يمكن للخرسانة ذاتية التسخين أن تساعد طرقنا وطبقات المياه الجوفية والمحافظ

في مناطق أمريكا الشمالية ذات المناخ البارد، يعد تساقط الثلوج ودورات التجميد والذوبان أمرًا شائعًا جدًا خلال مواسم الشتاء. وينتج عن ذلك تراكم الثلوج على الطرق الخرسانية وتلف الأسطح وتجميد ذوبان الخرسانة. 

في حرم جامعة دريكسل، يوجد قسم من الخرسانة يُظهر مستقبل الأرصفة والطرق السريعة الخالية من الصقيع. يقع هذا القسم بجوار موقف سيارات الجامعة مباشرةً.

يتضمن ذلك لوحين من الخرسانة، أبعادهما 30 سم × 30 سم، يزيلان الثلج والأمطار المتجمدة بمفردهما، دون الحاجة إلى مجرفة أو ملح أو خردة، منذ ثلاث سنوات. لكن الأمر ليس بمعجزة؛ فهو في الواقع خرسانة ذاتية التسخين. 

لذا، في الأسبوع الماضي، أجرى باحثون في كلية الهندسة بجامعة دريكسل أبلغ عن كيفية إنشاء هذه الخرسانة الخاصة يمكن أن يسخن نفسه عندما تنخفض درجة الحرارة إلى درجة التجمد أو عندما تتساقط الثلوج.

نشرت هذه الورقة في مجلة المواد في الهندسة المدنية، وتناقش تطوير الخرسانة ذاتية التسخين باستخدام مواد متغيرة الطور منخفضة الحرارة، أو PCM. 

أُجريت هذه التجارب في مختبر مواد البنية التحتية المتقدمة (AIM) بجامعة دريكسل. وقدّمت شركة كومباس مينيرالز الأمريكية الدعم المالي لهذه التجارب، بينما وفّرت مختبرات مايكروتيك المواد اللازمة لأغراض البحث.

أجرى الدراسة أمير فرنام، دكتوراه، أستاذ مشارك. وطالب الدكتوراه روبن ديب؛ الطلاب الجامعيين نيشانت شريستا، خام فان، ومحمد سيساو؛ ومرشحو الدكتوراه شارانيايا فيسفالينغام، وأنجيلا موتوا، ويوسف القناعي، وبارسا ناماكياراغي، وجميعهم ينتمون إلى كلية الهندسة.

الهدف من هذه الخرسانة ذاتية التسخين، كما يوضح فارنام، هو إطالة العمر التشغيلي للطرق ومختلف الأسطح. وتحديدًا، تُساعد هذه الخرسانة هذه الأسطح في الحفاظ على درجات حرارة أعلى من الصفر خلال الأجواء الباردة. والهدف من ذلك هو تعزيز البنية التحتية المرنة في المناطق الشمالية من الولايات المتحدة، حيث تستثمر الولايات سنويًا حوالي 2.3 مليار دولار في عمليات إزالة الثلوج والجليد.

لذا، ومن أجل منع التجمد والذوبان وكذلك تقليل الحاجة إلى الحراثة والتمليح للحفاظ على السطح من التفتت، تقوم التجربة الجديدة بإدخال معادن خاصة في الخرسانة تساعدها على الحفاظ على درجة حرارة سطحية أعلى عند تغير المناخ.

لقد كانت هذه المادة قيد التطوير منذ حوالي نصف عقد بهدف تقليل التجميد والذوبان والتمليح الذي يؤثر سلبًا على الطرق والأسطح الخرسانية الأخرى. يقال إن الخرسانة ذاتية التسخين لديها القدرة على إذابة الثلج وإبطاء أو منع تكوين الجليد لفترة طويلة من الزمن.

حتى الآن، أظهرت الخرسانة ذاتية التسخين إمكانات كبيرة ونجاحًا في بيئة معملية خاضعة للرقابة، ولكن الآن تم إثبات قابليتها للحياة أيضًا في العالم الحقيقي، أي في البيئة الطبيعية الخارجية. وبينت أن الخرسانة ذاتية التسخين يمكنها بالفعل إذابة الثلج دون الحاجة إلى أي مساعدة بشرية أو أنظمة تدفئة. ويمكنه فعل ذلك بمفرده باستخدام الطاقة الحرارية البيئية أثناء النهار فقط. 

"هذه الخرسانة ذاتية التسخين مناسبة للمناطق الجبلية والشمالية في الولايات المتحدة، مثل شمال شرق بنسلفانيا وفيلادلفيا، حيث توجد دورات تدفئة وتبريد مناسبة في الشتاء." 

- فارنام

تغير مرحلة درجة الحرارة المنخفضة المواد

المادة المعنية، والتي ساعدت الدراسة في تحقيق الخرسانة ذاتية التسخين، هي البارافين السائل منخفض الحرارة. هذه مادة متغيرة الطور (PCM)، مما يعني أنه عندما تنخفض درجة الحرارة المحيطة إلى ∼0 درجة مئوية أو 32 درجة فهرنهايت، فإنها تطلق كميات مرغوبة من الحرارة عندما تتحول من حالة السائل في درجة حرارة الغرفة إلى الحالة الصلبة. وهذا يؤدي إلى الذوبان التدريجي للثلوج والجليد المتراكم.

في حين أن المجموعة ذكرت سابقًا أن دمج المادة في الخرسانة ينشط التسخين تمامًا كما يحدث انخفاض في درجة الحرارة، إلا أن أحدث تقرير صدر مؤخرًا يشير إلى أن هذه المادة قد تتفاعل مع الحرارة. بحث تضمنت تقييم أداء الخرسانة ذاتية التسخين في ظل الظروف الحرارية المخبرية والظروف الخارجية في الوقت الفعلي خلال فصلي الخريف والشتاء. 

كان الهدف من البرنامج تحسين تصاميم خلطات الخرسانة لتحقيق أقصى قدر من دمج PCM، وتوصيف الخصائص الحرارية لعينات ملاط ​​PCM باستخدام تقنية LGCC. LGCC، أو قياس الحرارة المقارن الطولي المحمي، هو جهاز اختبار يُستخدم لقياس الخصائص الحرارية وتدفق الحرارة لعينات الخرسانة. 

بالإضافة إلى ذلك، كانت الفكرة هي معالجة ألواح خرسانية كبيرة الحجم بمواد متغيرة الطور خارج المختبر في الظروف الطبيعية لتقييم مدى كفاءتها في ذوبان الجليد وأدائها الحراري في الوقت الفعلي ضد أحداث التجميد والذوبان. تشير الأحداث إلى انخفاض درجات الحرارة بدرجة كافية لتجميد الماء، وهو ما يحدث عند 32 درجة فهرنهايت أو 0 درجة مئوية، ثم ترتفع بدرجة كافية ليذوب مرة أخرى. 

الآن، لدمج المادة في الخرسانة، استخدم الفريق طريقتين. وشمل ذلك PCM المغلف بالكبسولات الدقيقة (MPCM)، حيث يتم خلط كبسولات البارافين الدقيقة مباشرة في الخرسانة. وكان النهج الآخر هو غمر المادة السائلة المتغيرة الطور في مجاميع مسامية خفيفة الوزن (PCM-LWA)، حيث تمت معالجة شظايا الحجارة الصغيرة التي تشكل الخرسانة باستخدام البارافين. تمتص هذه الحجارة الصغيرة والحصى البارافين السائل قبل دمجها في الخرسانة.

في تجربتهم، استخدم الباحثون ثلاثة ألواح: تم صب واحدة باستخدام طريقة MPCM، والثانية باستخدام PCM-LWA، والثالثة لا تحتوي على مادة متغيرة الطور كعنصر تحكم. 

واجهت هذه الألواح المناخ الطبيعي منذ ديسمبر 2021. وخلال هذه الفترة، شهدت الألواح الثلاثة 32 حالة تجمد وذوبان، حيث انخفضت درجات الحرارة إلى ما دون الصفر. وفي العامين الأولين، واجهت أيضًا خمس تساقطات ثلجية بارتفاع بوصة أو أكثر. ولمراقبة درجة الحرارة وسلوك الألواح، استخدم الفريق كاميرات وأجهزة استشعار حرارية. 

عندما انخفضت درجات حرارة الهواء إلى ما دون درجة التجمد، وجد الباحثون أن ألواح PCM حافظت على درجة حرارة السطح بين 42 و55 درجة فهرنهايت (5.56 و12.78 درجة مئوية) لمدة تصل إلى 10 ساعات. وهذا يكفي لإذابة بضع بوصات من الثلج. ومع ذلك، يحدث هذا بسرعة بطيئة، حوالي ربع بوصة من الثلج في الساعة. على الرغم من أنها ليست دافئة بما يكفي لإذابة الثلوج الكثيفة، إلا أنها يمكن أن تساعد في الحفاظ على سطح الطريق خاليًا من الجليد وزيادة سلامة النقل.

وهذا مفيد في منع تدهور الطرق حيث تتسبب فترات التبريد الشديد ثم ارتفاع درجة الحرارة في تمدد السطح وتقلص حجمه، مما يشكل ضغطًا على سلامته الهيكلية ويحتمل أن يؤدي إلى التشقق والتشظي بمرور الوقت. كل هذا يخلق ثغرة أمنية تؤدي في النهاية إلى فشل الهيكل من الداخل، وهو ما يجب تجنبه. 

"إحدى النتائج الواعدة هي أن الألواح التي تحتوي على مواد متغيرة الطور كانت قادرة على تثبيت درجة حرارتها فوق درجة التجمد عند مواجهة انخفاض درجات الحرارة المحيطة."

– ديب

بالإضافة إلى المساعدة في إطالة عمر البنية التحتية، يمكنها أيضًا توفير الأموال التي تنفق على صيانة الطرق. ووفقا لتقديرات الإدارة الوطنية للطرق السريعة، يتم إنفاق ملايين الدولارات على إصلاح الطرق التي تضررت بسبب الطقس الشتوي. علاوة على ذلك، فمن خلال إزالة الحاجة إلى التمليح، لا تستطيع الولايات توفير تكاليف العمالة والملح فحسب، بل يمكنها أيضًا منع السيارات من الصدأ. ويساعد هذا النهج أيضًا على تجنب تلويث طبقات المياه الجوفية بالملح الزائد، مما يضمن بقائها آمنة للاستخدام البشري.

التقدم التدريجي، وإمكانية النمو 

قامت المجموعة بفحص الخرسانة ذاتية التسخين بمقاييس مختلفة ووجدت أن PCM يُظهر تبريدًا فائقًا مُرضيًا، واستقرارًا حراريًا طويل المدى، ومحتوى حراري عالي من الاندماج. بشكل عام، أظهرت كل من البلاطات الخرسانية مع المادة قدرة إيجابية على ذوبان الثلوج مع تقليل عدد دورات التجميد والذوبان في الشتاء، وفقًا لنتائج الدراسة.

تم العثور على البلاطة المعالجة بركام خفيف الوزن مسامي (PCM-LWA) لتكون أفضل في تقليل عدد دورات التجميد والذوبان (FT). كان هذا بسبب الصرف النسبي لـ PCM داخل المسام وظاهرة التبريد السفلي الناتجة عن ضغط الحبس لشبكة مسام LWA. 

وهذا بدوره سمح بإطلاق الحرارة الكامنة تدريجيًا. يولد التبريد السفلي هنا تحول الطور في نطاق أكبر من درجات الحرارة المنخفضة، أي من 3.94 درجة مئوية إلى -13.04 درجة مئوية أو 39.09 درجة فهرنهايت إلى 8.52 درجة فهرنهايت. وبالتالي، وجد أن طريقة PCM-LWA أكثر فعالية في ذوبان الثلوج في نطاق درجات الحرارة المنخفضة هذا.

وفي الوقت نفسه، فإن ظاهرة إطلاق الحرارة "طلقة واحدة" للخرسانة MPCM تساعد على إذابة الثلج بوتيرة سريعة. يمكن للبلاط المعالج بمواد متغيرة الطور مغلفة بدقة (MPCM) أن يسخن بسرعة أكبر، إلا أنه يمكنه الحفاظ على الاحترار لمدة نصف مدة LWA-PCM فقط.

لذلك، في حين أن ألواح PCM-LWA كانت قادرة على الاحتفاظ بإطلاق طاقتها الحرارية حتى وصلت المادة إلى 39 درجة فهرنهايت، بدأت MPCM في إطلاق حرارتها تمامًا عندما وصلت درجة الحرارة إلى 42 درجة، مما ساهم في فترة تنشيطها الأقصر نسبيًا.

ونتيجة لذلك، ذكر الفريق أن طريقة PCM-LWA مناسبة بشكل أفضل لتطبيقات إزالة الجليد عند درجات حرارة دون الصفر.

وعلى الرغم من قدرة كلا التطبيقين على رفع درجة حرارة الخرسانة بين 53 و55 درجة فهرنهايت، فإن معدل تساقط الثلوج ودرجة حرارة الهواء المحيط قبل تساقط الثلوج يؤثران على أداء كل من PCM-LWA وMPCM.

تبين أن الأرصفة المدمجة مع PCM غير قادرة على إذابة تراكم الثلوج الكثيفة بشكل كامل (أكبر من 2 بوصة)، ولكن تحت ذلك، يمكنها إذابة تساقط الثلوج "بفعالية كبيرة". إنهم في الواقع يبدأون في إزالة الجليد بمجرد أن يبدأ في التجمع. 

وفقًا لديب، يُمكن للإطلاق التدريجي للحرارة أن يُذيب سطح الخرسانة بنجاح، مما يُغني عن التمليح المُسبق قبل تساقط الثلوج الكثيفة. مع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن المادة تحتاج إلى فترة إعادة شحن بين تساقط الثلوج أو ذوبان الجليد لتعمل بفعالية. إذا لم تعد إلى حالتها السائلة في هذه الأثناء، فقد يتراجع أداؤها.

بعد أن فهم الفريق سلوك الخرسانة المُدمجة مع PSM في الطبيعة، سيعمل على تحسين النظام لتحقيق تسخين أطول وذوبان أفضل. يحتاج الباحثون إلى جمع المزيد من البيانات لفهم فعالية هذه المادة على المدى الطويل، وإجراء دراسة لتحديد كيفية إطالة عمر الخرسانة بهذه الطريقة.

يعد هذا مجرد أحدث تقدم في تحسين البنية التحتية مع الحفاظ على البيئة حيث تعمل المنظمات والحكومات على إيجاد طرق أفضل للتعامل مع المواسم الباردة والحارة. في الآونة الأخيرة، أبلغنا كيف العلماء في جامعة كاليفورنيا شرح تفصيلي لكيفية خفض تكاليف الحرارة والتبريد من خلال بلاط السقف المتكيف. تتميز البلاطات بمفتاح إشعاعي أو جهاز تنظيم حراري سلبي للاستجابة لمجموعة من درجات الحرارة.

ومن الحلول الأخرى طلاءٌ ذكيٌّ للأسقف، مُصمّمٌ لجميع الفصول، طُوّر في قسم علوم المواد بمختبر بيركلي، يُبقي المنازل دافئةً شتاءً وباردةً صيفًا دون الحاجة إلى الغاز الطبيعي أو الكهرباء. يستخدم هذا الطلاء مادةً جديدةً تُسمّى الطلاء الإشعاعي المُتكيّف مع درجة الحرارة (TARC)، الذي يُوقف التبريد الإشعاعي تلقائيًا في الشتاء لضمان عدم حدوث تبريدٍ زائدٍ أو هدرٍ للطاقة. كل هذا يُنبئ بمستقبلٍ أكثر إشراقًا لنا ولكوكبنا.

العمل على الصيانة الشتوية

الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض الأسماء في الصناعة التي تقدم حلول إزالة الجليد وتشارك في إيجاد خيارات أكثر ابتكارًا: 

# 1. طرق واضحة

يجمع هذا البرنامج متخصصي النقل والباحثين من جميع أنحاء البلاد لدفع الابتكار في الصيانة الشتوية. تقوم Clear Roads بتقييم المواد والمعدات والأساليب في ظروف العالم الحقيقي للعثور على أفضل التقنيات والحلول للمساعدة في توفير المال وزيادة الكفاءة وتحسين السلامة.

في تقريرها 2024 الاجتماع السنوي TRB، ركز البرنامج على موضوعات مثل تنفيذ جرد مخزون الملح باستخدام قياسات LiDAR، واستدامة الملح، والذكاء الاصطناعي، ونمذجة احتكاك الطرق. كما غطت التنبؤ بظروف سطح الطريق في فصل الشتاء باستخدام نهج يعتمد على البيانات، ونموذج للتنبؤ بدرجة حرارة الرصيف في فصل الشتاء يعتمد على نقل التعلم والشبكات العصبية ذات الذاكرة الطويلة والقصيرة المدى، وتطوير نموذج أولي للتوأم الرقمي لصيانة الطرق في فصل الشتاء، ومستقبل الطرق. طقس الطريق، وأكثر من ذلك.

# 2. كارجيل

تقدم الشركة حلولاً لإزالة الجليد من الطرق والطرق السريعة. حلول كارغيل الفعّالة للصيانة الشتوية تُقلل من الأثر البيئي والتكاليف المرتبطة به. تشمل مجموعة منتجات الشركة الواسعة مزيلات الجليد الحبيبية، ومضادات الجليد، وأنظمة وإضافات آلية لإنتاج المحلول الملحي، وحلولاً لطلاء الأرصفة. 

وفي النصف الثاني من العام الماضي، كان الأمر كذلك وذكرت أن الشركة كانت تتطلع إلى تفريغ مجموعة مختارة من شركات إزالة الملح في الولايات المتحدة، والتي كانت في ذلك الوقت تدر ما يقرب من 40 مليون دولار من الأرباح قبل الفوائد والضرائب والإهلاك والاستهلاك على حوالي 375 مليون دولار من الإيرادات. 

تتكون الأصول التي تتطلع الشركة إلى بيعها من منشآت تقوم بتعدين ومعالجة ونقل أملاح إزالة الجليد إلى البلديات والوكالات الحكومية والشركات التجارية الخاصة في جميع أنحاء البلاد لاستخدامها على الطرق أثناء العواصف الشتوية. جاء ذلك بعد أن أغلقت شركة كارجيل منجم الملح الثالث لها في جزيرة أفيري بولاية لويزيانا في عام 2022.

# 3. كلاريانت

يقدم هذا القطاع إزالة الجليد من الطائرات، وهو قطاع متنامي المتوقع من المتوقع أن ينمو قطاع الطيران في أمريكا الشمالية إلى 1.83 مليار دولار أمريكي خلال السنوات السبع المقبلة بمعدل نمو سنوي مركب قدره 5%. وتقود أمريكا الشمالية هذا النمو بفضل قوة صناعة الطيران في المنطقة. وتُعدّ أنظمة إزالة الجليد من الطائرات ضروريةً لعمليات الإقلاع والهبوط الآمنة.

بالإضافة إلى إزالة الجليد من الطائرات، تقدم شركة Clariant حلول إعادة التدوير والمساعدة للعملاء للتغلب على الصعوبات التشغيلية في الظروف الجوية السيئة على المدرج. ولهذا السبب، قامت بتطوير سوائل إزالة الجليد الفعالة للغاية التي تحافظ على أسطح الطائرات خالية من الثلج والجليد. وتتخصص الشركة أيضًا في إزالة الجليد عن المدرج والمواد الكيميائية المضادة للجليد. 

خاتمة 

لذلك، كما رأينا، تعد الخرسانة ذاتية التسخين اختراعًا كبيرًا يمكن استخدامه لبناء الأرصفة والممرات وأسطح الجسور والعديد من الأنواع الأخرى من الأعمال المسطحة. يساعد المنتج الذي تم تطويره أيضًا على تحسين متانة الخرسانة وعمر الخدمة، مما يوفر المال الذي يتم إنفاقه على صيانة الطرق والعمالة واستخدام المنتج بينما يساعد في منع السيارات من الصدأ والملح الزائد من تلويث طبقات المياه الجوفية. إن مثل هذه الأبحاث ليست مفيدة للبشر فحسب، بل مفيدة للبيئة أيضًا، حيث تساعد على تحسين حياتنا مع حماية النظام البيئي.

انقر هنا لمعرفة كيف يفتح اختراق نيتريد الكربون الأبواب أمام تقدم كبير في علوم المواد.