I ricercatori della Drexel University hanno fatto una scoperta che potrebbe creare strade che si sbriciolano durante le tempeste invernali. Il loro segreto?—Aggiungere un po' di cera di paraffina alla miscela di cemento della strada.

In un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Compositi in cemento e calcestruzzo ricercatori, guidato da Yaghoob Farnam, dottorato di ricerca, un assistente professore al Drexel's College of Engineering, spiegare come sostanze come l'olio di paraffina, note in chimica come "materiali a cambiamento di fase", possono essere utilizzate nel calcestruzzo per immagazzinare energia e rilasciarla sotto forma di calore quando una strada ha bisogno di uno scioglimento.

Mantenere le strade aperte ai viaggi è una sfida persistente durante i mesi invernali, ma gli sforzi per renderli percorribili in sicurezza, compreso l'uso costante di spazzaneve, prodotti chimici antigelo e sale stradale - tendono a deteriorare la superficie. Le sostanze chimiche e i sali stradali attualmente utilizzati per sciogliere neve e ghiaccio possono anche avere un impatto ambientale deleterio quando il deflusso superficiale li trasporta negli ecosistemi vicini, il che è molto probabile considerando che solo lo stato della Pennsylvania ne scarica più di 900, 000 tonnellate di esso sulle strade ogni inverno. Quindi i ricercatori hanno cercato per un po' di tempo un'opzione invernale migliore rispetto alla salatura e all'aratura.

Il gruppo di Farnam in collaborazione con ricercatori della Purdue University e dell'Oregon State University, è tra i primi a dimostrare che l'utilizzo di materiali a cambiamento di fase come alternativa ecologica può essere efficace quanto i metodi standard di salatura e raschiatura.

"I materiali a cambiamento di fase possono essere incorporati nel calcestruzzo utilizzando aggregati leggeri porosi o tubi incorporati e quando il PCM si trasforma da liquido a solido durante gli eventi di raffreddamento, può rilasciare calore termico che può essere utilizzato per sciogliere ghiaccio e neve, " Farnam ha detto. "Inibendo la formazione di ghiaccio e neve sulla pavimentazione o sulla superficie del ponte, l'uso di PCM può ridurre o eliminare la necessità di prodotti chimici/sali antighiaccio, spazzaneve o entrambi, risparmiando così denaro e influenzando positivamente l'impatto ambientale di tali operazioni."

Olio di paraffina, un ingrediente comune nelle candele, lucidanti a cera, cosmetici e composti impermeabilizzanti, era il loro materiale preferito per questa impresa perché è organico, ampiamente disponibile, chimicamente stabile e relativamente poco costoso. Come tutti i materiali a cambiamento di fase, rilascia energia termica quando cambia il suo stato fisico, il che significa che quando le temperature scendono e l'olio inizia a solidificarsi rilascia energia attraverso il calore latente di fusione. Ciò significa che l'olio di paraffina può essere adattato per incorporare le capacità di sbrinamento in una superficie stradale in modo che diventi termicamente attivo durante gli eventi di neve o quando è necessario lo sbrinamento.

Per testare la sua capacità di sciogliere la neve e il ghiaccio, il team ha creato una serie di lastre di cemento, una con tubi riempiti di paraffina all'interno, uno contenente aggregato poroso leggero che era stato infuso con paraffina, e una terza lastra di riferimento senza paraffina. Ciascuno è stato sigillato in un contenitore isolato e poi coperto con circa cinque pollici di "neve" fatta in laboratorio.

Con temperature all'interno delle scatole tra i 35-44 gradi Fahrenheit, entrambe le lastre trattate con paraffina sono state in grado di sciogliere completamente la neve entro le prime 25 ore di test, mentre la neve sul campione di riferimento è rimasta ghiacciata. La soletta con i tubi paraffinati ha sciolto la neve leggermente più velocemente di quella composta da aggregato paraffinato. Farnam suggerisce che ciò sia dovuto al fatto che la paraffina all'interno dei tubi è in grado di solidificare più rapidamente, rilasciando così la sua energia, a causa del diametro regolare dei tubi. Mentre il diametro dei pori dell'aggregato varia di dimensioni.

Ma nel secondo esperimento del gruppo, in cui la temperatura dell'aria ambiente nel box è stata abbassata fino allo zero prima dell'aggiunta della neve, l'aggregato trattato con paraffina era più efficace dei tubi incorporati. Questo perché la pressione dei pori dei capillari ha ritardato il congelamento della paraffina, permettendogli così di rilasciare la sua energia termica per un periodo di tempo più lungo.

"Il graduale rilascio di calore dovuto alle diverse dimensioni dei pori nell'aggregato poroso leggero è più vantaggioso nello scioglimento della neve quando il calcestruzzo è esposto a una varietà di variazioni di temperatura quando è necessario lo scioglimento della neve o lo sbrinamento, " ha detto Farnam. "Riteniamo che l'utilizzo di aggregati leggeri porosi possa essere un potenziale modo per incorporare materiali a cambiamento di fase nel calcestruzzo in quanto è facile da implementare nella pratica e può coprire le condizioni ambientali di varie località negli Stati Uniti che si occupano di neve, soprattutto lo scioglimento della neve o lo sbrinamento di strade e ponti nel nord-est".

Uno dei primi utilizzi di questa tecnologia infrastrutturale potrebbe essere negli aeroporti, dove mantenere le piste libere da neve e ghiaccio è vitale e una sfida continua in inverno. La Federal Aviation Administration ha sostenuto questa ricerca come parte del suo progetto Heated Airport Pavements nella sua partnership per migliorare la sicurezza dell'aviazione generale, Programma di accessibilità e sostenibilità.

"Sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere ulteriormente altri fattori che influenzano la costruibilità concreta, comprese le prestazioni del calcestruzzo fresco e indurito quando il calcestruzzo contiene materiali a cambiamento di fase, e le prestazioni termiche del materiale a cambiamento di fase in diverse località degli Stati Uniti, " Farnam ha detto. "Alla fine questo potrebbe essere utilizzato per ridurre la quantità di sostanze chimiche antighiaccio che usiamo o può essere utilizzato come un nuovo metodo di sbrinamento per migliorare la sicurezza di strade e ponti. Ma prima che possa essere incorporato, dovremo capire meglio come influisce sulla durabilità della pavimentazione in calcestruzzo, resistenza allo scivolamento e stabilità a lungo termine."