الخرسانة ذات التسخين الذاتي قد تساعد طرقنا، والطبقات الجوفية، ومحافظنا

في المناطق الشمالية الأمريكية ذات المناخ البارد، تساقط الثلوج ودورات التجمد‑الذوبان شائعة جداً خلال فصول الشتاء. وهذا يؤدي إلى تراكم الثلوج على الطرق الخرسانية والأسطح المستوية وتلف الخرسانة نتيجة التجمد والذوبان.

مع ذلك، في حرم جامعة دريكسل، هناك جزء من الخرسانة يوضح مستقبل الأرصفة والطرق الخالية من الصقيع. يقع هذا الجزء بجوار موقف سيارات الجامعة.

يتكون من لوحتين بحجم 30 بوصة × 30 بوصة قاما بإزالة الثلوج والمطر المتجمد بمفردهما، دون الحاجة إلى أي شخص لجرفها أو ملحها أو كشطها، وذلك لمدة تصل إلى ثلاث سنوات. لكنها ليست معجزة؛ ما هي هو الخرسانة ذات التسخين الذاتي.

لذا، في الأسبوع الماضي، أبلغ الباحثون في كلية الهندسة بجامعة دريكسل عن كيفية إنشاء هذه الخرسانة الخاصة التي يمكن أن تسخن نفسها عندما تنخفض درجة الحرارة إلى درجة التجمد أو عندما يتساقط الثلج.البحث.

نُشرت الورقة في مجلة المواد في الهندسة المدنية، وتتناول تطوير الخرسانة ذات التسخين الذاتي باستخدام مواد تغير الطور منخفضة الحرارة، أو PCM.

أُجريت هذه التجارب في مختبر المواد المتقدمة للبنية التحتية (AIM) بجامعة دريكسل. ولإجراء هذه التجارب، قدمت شركة Compass Minerals الأمريكية الدعم المالي، بينما وفّرت مختبرات MicroTek المواد لأغراض البحث.

أُجريت الدراسة بواسطة أمير فارنام، دكتوراه، أستاذ مشارك؛ وطالب الدكتوراه روبين ديب؛ والطلاب الجامعيين نيشت شريستا، خام فان، ومحمد سيساو؛ ومرشحي الدكتوراه شارانيايا فيسفالينغام، أنجيلا موتوا، يوسف القنعي، وبارسا ناماكيا راغي، جميعهم من كلية الهندسة.

مع هذه الخرسانة ذات التسخين الذاتي، الهدف، كما يوضح فارنام، هو إطالة عمر تشغيل الطرق والأسطح المختلفة. تحديداً، تساعد هذه الأسطح الخرسانية على الحفاظ على درجات حرارة فوق الصفر خلال المناخ البارد. الفكرة هنا هي تعزيز بنية تحتية قوية في المناطق الشمالية للولايات المتحدة، حيث تستثمر الولايات سنوياً نحو 2.3 مليار دولار في عمليات إزالة الثلوج والجليد.

لذلك، لمنع التجمد والذوبان وتقليل الحاجة إلى الكشط والملح للحفاظ على السطح من التفتت، يقدم التجربة الجديدة معادن خاصة في الخرسانة تساعدها على الحفاظ على درجة حرارة سطح أعلى عندما يتغير المناخ.

تم تطوير هذه المادة لمدة نصف عقد تقريباً بهدف تقليل التجمد والذوبان والملح الذي يؤثر سلباً على الطرق والأسطح الخرسانية الأخرى. وتُفيد التقارير أن الخرسانة ذات التسخين الذاتي لديها القدرة على إذابة الثلوج وإبطاء أو منع تكوين الجليد لفترة زمنية ممتدة.

حتى الآن، أظهرت الخرسانة ذات التسخين الذاتي إمكانات كبيرة ونجاحاً في بيئة مختبرية محكومة، لكن الآن تم إثبات جدواها أيضاً في العالم الحقيقي، البيئة الطبيعية الخارجية. وقد أظهر ذلك أن الخرسانة ذات التسخين الذاتي يمكنها فعلياً إذابة الثلوج دون الحاجة إلى أي مساعدة بشرية أو أنظمة تدفئة. يمكنها فعل ذلك بنفسها باستخدام طاقة حرارية نهارية بيئية فقط.

“هذه الخرسانة ذات التسخين الذاتي مناسبة للمناطق الجبلية والشمالية في الولايات المتحدة، مثل شمال شرق بنسلفانيا وفيلادلفيا، حيث توجد دورات تدفئة وتبريد مناسبة في الشتاء.”

– Farnam

مادة تغير الطور منخفضة الحرارة

المادة المعنية، التي ساعدت الدراسة في تحقيق الخرسانة ذات التسخين الذاتي، هي البارافين السائل منخفض الحرارة. هذه مادة تغير طور (PCM)، مما يعني أنه عندما تنخفض درجة الحرارة المحيطة إلى حوالي 0°C أو 32°F، تُطلق كميات مرغوبة من الحرارة عندما تتحول من حالتها السائلة في درجة حرارة الغرفة إلى صلبة. وهذا يؤدي إلى ذوبان تدريجي للثلوج والجليد المتراكم.

بينما أبلغت المجموعة سابقاً أن دمج المادة في الخرسانة يُفعِّل التسخين بمجرد انخفاض درجة الحرارة، فإن البحث الأخير شمل تقييم أداء الخرسانة ذات التسخين الذاتي تحت ظروف حرارية مختبرية وفي ظروف واقعية خارجية خلال فصلي الخريف والشتاء.

كان هدف البرنامج تحسين تصاميم خلطات الخرسانة لتحقيق أقصى دمج للـPCM وتوصيف الخصائص الحرارية لأمثلة الملاط المدمج بـPCM باستخدام LGCC. LGCC، أو قياس الحرارة المقارن المحمي طوليًا، هو جهاز اختبار يُستخدم لتحديد الخصائص الحرارية وتدفق الحرارة لعينات الخرسانة.

بالإضافة إلى ذلك، تمثل الفكرة معالجة ألواح خرسانية واسعة النطاق بمادة تغير الطور خارج المختبر في ظروف طبيعية لتقييم كفاءتها في إذابة الثلوج وأدائها الحراري في الوقت الحقيقي ضد أحداث التجمد‑الذوبان. تشير هذه الأحداث إلى انخفاض درجات الحرارة بما يكفي لتجميد الماء عند 32°F أو 0°C، ثم ارتفاعها بما يكفي لذوبانه مرة أخرى.

الآن، لدمج المادة في الخرسانة، استخدم الفريق طريقتين. شملت الأولى مادة PCM المعبأة داخل حبيبات دقيقة (MPCM)، حيث تُخلط الحبيبات الدقيقة من البارافين مباشرةً مع الخرسانة. الطريقة الأخرى كانت غمر مادة تغير الطور السائلة في الركام الخفيف المسامي (PCM‑LWA)، حيث تُعالج شظايا الحجارة الصغيرة التي تُكوّن الخرسانة بالبارافين. تمتص هذه الحجارة الصغيرة والحصى البارافين السائل قبل دمجها في الخرسانة.

في تجربتهم، استخدم الباحثون ثلاثة ألواح: أحدها صُب باستخدام طريقة MPCM، والثاني باستخدام PCM‑LWA، والثالث بدون مادة تغير طور كعينة تحكم.

تم تعريض هذه الألواح للمناخ الطبيعي منذ ديسمبر 2021. خلال هذه الفترة، شهدت جميع الألواح 32 حدث تجمد‑ذوبان، مع انخفاض درجات الحرارة تحت الصفر. في هذين العامين الأولين، واجهت أيضاً خمس تساقطات ثلجية بارتفاع بوصة أو أكثر. لمراقبة درجة الحرارة وسلوك الألواح، استخدم الفريق كاميرات وأجهزة استشعار حرارية.

عندما انخفضت درجات حرارة الهواء تحت الصفر، وجد الباحثون أن ألواح PCM حافظت على درجة حرارة سطح تتراوح 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 ذلك بسرعة بطيئة، حوالي ربع بوصة من الثلج في الساعة. وعلى الرغم من عدم كفايتها لإذابة الثلوج الكثيفة، إلا أنها يمكن أن تساعد في إبقاء سطح الطريق خالٍ من الجليد وزيادة سلامة النقل.

هذا مفيد في منع تدهور الطرق حيث أن فترات التبريد الشديد ثم التسخين تسبب تمدد وانكماش السطح، مما يضع ضغطاً على سلامته الهيكلية وقد يؤدي بمرور الوقت إلى تشققات وتفتت. كل ذلك يخلق ضعفاً يؤدي في النهاية إلى فشل الهيكل من الداخل، وهو ما يجب تجنبه.

“إحدى النتائج الواعدة هي أن الألواح التي تحتوي على مواد تغير الطور تمكنت من تثبيت درجة حرارتها فوق الصفر عندما واجهت انخفاض درجات الحرارة المحيطة.”

– Deb

بالإضافة إلى المساعدة في إطالة عمر البنية التحتية، يمكنها أيضاً توفير المال على صيانة الطرق. وفقاً لتقديرات الإدارة الوطنية للطرق السريعة، تُنفق ملايين الدولارات على إصلاح الطرق المتضررة من طقس الشتاء. علاوة على ذلك، بإزالة الحاجة إلى الملح، يمكن للولايات توفير تكاليف العمالة والملح وكذلك منع صدا السيارات. كما يساعد هذا النهج في تجنب تلوث الطبقات الجوفية بكمية زائدة من الملح، مما يضمن بقاءها آمنة للاستخدام البشري.

تقدم تدريجي وإمكانات للنمو

فحصت المجموعة الخرسانة ذات التسخين الذاتي على مقاييس مختلفة ووجدت أن PCM يظهر تبريدًا فائقًا مرضيًا، واستقرارًا حراريًا طويل الأمد، وارتفاعًا في حرارة الانصهار. بشكل عام، أظهرت كلتا الألواح الخرسانية المدمجة بالمادة قدرة إيجابية على إذابة الثلوج مع تقليل عدد دورات التجمد‑الذوبان في الشتاء، وفقاً لنتائج الدراسة.

تبين أن اللوحة المعالجة بالركام الخفيف المسامي (PCM‑LWA) كانت أفضل في تقليل عدد دورات التجمد‑الذوبان (F‑T). كان ذلك بسبب توزيع PCM النسبي داخل المسام وظاهرة التبريد الزائد التي يخلقها ضغط الحجز في شبكة مسام LWA.

وبالتالي، سمح ذلك بإطلاق الحرارة الكامنة تدريجياً. يولد التبريد الزائد هنا تحولًا في الطور على نطاق أوسع من درجات الحرارة المنخفضة، أي من 3.94°C إلى −13.04°C أو من 39.09°F إلى 8.52°F. وبالتالي، وُجد أن طريقة PCM‑LWA أكثر فاعلية في إذابة الثلوج في هذا النطاق منخفض الحرارة.

في الوقت نفسه، ظاهرة إطلاق الحرارة “مرة واحدة” في خرسانة MPCM تساعدها على إذابة الثلوج بسرعة. اللوحة المعالجة بمادة تغير الطور المعبأة داخل حبيبات دقيقة (MPCM) رغم قدرتها على التسخين بسرعة أكبر، لا يمكنها الحفاظ على الدفء إلا لنصف المدة التي تحتفظ بها LWA‑PCM.

لذا، بينما تمكنت ألواح PCM‑LWA من الحفاظ على إطلاق طاقة الحرارة حتى وصلت المادة إلى 39 درجة فهرنهايت، بدأت MPCM في إطلاق حرارتها بمجرد وصول درجة الحرارة إلى 42 درجة، مما يساهم في فترة تنشيطها الأقصر نسبياً.

وبالتالي، صرّح الفريق أن طريقة PCM‑LWA أكثر ملاءمة لتطبيقات إزالة الجليد في درجات حرارة تحت الصفر.

على الرغم من قدرة كلتا الطريقتين على رفع درجة حرارة الخرسانة بين 53 و55 درجة فهرنهايت، فإن معدل تساقط الثلوج ودرجة حرارة الهواء المحيطة قبل تساقط الثلوج يؤثران على أداء كل من PCM‑LWA وMPCM.

تبين أن الأرصفة المدمجة بـPCM غير قادرة على إذابة تراكم الثلوج الكثيف (أكثر من بوصتين) بالكامل، لكن تحت هذا الحد يمكنها إذابة تساقط الثلوج “بشكل فعال إلى حد ما”. فهي تبدأ فعلياً في إذابة الثلج فور بدء تراكمه.

وفقاً لديب، يمكن للإفراج التدريجي عن الحرارة أن يذيب سطح الخرسانة بنجاح، مما يلغي الحاجة إلى الملح المسبق قبل تساقط الثلوج الكثيفة. ومع ذلك، يجب الإشارة إلى أن المادة تحتاج إلى بعض الوقت لإعادة الشحن بين أحداث الثلوج أو التجمد‑الذوبان لتعمل بفعالية. إذا لم تعد إلى حالتها السائلة في ذلك الوقت، قد يتراجع الأداء.

الآن بعد أن فهم الفريق سلوك الخرسانة المدمجة بـPSM في الطبيعة، سيعمل على تحسين النظام لتقليصه من أجل تسخين أطول وإذابة أكبر. يحتاج الباحثون إلى جمع المزيد من البيانات لفهم فعالية المادة على المدى الطويل وإجراء دراسة لتحديد كيف يمكن لهذه الطريقة إطالة عمر الخرسانة.

هذه مجرد أحدث خطوة في تحسين البنية التحتية مع الحفاظ على البيئة بينما تعمل المؤسسات والحكومات على إيجاد طرق أفضل للتعامل مع فصول الشتاء والحر. مؤخراً، أبلغنا عن كيفية توضيح العلماء في جامعة كاليفورنيا لخفض تكاليف التدفئة والتبريد من خلال بلاط أسقف متكيف.

تتميز هذه البلاطات بمفتاح إشعاعي أو جهاز تنظيم حراري سلبي للاستجابة لمجموعة من درجات الحرارة.

حل آخر هو طلاء سقف ذكي لجميع الفصول تم تطويره في قسم علوم المواد بمختبر بيركلي، يحافظ على دفء المنازل خلال الشتاء وبرودة خلال الصيف دون الحاجة إلى الغاز الطبيعي أو الكهرباء. يستخدم مادة جديدة تُسمى طلاء إشعاعي متكيف مع درجة الحرارة (TARC) يُغلق تلقائيًا التبريد الإشعاعي في الشتاء لضمان عدم حدوث تبريد مفرط وإهدار الطاقة.

كل هذا يُظهر مستقبلاً أكثر إشراقاً لنا وللكوكب.

العمل على صيانة الشتاء

الآن، دعونا نلقي نظرة على بعض الأسماء في الصناعة التي تقدم حلول إزالة الجليد وتشارك في البحث عن خيارات أكثر ابتكاراً:

#1. Clear Roads

يجمع هذا البرنامج بين المتخصصين في النقل والباحثين من جميع أنحاء البلاد لدفع الابتكار في صيانة الشتاء. تقوم Clear Roads بتقييم المواد والمعدات والطرق في ظروف واقعية للعثور على أفضل التقنيات والحلول للمساعدة في توفير المال، وزيادة الكفاءة، وتحسين السلامة.

في اجتماع TRB السنوي لعام 2024، ركز البرنامج على مواضيع مثل تنفيذ جرد مخزون الملح باستخدام قياسات LiDAR، استدامة الملح، الذكاء الاصطناعي، ونمذجة احتكاك الطرق. كما شمل التنبؤ بظروف سطح الطريق الشتوية باستخدام نهج قائم على البيانات، نموذج توقع درجة حرارة رصف الشتاء بناءً على التعلم النقلي وشبكات الأعصاب ذات الذاكرة الطويلة والقصيرة المدى، تطوير نموذج أولي لتوأم رقمي لصيانة الطرق الشتوية، مستقبل طقس الطرق، والمزيد.

#2. Cargill

توفر الشركة حلول إزالة الجليد للطرق السريعة والطرق العامة. تقلل حلول صيانة الشتاء الفعّالة من Cargill من الأثر البيئي وكذلك التكاليف المرتبطة بها. تشمل مجموعة منتجات الشركة الواسعة مواد إزالة الجليد الحبيبية، ومضادات التجمد، وأنظمة صُنع المحلول الملحي الآلية والإضافات، وحلول لتغطية الرصف.

في النصف الثاني من العام الماضي، تم الإبلاغ عن أن الشركة تبحث عن بيع مجموعة من أعمالها الأمريكية لإزالة جليد الملح، والتي كانت في ذلك الوقت تحقق تقريباً 40 مليون دولار من الأرباح قبل الفوائد والضرائب والاستهلاك وإطفاء الدين على إيرادات تبلغ حوالي 375 مليون دولار.

تشمل الأصول التي تسعى الشركة لبيعها مرافق تقوم باستخراج ومعالجة ونقل أملاح إزالة الجليد إلى البلديات والوكالات الحكومية والشركات التجارية الخاصة عبر البلاد لاستخدامها على الطرق خلال العواصف الشتوية. جاء ذلك بعد أن أغلقت Cargill منجم الملح الثالث في آيفري آيلاند، لويزيانا، في عام 2022.

#3. Clariant

تقدم هذه الشركة إزالة تجميد الطائرات، وهو قطاع متنامٍ من المتوقع أن يصل إلى 1.83 مليار دولار خلال السنوات السبع القادمة بمعدل نمو سنوي مركب 5٪. تقود أمريكا الشمالية هذا النمو بفضل صناعة الطيران القوية في المنطقة. أنظمة إزالة تجميد الطائرات ضرورية للإقلاع والهبوط الآمن.

بالإضافة إلى إزالة تجميد الطائرات، تقدم Clariant حلول إعادة التدوير ومساعدة للعملاء لتجاوز الصعوبات التشغيلية في ظروف الطقس القاسية على المدرج. لهذا، طورت سوائل إزالة التجمد الفعّالة للغاية التي تحافظ على أسطح الطائرات خالية من الثلج والجليد. كما تتخصص الشركة في إزالة تجميد المدرج والمواد الكيميائية المضادة للتجمد.

الخلاصة

إذن، كما رأينا، تُعد الخرسانة ذات التسخين الذاتي اختراعاً كبيراً يمكن استخدامه في بناء الأرصفة، والممرات، وأسقف الجسور، والعديد من أنواع الأسطح المستوية الأخرى. يساعد المنتج المطور أيضاً على تحسين متانة الخرسانة وعمرها الخدمي، مما يوفر المال على صيانة الطرق والعمالة واستخدام المنتجات، مع المساعدة في منع صدا السيارات وتلوث الطبقات الجوفية بكمية زائدة من الملح. لا يقتصر هذا البحث على فائدة البشر فحسب، بل يفيد البيئة أيضاً، حيث يساهم في تحسين حياتنا مع حماية النظام البيئي.

انقر هنا لتعرف كيف يفتح اختراق نيتريد الكربون أبواباً لتقدم كبير في علم المواد.