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Rinforzo del calcestruzzo
Per i professionisti il cui compito è valutare le infrastrutture, è chiaro che il vasto sistema di strade e ponti del paese ha urgente bisogno di riparazioni. Nel 2007, i funzionari del Amministrazione federale delle autostrade valutato il 25% dei ponti statunitensi strutturalmente carenti o funzionalmente obsoleti. E proprio quest'anno, il Società americana di ingegneri civili ha pubblicato la sua pagella annuale delle infrastrutture, assegnando allo stato generale dei ponti una C e delle strade una D-.
Cemento cementizio: Una nuova tecnica rende il calcestruzzo meno suscettibile agli agenti corrosivi come il sale stradale. Nella parte superiore di questa immagine a raggi X, l'area blu-verde appena visibile mostra che pochissimi ioni cloruro (in verde) sono penetrati nel calcestruzzo trattato (blu). Le particelle rosse indicano granelli di sabbia misti a cemento.
La maggior parte di queste strutture sono realizzate in cemento, molte erette negli anni '40 e '50. Oggi questi ponti e strade stanno cadendo in rovina, in parte a causa dell'età e in parte a causa dello sbrinamento invernale. Mentre il sale stradale scioglie il ghiaccio dalle superfici, può anche penetrare nei numerosi micropori del cemento, scongelando le molecole d'acqua all'interno. Questo rapido scongelamento può causare l'espansione e la rottura del calcestruzzo dall'interno, riducendo la durata di anni.
Ora ingegneri presso il National Institute of Standards and Technology ( NIST ) hanno sviluppato e brevettato una nuova tecnica, chiamata VERDiCT (Viscosity Enhancers Reducing Diffusion in Concrete Technology), che potrebbe potenzialmente raddoppiare la durata di vita di un pezzo di calcestruzzo. Mescolando un additivo di dimensioni nanometriche con il cemento, hanno ideato un metodo che rallenta l'infiltrazione del sale stradale. Hanno ragionato che più tempo impiegano gli agenti deterioranti a penetrare, più a lungo il calcestruzzo durerà senza crepe.
Nella produzione convenzionale del calcestruzzo, il cemento secco, tipicamente costituito da calcare, argilla e altri minerali, viene miscelato con acqua per formare una pasta e combinato con aggregati, come rocce o sabbia. Mentre si asciuga, la pasta incolla gli aggregati in una lastra di cemento. Recentemente ci sono stati sforzi per creare calcestruzzo più forte e ad alte prestazioni, principalmente aumentando la densità del materiale. Per fare ciò, i ricercatori aggiungono vari prodotti chimici rinforzanti o macinano i materiali secchi usati per produrre il cemento in modo che siano ancora più fini di quelli che si trovano nelle miscele convenzionali. Una volta combinata con l'acqua, la pasta e la lastra risultante sono molto più dense e resistenti del calcestruzzo tradizionale.
Tuttavia, gli scienziati hanno riscontrato un grave svantaggio di tali alternative ad alte prestazioni. Nella costruzione rapida, tutti cercano calcestruzzo a resistenza iniziale perché vogliono ripristinare il traffico, afferma Dale Bentz , ingegnere chimico al NIST e investigatore capo del progetto. Per ottenere quella forza, potresti macinare il cemento più fine [per renderlo] più reattivo, ma questo genera anche più calore e quando si raffredda e si contrae, potrebbe causare crepe. Quindi ottieni cemento ad alte prestazioni tra le fessure, che non è quello che vuoi.
Bentz e i suoi colleghi hanno invece adottato un approccio su scala nanometrica per migliorare il calcestruzzo. Hanno riconosciuto che all'interno del calcestruzzo ci sono milioni di minuscoli micropori pieni di molecole d'acqua. È noto che gli ioni cloruro e solfato del sale stradale penetrano nel calcestruzzo diffondendosi in questa soluzione acquosa, quindi hanno ipotizzato che l'aumento della viscosità della soluzione all'interno di questi micropori potrebbe rallentare la penetrazione del sale stradale e di altri agenti deterioranti e prolungare la durata del calcestruzzo.
Se questi ioni galleggiano, se si muovono attraverso il miele invece che nell'acqua, saranno notevolmente rallentati, afferma Bentz. Il trucco è trovare la sostanza chimica giusta che cambierà la viscosità della soluzione.
I ricercatori hanno preso spunto dall'industria alimentare, che utilizza additivi come addensanti in tutto, dai condimenti per insalata alle bevande gassate. Bentz ha cercato additivi simili che aumentassero la viscosità della soluzione acquosa presente nel calcestruzzo e lenta diffusione degli ioni; ha anche provato a usare addensanti alimentari, inclusa la gomma di xanto, che viene utilizzata nelle salse e nei gelati.
Dopo aver esaminato più additivi nella soluzione acquosa per modellare il comportamento degli ioni nel calcestruzzo, il team ha scoperto che quelli con una dimensione molecolare più piccola avevano più successo nel rallentare la velocità di diffusione degli ioni. Gli additivi che si verificano in piccole catene molecolari, con rami di idrogeno e ossigeno, erano particolarmente efficaci nell'aumentare la viscosità di una soluzione. Bentz afferma che ciò potrebbe essere dovuto al fatto che tali rami di idrogeno e ossigeno possono interagire con le molecole d'acqua per formare una barriera contro gli ioni infiltranti, rendendo più difficile la loro penetrazione.
Il team ha anche testato vari additivi all'interno di piccoli cilindri di malte cementizie, essenzialmente calcestruzzo senza gli aggregati. Bentz ha miscelato gli additivi con il cemento, ha lasciato asciugare le malte e ha immerso ciascuna malta in una soluzione di cloruro per un massimo di un anno. Dopo aver rimosso i mortai dalla soluzione, lui e la sua squadra hanno rotto ogni mortaio e hanno analizzato fino a che punto gli ioni cloruro erano in grado di penetrare. Rispetto alle malte senza additivi, quelle con additivi hanno mostrato una significativa riduzione della diffusione del cloruro.
Tuttavia, la tecnica potrebbe non essere ancora pronta per l'applicazione su scala industriale, principalmente a causa dei potenziali costi. Bentz dice che per ottenere tali risultati ha dovuto produrre l'additivo fino al 10 percento della soluzione di cemento. L'industria è a suo agio con l'1%, quindi c'è un fattore di costo, in quanto costerà il 10% in più, afferma Bentz. Abbiamo dimostrato la prova del concetto e ora vorremmo trovare un additivo che funzioni a una concentrazione dal 3 al 5 percento.
Jason Weiss , professore di ingegneria civile alla Purdue University, lavora per migliorare le miscele di calcestruzzo e aumentare le prestazioni a lungo termine del materiale. Dice che una tale tecnica potrebbe un giorno rendere ponti e strade meno suscettibili alla corrosione. Questo ha un enorme potenziale, dice Weiss. Ciò implicherebbe che un ponte che potrebbe durare 30 anni ora durerebbe dai 40 ai 45 anni sotto lo stesso tipo di attacco chimico.