Materialevidenskab
Selvvarmende Beton Kan Hjælpe Vores Veje, Grundvandsmagasiner og Pengepunge
Føj Securities.io til dine foretrukne kilder på Google
I nordamerikanske regioner med kolde klimaer er snefald og fryse‑tø‑cyklusser ret almindelige i vinterperioderne. Dette fører til, at sne ophobes på betongader og flade overflader samt forårsager fryse‑tø‑skader på betonen.
På Drexel Universitys campus er der dog et betonsektor, der viser fremtiden for frostfri fortove og motorveje. Denne sektion ligger lige ved siden af universitetets parkeringsplads.
Den består af to 30‑tommer‑by‑30‑tommer plader, som selv har ryddet sne og fryseskyer i op til tre år uden at nogen har skovlet, saltet eller skrabet. Men det er ingen mirakel; det er selvvarmende beton.
Så, i sidste uge rapporterede om, hvordan de skabte denne specielle beton, der kan varme sig selv op, når temperaturen falder til frysepunktet eller det sneer.
Udgivet i Journal of Materials in Civil Engineering diskuterer artiklen udviklingen af selvvarmende beton ved brug af lavtemperatur faseændringsmaterialer, eller PCM.
Disse eksperimenter blev udført i Drexel University’s Advanced Infrastructure Materials (AIM) Lab. For at gennemføre eksperimenterne leverede det amerikanske firma Compass Minerals den økonomiske støtte, mens MicroTek Laboratories leverede materialerne til forskningsformål.
Undersøgelsen blev udført af Amir Farnam, Ph.D., lektor; doktorand Robin Deb; bachelorstuderende Nishant Shrestha, Kham Phan og Mohamed Cissao; samt doktorandkandidaterne Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai og Parsa Namakiaraghi, som alle tilhører College of Engineering.
Med denne selvvarmende beton er målet, som Farnam forklarer, at forlænge den operationelle levetid for veje og forskellige overflader. Specifikt hjælper den disse betongulve med at holde temperaturerne over frysepunktet i kolde klimaer. Ideen er at fremme robust infrastruktur i de nordlige regioner i USA, hvor staterne årligt investerer omkring 2,3 milliarder dollars i sne- og isfjerningsarbejde.
For at forhindre fryse‑tø‑cyklusser samt reducere behovet for pløjning og saltning for at holde overfladen intakt, introducerer det nye eksperiment specielle metaller i betonen, som hjælper den med at opretholde en højere overfladetemperatur, når klimaet skifter.
Dette materiale har været under udvikling i omkring et halvt årti med det formål at reducere fryse‑tø‑ og saltning, som påvirker veje og andre betongulve negativt. Selvvarmende beton siges at have evnen til at smelte sne og bremse eller forhindre dannelsen af is i en længere periode.
Indtil nu har selvvarmende beton vist stort potentiale og succes i et kontrolleret laboratoriemiljø, men nu er dens levedygtighed også blevet demonstreret i den virkelige verden, i det naturlige udendørs miljø. Det har vist, at den selvvarmende beton faktisk kan smelte sne uden menneskelig assistance eller varmesystemer. Den kan gøre det på egen hånd ved kun at bruge den miljømæssige daglige termiske energi.
“Dette selvvarmende beton er egnet til bjergrige og nordlige regioner i USA, såsom det nordøstlige Pennsylvania og Philadelphia, hvor der er passende opvarmnings‑ og afkølingscyklusser om vinteren.”
– Farnam
Det Lavtemperatur Faseændringsmateriale
Det pågældende materiale, som hjalp undersøgelsen med at opnå selvvarmende beton, er lavtemperatur flydende paraffin. Dette er et faseændringsmateriale (PCM), hvilket betyder, at når den omgivende temperatur falder til ca. 0 °C eller 32 °F, frigiver det ønskelige mængder varme, når det skifter fra sin væsketilstand ved stuetemperatur til en fast form. Dette fører til gradvis smeltning af den akkumulerede sne og is.
Mens gruppen tidligere har rapporteret, at indarbejdelse af materialet i betonen aktiverer opvarmning, så snart temperaturen falder, involverede den seneste forskning at evaluere ydeevnen af selvvarmende beton både under laboratorietermiske forhold og udendørs realtidsforhold i efterårs- og vintersæsonerne.
Programmets formål var at optimere betonblandingsdesigns for maksimal PCM-indarbejdelse og karakterisere de termiske egenskaber ved PCM-mørtelprøver ved hjælp af LGCC. LGCC, eller longitudinal guarded comparative calorimetry, er et testapparat, der bruges til at kvantificere de termiske egenskaber og varmestrømmen i betongprøver.
Derudover har idéen været at have store betonslabber behandlet med faseændringsmateriale uden for laboratoriet under naturlige forhold for at vurdere, hvor effektive de er til at smelte sne, samt deres termiske ydeevne i realtid mod fryse‑tø‑begivenheder. Begivenhederne refererer til, når temperaturerne falder nok til at fryse vand, hvilket sker ved 32 °F eller 0 °C, og derefter stiger nok til at tø op igen.
For at integrere materialet i betonen anvendte teamet to metoder. Dette omfattede mikroindkapslet PCM (MPCM), hvor mikro‑kapsler af paraffin blandes direkte i betonen. Den anden tilgang var at nedsænke det flydende faseændringsmateriale i porøse letvægtsaggregater (PCM‑LWA), hvor fragmenter af små sten, som udgør betonen, blev behandlet med paraffin. Disse små sten og småsten absorberer den flydende paraffin, før de indarbejdes i betonen.
I deres eksperiment brugte forskerne tre slabber: én hældt med MPCM‑metoden, den anden med PCM‑LWA, og den tredje uden faseændringsmateriale som kontrol.
Disse slabber har været udsat for det naturlige klima siden december 2021. I denne periode oplevede alle tre 32 fryse‑tø‑begivenheder, hvor temperaturerne faldt under frysepunktet. I de første to år stod de også over for fem snefald på en tomme eller mere. For at overvåge temperaturen og slabbernes adfærd brugte teamet kameraer og termiske sensorer.
Når lufttemperaturerne faldt under frysepunktet, fandt forskerne, at PCM‑slabberne holdt en overfladetemperatur mellem 42 og 55 grader Fahrenheit (5,56 og 12,78 grader Celsius) i op til 10 timer. Dette er nok til at smelte et par tommer sne. Dog sker dette i et langsomt tempo, omkring en kvart tomme sne per time. Selvom det ikke er varmt nok til at smelte tung sne, kan det hjælpe med at holde vejoverfladen fri for is og øge trafiksikkerheden.
Dette er gavnligt for at forhindre nedbrydning af veje, da perioder med ekstrem afkøling efterfulgt af opvarmning får overfladen til at udvide og trække sig sammen, hvilket belaster dens strukturelle integritet og potentielt fører til revner og afskalning over tid. Alt dette skaber en sårbarhed, der i sidste ende fører til strukturelle svigt indefra, hvilket skal undgås.
“En af de lovende fund er, at slabberne med faseændringsmaterialer var i stand til at stabilisere deres temperatur over frysepunktet, når de blev udsat for faldende omgivelsestemperaturer.”
– Deb
Ud over at hjælpe med at forlænge infrastrukturenes levetid, kan det også spare penge på vejvedligeholdelse. Ifølge estimater fra National Highway Administration bruges millioner af dollars på at reparere veje, der er beskadiget af vintervejr. Desuden kan staterne ved at fjerne behovet for saltning ikke kun spare på arbejdskraft og saltomkostninger, men også forhindre biler i at ruste. Denne tilgang hjælper også med at undgå forurening af grundvandsmagasiner med overskydende salt, så de forbliver sikre for menneskelig brug.
Gradvis Fremgang, Potentiale for Vækst
Gruppen undersøgte den selvvarmende beton i forskellige skalaer og fandt, at PCM udviste tilfredsstillende superkøling, langvarig termisk stabilitet og høj smelteentalpi. Samlet set viste begge betonslabber med materialet positive sne-smelteegenskaber, samtidig med at antallet af fryse‑tø‑cyklusser i vinterperioden blev reduceret, ifølge undersøgelsesresultaterne.
Den slab, der blev behandlet med porøse letvægtsaggregater (PCM‑LWA), viste sig at være bedre til at reducere antallet af fryse‑tø‑cyklusser (F‑T). Dette skyldtes den relative fordeling af PCM inden i porerne og underkølingsfænomenerne, der skabes af konfineringstrykket i LWA‑porenet.
Dette tillod igen en gradvis frigivelse af latent varme. Underkølingen her genererer faseovergang i et bredere lavtemperaturområde, nemlig 3,94 °C til −13,04 °C eller 39,09 °F til 8,52 °F. Derfor viste PCM‑LWA‑metoden sig at være mere effektiv til at smelte sne i dette lavtemperaturområde.
Imidlertid hjælper “one‑shot” varmefrigivelses‑fænomenet i MPCM‑beton med at smelte sne hurtigt. Slabben behandlet med mikroindkapslet faseændringsmateriale (MPCM) kan opvarmes hurtigere, men kan kun opretholde varmen i halvdelen af den tid som LWA‑PCM.
Således, mens PCM‑LWA‑slabberne kunne holde deres varmeudløsning, indtil materialet nåede 39 grader Fahrenheit, begyndte MPCM at frigive sin varme, så snart temperaturen nåede 42 grader, hvilket bidrog til en relativt kortere aktiveringsperiode.
Som resultat udtalte teamet, at PCM‑LWA‑metoden er bedre egnet til afisningsapplikationer ved under nul grader.
På trods af begge applikationers evne til at hæve betontemperaturen mellem 53 og 55 grader Fahrenheit, påvirker snefaldshastigheden og den omgivende lufttemperatur før et snefald både PCM‑LWA‑ og MPCM‑præstationerne.
Pavementer med indarbejdet PCM viste sig ude af stand til fuldstændigt at smelte tung sneopbygning (større end 2 tommer), men under dette kan de smelte snefald “ret effektivt”. De begynder faktisk at tø sneen, så snart den begynder at samle sig.
Ifølge Deb kan den gradvise frigivelse af varme effektivt tø betonens overflade, hvilket eliminerer behovet for forudgående saltning før tungt snefald. Det skal dog bemærkes, at materialet har brug for en genopladningstid mellem sne- eller fryse‑tø‑begivenheder for at fungere effektivt. Hvis det ikke vender tilbage til sin flydende tilstand i denne periode, kan ydeevnen falde.
Nu hvor teamet forstår, hvordan beton med indarbejdet PSM opfører sig i naturen, vil de arbejde på at forbedre systemet for at optimere det til længerevarende opvarmning og større smeltning. Forskere skal indsamle flere data for at forstå materialets langsigtede effektivitet og udføre en undersøgelse for at fastslå, hvordan denne metode kan forlænge betons levetid.
Dette er blot den seneste udvikling i forbedring af infrastrukturen, samtidig med at miljøet beskyttes, mens organisationer og regeringer arbejder på at finde bedre måder at håndtere kolde og varme sæsoner på. For nylig rapporterede vi, hvordan forskere ved University of California beskrev, hvordan man kan reducere varme‑ og køleomkostninger gennem adaptive tagfliser. Fliserne har en strålingsskifter eller en passiv termoreguleringsenhed, der reagerer på et bredt temperaturinterval.
En anden løsning er en helårig smart‑tagbelægning udviklet i Berkeley Labs Materials Sciences Division, som holder huse varme om vinteren og kølige om sommeren uden at kræve naturgas eller elektricitet. Den anvender et nyt materiale kaldet en temperatur‑adaptiv strålingsbelægning (TARC), som automatisk slukker for den strålende køling om vinteren for at sikre, at der ikke sker overkøling og energispild.
Alt dette viser en lysere fremtid for os og vores planet.
Arbejde med Vintervedligeholdelse
Lad os nu se på nogle af navnene i branchen, der tilbyder afisningsløsninger og er involveret i at finde mere innovative muligheder:
#1. Clear Roads
Dette program samler transportprofessionelle og forskere fra hele landet for at drive innovation inden for vintervedligeholdelse. Clear Roads evaluerer materialer, udstyr og metoder under virkelige forhold for at finde de bedste teknologier og løsninger, der kan hjælpe med at spare penge, øge effektiviteten og forbedre sikkerheden.
I sit 2024 TRB Annual Meeting fokuserede programmet på emner som implementering af saltlagersbeholdning ved brug af LiDAR-målinger, saltbæredygtighed, kunstig intelligens og vejfriktionsmodellering. Det dækkede også forudsigelse af vintervejoverfladens tilstande ved hjælp af en datadrevet tilgang, en vinterpavementtemperaturforudsigelsesmodel baseret på transfer learning og lange og korte hukommelsesneurale netværk, udvikling af en prototype af en digital tvilling til vintervejvedligeholdelse, fremtiden for vejvejr og mere.
#2. Cargill
Virksomheden leverer afisningsløsninger til veje og motorveje. Cargills effektive vintervedligeholdelsesløsninger minimerer miljøpåvirkningen samt de tilknyttede omkostninger. Virksomhedens brede produktudvalg omfatter granulære afisningsmidler, anti‑ismidler, automatiserede saltløsningssystemer og tilsætningsstoffer samt løsninger til belægningsoverlejring.
I anden halvdel af sidste år blev det rapporteret, at virksomheden har været på udkig efter at afsælge en del af sine amerikanske afisningssaltforretninger, som på det tidspunkt genererede cirka 40 millioner dollars i EBITDA på omkring 375 millioner dollars i omsætning.
De aktiver, som virksomheden ønsker at sælge, består af faciliteter, der udvinder, forarbejder og transporterer afisningssalt til kommuner, offentlige myndigheder og private kommercielle virksomheder over hele landet til brug på veje under vinterstorme. Dette kom efter, at Cargill lukkede sin tredje saltmine i Avery Island, LA, i 2022.
#3. Clariant
Denne tilbyder flyafisning, en voksende sektor, der forventes at vokse til 1,83 milliarder dollars i løbet af de næste syv år med en årlig vækstrate (CAGR) på 5 %. Nordamerika leder denne vækst takket være regionens robuste luftfartsindustri. Flyafisningssystemer er afgørende for sikre start og landing.
Ud over flyafisning tilbyder Clariant genanvendelsesløsninger og assistance til kunder for at overvinde driftsmæssige vanskeligheder under ugunstige vejrforhold på landingsbanen. Til dette har de udviklet ekstremt effektive afisningsvæsker, der holder flyenes overflader fri for sne og is. Virksomheden specialiserer sig også i afisning af landingsbanen og anti‑is‑kemikalier.
Konklusion
Som vi har set, er selvvarmende beton en stor opfindelse, der kan bruges til at konstruere pavements, indkørsler, brodæk og mange andre typer flade overflader. Det udviklede produkt hjælper også med at forbedre betons holdbarhed og levetid, hvilket sparer penge på vejvedligeholdelse, arbejdskraft og materialeforbrug, samtidig med at det hjælper med at forhindre biler i at ruste og overskydende salt i at forurene grundvandsmagasiner. Sådan forskning er ikke kun gavnlig for mennesker, men også for miljøet, da den hjælper med at forbedre vores liv, mens den beskytter økosystemet.
