioni di dollari di EBITDA su circa 375 milioni di dollari di fatturato.
Gli asset che l’azienda intende vendere consistono in strutture che estraggono, processano e trasportano sali per sbrinamento a municipalità, agenzie governative e imprese commerciali private in tutta la nazione per l’uso sulle strade durante le tempeste invernali. Questo è avvenuto dopo che Cargill ha chiuso la sua terza miniera di sale ad Avery Island, LA, nel 2022.
#3. Clariant
Questo offre sbrinamento per aeromobili, un settore in crescita proiettato a crescere a 1,83 miliardi di dollari nei prossimi sette anni con un CAGR del 5 %. Il Nord America guida questa crescita grazie all’industria aeronautica robusta della regione. I sistemi di sbrinamento per aeromobili sono fondamentali per decolli e atterraggi sicuri.
Oltre al sbrinamento per aeromobili, Clariant offre soluzioni di riciclo e assistenza ai clienti per superare difficoltà operative in condizioni meteorologiche avverse sulla pista. Per questo, ha sviluppato fluidi di sbrinamento estremamente efficaci che mantengono le superfici degli aeromobili libere da neve e ghiaccio. L’azienda è anche specializzata nel sbrinamento della pista e nei prodotti chimici anti‑icing.
Conclusione
Quindi, come abbiamo visto, il calcestruzzo auto‑riscaldante è una grande invenzione che può essere usata per costruire pavimentazioni, vialetti, ponti e molti altri tipi di superfici piane. Il prodotto sviluppato aiuta anche a migliorare la durabilità e la vita di servizio del calcestruzzo, risparmiando denaro sulla manutenzione stradale, sulla manodopera e sull’uso di prodotti, mentre contribuisce a prevenire la ruggine delle auto e l’inquinamento delle falde acquifere da eccesso di sale. Ricerche come questa non sono solo vantaggiose per gli esseri umani ma anche per l’ambiente, contribuendo a migliorare le nostre vite proteggendo al contempo l’ecosistema.
