Calcestruzzo autoriscaldante: una soluzione innovativa per le strade contro neve e ghiaccio

Un team di ricercatori della Drexel University in Pennsylvania ha sviluppato un calcestruzzo autoriscaldante in grado di sciogliere neve e ghiaccio per fino a 10 ore senza l’ausilio di sale o interventi meccanici.

Questo materiale innovativo, che incorpora materiali a cambiamento di fase (PCM), promette di ridurre la necessità di interventi di sgombero e salatura, preservando l’integrità delle superfici stradali e migliorando la sicurezza in condizioni invernali.

Ne abbiamo trovato notizia sul portale americano New Atlas nell'articolo "Phase-change concrete melts snow and ice without salt or shovels" di Paul McClure. L’articolo approfondisce i dettagli tecnici e i risultati della ricerca pubblicata sul Journal of Materials in Civil Engineering.

Problemi delle strade innevate e limiti delle soluzioni tradizionali

Secondo il Dipartimento dei Trasporti degli Stati Uniti (DOT), oltre il 70% delle strade si trova in regioni con condizioni invernali nevose. L’accumulo di neve e ghiaccio riduce l’aderenza stradale, aumenta il rischio di incidenti e prolunga i tempi di viaggio.

Le amministrazioni locali e statali spendono più di 2,3 miliardi di dollari all’anno per operazioni di controllo della neve e del ghiaccio, con costi aggiuntivi per la riparazione dei danni causati da questi fenomeni.

La salatura, spesso utilizzata per prevenire la formazione di ghiaccio, presenta diversi svantaggi:

• Deterioramento delle superfici stradali: Il sale accelera la degradazione di asfalto e calcestruzzo.
• Congelamento interno: L’acqua che penetra nelle strade e congela causa espansione e pressione, con conseguenti danni strutturali.

Per affrontare queste problematiche, i ricercatori hanno ideato un calcestruzzo capace di mantenere una temperatura superficiale superiore al punto di congelamento.

Il calcestruzzo a cambiamento di fase: progettazione e test sul campo

La chiave del progetto è l’utilizzo della paraffina, un materiale a cambiamento di fase (PCM) che rilascia calore quando solidifica a basse temperature.

I ricercatori hanno integrato la paraffina nel calcestruzzo utilizzando due approcci:

1. Aggregati leggeri impregnati di paraffina liquida: Le pietre porose assorbono la paraffina, che viene poi incorporata nella miscela cementizia.
2. Microcapsule di paraffina: Piccole capsule di paraffina vengono direttamente integrate nel calcestruzzo.

Tre lastre di calcestruzzo (76 cm x 76 cm) sono state installate all’esterno del campus della Drexel University nel dicembre 2021:

• Due contenenti paraffina (una con aggregati impregnati e una con microcapsule).
• Una senza PCM, utilizzata come controllo.

Le lastre sono state sottoposte a 32 cicli di congelamento e disgelo e a 5 nevicate significative in due anni. Le loro prestazioni sono state monitorate con sensori termici e videocamere.

Risultati principali e considerazioni future

I risultati hanno mostrato che le lastre contenenti paraffina hanno mantenuto temperature superficiali comprese tra 5,6 °C e 12,8 °C per fino a 10 ore a temperature ambientali sotto zero.

Questo ha permesso di sciogliere circa 5 cm di neve a un ritmo di 0,6 cm all’ora.

Prestazioni delle diverse configurazioni:
• La lastra con aggregati leggeri impregnati ha mostrato un rilascio di calore più graduale e duraturo.
• La lastra con microcapsule si è riscaldata più rapidamente, ma ha mantenuto il calore per meno tempo.
• Limitazioni: Le lastre non sono state efficaci per nevicate superiori a 5 cm e le prestazioni si riducono senza cicli di “ricarica” termica tra un evento meteorologico e l’altro.

Il team di ricerca continuerà a raccogliere dati per ottimizzare il sistema, migliorare la durata del riscaldamento e studiare l’impatto del PCM sulla longevità del calcestruzzo. Tuttavia, emerge una criticità sulla sostenibilità del materiale: la paraffina, derivata dal petrolio, non è biodegradabile né rinnovabile.

Il calcestruzzo autoriscaldante: implicazioni per il futuro dell’infrastruttura

Il calcestruzzo autoriscaldante rappresenta un’innovazione promettente per le regioni montuose e settentrionali, offrendo una soluzione tecnologica ai problemi di sicurezza e manutenzione stradale. Se ottimizzato, questo materiale potrebbe ridurre significativamente i cicli di congelamento e disgelo, migliorando la durabilità delle infrastrutture e abbassando i costi operativi per la gestione invernale delle strade.

Fonti principali:
• Drexel University
• Journal of Materials in Civil Engineering