Самонагревающийся бетон может помочь нашим дорогам, водоносным горизонтам и кошелькам

В регионах Северной Америки с холодным климатом снегопады и циклы замерзания и оттаивания довольно распространены в зимние сезоны. Это приводит к скоплению снега на бетонных дорогах и ровных покрытиях, а также к повреждению бетона при замерзании и оттаивании. 

Однако в кампусе Университета Дрекселя есть участок бетона, демонстрирующий будущее незамерзающих тротуаров и автомагистралей. Этот участок расположен прямо рядом с парковкой университета.

Он включает в себя две плиты размером 30 на 30 дюймов, которые самостоятельно очищают от снега и ледяного дождя, без необходимости использования лопаты, соли или лома в течение трех лет. Но это не чудо; это самонагревающийся бетон. 

Итак, на прошлой неделе исследователи из Инженерного колледжа Дрекселя рассказали о том, как они создали этот особый бетон который может согреться, когда температура упадет до нуля или пойдет снег.

В статье, опубликованной в журнале «Материалы в гражданском строительстве», обсуждается разработка самонагревающегося бетона с использованием материалов с низкотемпературным фазовым переходом, или PCM. 

Эти эксперименты проводились в лаборатории передовых инфраструктурных материалов (AIM) Университета Дрекселя. Для проведения этих экспериментов американская компания Compass Minerals предоставила финансовую поддержку, а MicroTek Laboratories предоставила материалы для исследовательских целей.

Исследование провел Амир Фарнам, доктор философии, доцент; докторант Робин Деб; студенты Нишант Шреста, Кхам Фан и Мохамед Сиссао; и докторанты Шарания Висвалингам, Анжела Мутуа, Юсиф Алкенай и Парса Намакиараги, все они являются сотрудниками Инженерного колледжа.

Целью этого самонагревающегося бетона, как объясняет Фарнэм, является продление срока службы дорог и различных поверхностей. В частности, он помогает бетонным поверхностям поддерживать температуру выше нуля в холодном климате. Идея здесь состоит в том, чтобы создать устойчивую инфраструктуру в северных регионах США, где штаты ежегодно инвестируют около 2.3 миллиарда долларов в операции по удалению снега и льда.

Итак, чтобы предотвратить замерзание и оттаивание, а также уменьшить необходимость вспашки и соления, чтобы поверхность не осыпалась, новый эксперимент вводит в бетон специальные металлы, которые помогают ему поддерживать более высокую температуру поверхности при изменении климата.

Этот материал разрабатывался около пяти лет с целью уменьшения замерзания, оттаивания и засаливания, которые негативно влияют на дороги и другие бетонные поверхности. Сообщается, что самонагревающийся бетон обладает способностью таять снег и замедлять или предотвращать образование льда в течение длительного периода времени.

До сих пор самонагревающийся бетон демонстрировал большой потенциал и успех в контролируемых лабораторных условиях, но теперь его жизнеспособность также была продемонстрирована в реальном мире, за пределами природной среды. И это показало, что самонагревающийся бетон действительно может растопить снег, не нуждаясь в какой-либо помощи человека или системах отопления. Фактически он может сделать это самостоятельно, используя только дневную тепловую энергию окружающей среды. 

«Этот самонагревающийся бетон подходит для горных и северных регионов США, таких как северо-восточная Пенсильвания и Филадельфия, где зимой существуют подходящие циклы нагрева и охлаждения». 

- Фарнам

Материал с низкотемпературными фазовыми превращениями

Материалом, о котором идет речь, который помог в исследовании добиться самонагревающегося бетона, является низкотемпературный жидкий парафин. Это материал с фазовым переходом (PCM), то есть, когда температура окружающей среды падает до ~0°C или 32°F, он выделяет желаемое количество тепла, когда переходит из жидкого состояния при комнатной температуре в твердое состояние. Это приводит к постепенному таянию накопившегося снега и льда.

Хотя ранее группа сообщала, что включение материала в бетон активирует нагрев так же, как и при понижении температуры, последние данные исследованиями включал оценку характеристик самонагревающегося бетона как в лабораторных тепловых условиях, так и в условиях реального времени на открытом воздухе в осенний и зимний сезоны. 

Целью программы была оптимизация конструкции бетонной смеси для максимального включения ПКМ и определение термических свойств образцов раствора ПКМ с использованием LGCC. LGCC, или продольная защищенная сравнительная калориметрия, представляет собой испытательное устройство, используемое для количественной оценки тепловых свойств и теплового потока образцов бетона. 

Кроме того, идея заключалась в том, чтобы обработать крупномасштабные бетонные плиты материалом с фазовым переходом за пределами лаборатории в естественных условиях, чтобы оценить, насколько они эффективны при таянии снега и их тепловые характеристики в режиме реального времени против замерзания и оттаивания. Эти события относятся к случаям, когда температура падает настолько, что вода замерзает, что происходит при 32°F или 0°C, а затем повышается настолько, что она снова оттаивает. 

Теперь, чтобы интегрировать материал в бетон, команда использовала два метода. Сюда входит микрокапсулированный ПКМ (МКПМ), при котором микрокапсулы парафина непосредственно смешиваются с бетоном. Другой подход заключался в погружении жидкого фазового материала в пористые легкие заполнители (PCM-LWA), под которые фрагменты мелких камней, входящих в состав бетона, обрабатывались парафином. Эти маленькие камни и галька впитывают жидкий парафин до того, как они будут включены в бетон.

В своем эксперименте исследователи использовали три плиты: одну, отлитую методом MPCM, вторую - PCM-LWA, а третью - без материала с фазовым переходом в качестве контроля. 

Эти плиты подвергаются воздействию естественного климата с декабря 2021 года. За это время на всех трех плитах произошло 32 замерзания и оттаивания, при этом температура упала ниже нуля. За эти первые два года они также столкнулись с пятью снегопадами толщиной в дюйм и более. Чтобы следить за температурой и поведением плит, команда использовала камеры и термодатчики. 

Когда температура воздуха опустилась ниже нуля, исследователи обнаружили, что плиты PCM поддерживали температуру поверхности от 42 до 55 градусов по Фаренгейту (5.56 и 12.78 градусов по Цельсию) в течение 10 часов. Этого достаточно, чтобы растопить пару дюймов снега. Однако происходит это с небольшой скоростью, около четверти дюйма снега в час. Хотя он недостаточно теплый, чтобы растопить сильный снег, он может помочь сохранить поверхность дороги свободной ото льда и повысить безопасность перевозки.

Это полезно для предотвращения ухудшения состояния дорог, поскольку периоды сильного похолодания, а затем потепления заставляют поверхность расширяться и сжиматься в размерах, создавая нагрузку на ее структурную целостность и потенциально приводя со временем к растрескиванию и растрескиванию. Все это создает уязвимость, которая в конечном итоге приводит к разрушению конструкции изнутри, чего необходимо избегать. 

«Одним из многообещающих результатов является то, что плиты из материалов с фазовым переходом смогли стабилизировать свою температуру выше точки замерзания, когда столкнулись с падением температуры окружающей среды».

- Деб

Помимо продления срока службы инфраструктуры, это также поможет сэкономить деньги на обслуживании дорог. По оценкам Национальной автодорожной администрации, на ремонт дорог, поврежденных зимней погодой, тратятся миллионы долларов. Кроме того, устраняя необходимость соления, штаты могут не только сэкономить на рабочей силе и затратах на соль, но и предотвратить ржавчину автомобилей. Этот подход также помогает избежать загрязнения водоносных горизонтов избытком соли, обеспечивая их безопасность для использования человеком.

Постепенный прогресс, потенциал роста 

Группа исследовала самонагревающийся бетон в различных масштабах и обнаружила, что PCM демонстрирует удовлетворительное переохлаждение, долговременную термическую стабильность и высокую энтальпию плавления. В целом, согласно результатам исследования, обе бетонные плиты с этим материалом продемонстрировали положительные способности к таянию снега, одновременно снижая количество циклов замерзания и оттаивания зимой.

Было обнаружено, что плита, обработанная пористыми легкими заполнителями (PCM-LWA), лучше снижает количество циклов замораживания-оттаивания (FT). Это произошло из-за относительного распределения PCM внутри пор и явления переохлаждения, создаваемого удерживающим давлением сети пор LWA. 

В свою очередь, это позволило постепенно высвободить скрытое тепло. Переохлаждение здесь приводит к фазовому превращению в более широком диапазоне низких температур, то есть от 3.94°C до -13.04°C или от 39.09°F до 8.52°F. Следовательно, метод PCM-LWA оказался более эффективным при таянии снега в этом низкотемпературном диапазоне.

Между тем, явление «однократного» тепловыделения бетона MPCM помогает ему быстро таять снег. Плита, обработанная микроинкапсулированным материалом с фазовым переходом (MPCM), хотя и способна нагреваться быстрее, могла поддерживать нагрев лишь вдвое дольше, чем LWA-PCM.

Таким образом, в то время как плиты PCM-LWA были способны удерживать выделение тепловой энергии до тех пор, пока температура материала не достигла 39 градусов по Фаренгейту, MPCM начал выделять тепло, как только температура достигла 42 градусов, что способствовало относительно более короткому периоду его активации.

В результате команда заявила, что метод PCM-LWA лучше подходит для борьбы с обледенением при минусовых температурах.

Несмотря на способность обоих приложений повышать температуру бетона от 53 до 55 градусов по Фаренгейту, скорость снегопада и температура окружающего воздуха перед снегопадом влияют на производительность как PCM-LWA, так и MPCM.

Было обнаружено, что тротуары с использованием PCM не могут полностью растопить скопления снега (более 2 дюймов), но ниже этого уровня они могут «весьма эффективно» растопить снегопад. Фактически они начинают размораживать снег в тот момент, когда он начинает собираться. 

По словам Деба, постепенное выделение тепла может успешно разморозить поверхность бетона, устраняя необходимость предварительного посола перед обильным снегопадом. Однако следует отметить, что для эффективной работы материалу требуется некоторое время для подзарядки между снегом или замерзанием и оттаиванием. Если в это время он не вернется в жидкое состояние, производительность может снизиться.

Теперь, когда команда понимает, как бетон, содержащий ПСМ, ведет себя в природе, она будет работать над улучшением системы, чтобы оптимизировать ее для более длительного нагрева и более интенсивного плавления. Исследователям необходимо собрать больше данных, чтобы понять долгосрочную эффективность материала, и провести исследование, чтобы определить, как этот метод может продлить срок службы бетона.

Это всего лишь последнее достижение в улучшении инфраструктуры при одновременном сохранении окружающей среды, поскольку организации и правительства работают над поиском лучших способов пережить холодные и жаркие сезоны. Недавно мы сообщали, как ученые Калифорнийского университета подробно описано, как сократить расходы на отопление и охлаждение с помощью адаптивной черепицы. Плитки оснащены радиационным переключателем или устройством пассивной терморегуляции, реагирующим на диапазон температур.

Еще одним решением стало всесезонное покрытие «умной крыши», разработанное в отделе материаловедения лаборатории Беркли, которое сохраняет в домах тепло зимой и прохладу летом, не требуя природного газа или электричества. В нем используется новый материал, называемый термоадаптивным радиационным покрытием (TARC), который автоматически отключает радиационное охлаждение зимой, чтобы избежать переохлаждения и потерь энергии. Все это указывает на светлое будущее для нас и нашей планеты.

Работаем над зимним обслуживанием

Теперь давайте взглянем на некоторые компании в отрасли, которые предлагают решения для борьбы с обледенением и участвуют в поиске более инновационных вариантов: 

# 1. Чистые дороги

Эта программа объединяет специалистов в области транспорта и исследователей со всей страны для внедрения инноваций в зимнем обслуживании. Clear Roads оценивает материалы, оборудование и методы в реальных условиях, чтобы найти лучшие технологии и решения, которые помогут сэкономить деньги, повысить эффективность и повысить безопасность.

В своей Ежегодное собрание TRB 2024 г.Программа была сосредоточена на таких темах, как инвентаризация запасов соли с использованием измерений LiDAR, устойчивость соли, искусственный интеллект и моделирование сцепления на дорогах. Также обсуждались прогнозирование состояния дорожного покрытия в зимнее время с использованием подхода, основанного на данных, модель прогнозирования температуры зимнего покрытия на основе трансферного обучения и нейронных сетей с долговременной и краткосрочной памятью, разработка прототипа цифрового двойника для зимнего содержания дорог, будущее погода на дороге и многое другое.

# 2. Каргилл

Компания предлагает противообледенительные решения для дорог и автомагистралей. Эффективные решения Cargill по зимнему техническому обслуживанию сводят к минимуму воздействие на окружающую среду, а также связанные с этим затраты. Широкий ассортимент продукции компании включает гранулированные антиобледенители, антиобледенители, автоматизированные системы приготовления рассола и добавки, а также решения для покрытия дорожного покрытия. 

Во второй половине прошлого года это было сообщал что компания стремилась избавиться от ряда своих предприятий по производству противообледенительной соли в США, которые на тот момент приносили примерно 40 миллионов долларов EBITDA при выручке примерно в 375 миллионов долларов. 

Активы, которые компания хочет продать, включают предприятия, которые добывают, перерабатывают и транспортируют противообледенительную соль муниципалитетам, государственным учреждениям и частным коммерческим предприятиям по всей стране для использования на дорогах во время зимних штормов. Это произошло после того, как Cargill закрыла свою третью соляную шахту на острове Эйвери, штат Луизиана, в 2022 году.

# 3. Clariant

Этот предлагает противообледенительную обработку самолетов, растущий сектор. , по прогнозам,  вырастет до $1.83 млрд в течение следующих семи лет при среднегодовом темпе роста 5%. Северная Америка лидирует в этом росте благодаря сильной авиационной промышленности региона. Противообледенительные системы самолетов имеют решающее значение для безопасного взлета и посадки.

Помимо противообледенительной обработки самолетов, Clariant предлагает решения по вторичной переработке и помощь клиентам в преодолении эксплуатационных трудностей в неблагоприятных погодных условиях на взлетно-посадочной полосе. Для этого компания разработала чрезвычайно эффективные антиобледенительные жидкости, которые защищают поверхности самолетов от снега и льда. Компания также специализируется на противообледенительной обработке взлетно-посадочных полос и противообледенительных химикатах. 

Заключение 

Итак, как мы видели, самонагревающийся бетон — это большое изобретение, которое можно использовать для строительства тротуаров, подъездных путей, настилов мостов и многих других типов плоских сооружений. Разработанный продукт также помогает повысить прочность и срок службы бетона, экономя деньги на обслуживании дорог, рабочей силе и использовании продукта, а также помогает предотвратить ржавчину автомобилей и загрязнение водоносных горизонтов избытком соли. Подобные исследования приносят пользу не только людям, но и окружающей среде, помогая улучшить нашу жизнь и одновременно защитить экосистему.

Нажмите здесь, чтобы узнать, как прорыв в области нитрида углерода открывает двери для серьезных достижений в области материаловедения.