Selbsterhitzender Beton könnte unseren Straßen, Grundwasserleitern und unserem Geldbeutel helfen

In nordamerikanischen Regionen mit kaltem Klima sind Schneefall und Frost-Tau-Wechsel im Winter recht häufig. Dies führt zur Ansammlung von Schnee auf Betonstraßen und auf Betondecken sowie zu Frost-Tau-Schäden im Beton. 

Auf dem Campus der Drexel University gibt es jedoch einen Betonabschnitt, der die Zukunft frostfreier Gehwege und Autobahnen vorführt. Dieser Abschnitt befindet sich direkt neben dem Parkplatz der Universität.

Es handelt sich um zwei 30 x 30 cm große Platten, die seit drei Jahren selbstständig Schnee und Eisregen räumen, ohne dass jemand schaufeln, salzen oder schrotten muss. Doch es handelt sich nicht um ein Wunder, sondern um selbsterhitzenden Beton. 

Letzte Woche haben Forscher am Drexel College of Engineering berichteten, wie sie diesen besonderen Beton hergestellt haben das sich erwärmen kann, wenn die Temperatur auf den Gefrierpunkt sinkt oder es schneit.

Der im Journal of Materials in Civil Engineering veröffentlichte Artikel diskutiert die Entwicklung von selbsterhitzendem Beton unter Verwendung von Niedertemperatur-Phasenwechselmaterialien (PCM). 

Diese Experimente wurden im Advanced Infrastructure Materials (AIM) Lab der Drexel University durchgeführt. Die finanzielle Unterstützung für die Durchführung dieser Experimente wurde vom US-amerikanischen Unternehmen Compass Minerals geleistet, während MicroTek Laboratories die Materialien für Forschungszwecke bereitstellte.

Die Studie wurde von Amir Farnam, Ph.D., einem außerordentlichen Professor, durchgeführt. Doktorand Robin Deb; die Studenten Nishant Shrestha, Kham Phan und Mohamed Cissao; und die Doktoranden Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai und Parsa Namakiaraghi, die alle dem College of Engineering angehören.

Mit diesem selbsterhitzenden Beton soll, wie Farnam erklärt, die Lebensdauer von Straßen und verschiedenen Oberflächen verlängert werden. Insbesondere trägt er dazu bei, dass diese Betonoberflächen auch in kalten Klimazonen Temperaturen über dem Gefrierpunkt halten. Ziel ist es, eine widerstandsfähige Infrastruktur in den nördlichen Regionen der USA zu fördern, wo die Bundesstaaten jährlich rund 2.3 Milliarden Dollar in die Schnee- und Eisräumung investieren.

Um ein Einfrieren und Auftauen zu verhindern und die Notwendigkeit des Pflügens und Salzens zu reduzieren, damit die Oberfläche nicht abbröckelt, werden bei dem neuen Experiment spezielle Metalle in den Beton eingebracht, die dabei helfen, eine höhere Oberflächentemperatur aufrechtzuerhalten, wenn sich das Klima ändert.

Dieses Material wird seit etwa einem halben Jahrzehnt mit dem Ziel entwickelt, das Einfrieren, Auftauen und Salzen zu reduzieren, das sich negativ auf Straßen und andere Betonoberflächen auswirkt. Es wird berichtet, dass selbsterhitzender Beton die Fähigkeit hat, Schnee zu schmelzen und die Eisbildung über einen längeren Zeitraum zu verlangsamen oder zu verhindern.

Bisher hat selbsterhitzender Beton in einer kontrollierten Laborumgebung großes Potenzial und Erfolg gezeigt, aber jetzt wurde seine Machbarkeit auch in der realen Welt, der natürlichen Außenumgebung, unter Beweis gestellt. Und es zeigte sich, dass der selbsterhitzende Beton tatsächlich Schnee schmelzen kann, ohne dass menschliche Hilfe oder Heizsysteme erforderlich sind. Es kann dies tatsächlich allein tun, indem es nur die thermische Tagesenergie der Umgebung nutzt. 

„Dieser selbsterhitzende Beton eignet sich für bergige und nördliche Regionen in den USUS, wie Nordost-Pennsylvania und Philadelphia, wo es im Winter geeignete Heiz- und Kühlzyklen gibt.“ 

– Farnam

Die Niedertemperaturphase verändert das Material

Das fragliche Material, das der Studie dabei half, selbsterhitzenden Beton zu erhalten, ist flüssiges Paraffin mit niedriger Temperatur. Dies ist ein Phasenwechselmaterial (PCM). Wenn die Umgebungstemperatur auf ∼0 °C oder 32 °Fahrenheit fällt, gibt es die gewünschte Wärmemenge ab, wenn es von seinem flüssigen Zustand bei Raumtemperatur in einen festen Zustand übergeht. Dies führt zum allmählichen Abschmelzen des angesammelten Schnees und Eises.

Während die Gruppe bereits berichtete, dass die Einarbeitung des Materials in den Beton die Heizung aktiviert, sobald die Temperatur sinkt, Forschungsprojekte Dabei ging es um die Bewertung der Leistung von selbsterhitzendem Beton sowohl unter thermischen Laborbedingungen als auch unter Echtzeitbedingungen im Freien während der Herbst- und Wintersaison. 

Ziel des Programms war es, Betonmischungen für eine maximale PCM-Einarbeitung zu optimieren und die thermischen Eigenschaften von PCM-Mörtelproben mithilfe von LGCC zu charakterisieren. LGCC (Longitudinal Guarded Comparative Calorimetry) ist ein Prüfgerät zur Quantifizierung der thermischen Eigenschaften und des Wärmeflusses von Betonproben. 

Darüber hinaus bestand die Idee darin, großflächige Betonplatten außerhalb des Labors unter natürlichen Bedingungen mit Phasenwechselmaterial behandeln zu lassen, um in Echtzeit zu beurteilen, wie effizient sie Schnee schmelzen und wie hoch ihre thermische Leistung bei Frost-Tau-Ereignissen ist. Die Ereignisse beziehen sich darauf, dass die Temperaturen so weit sinken, dass Wasser gefriert, was bei 32 °F oder 0 °C der Fall ist, und dann so weit ansteigen, dass es wieder auftaut. 

Um das Material nun in Beton zu integrieren, nutzte das Team zwei Methoden. Dazu gehörte mikroverkapseltes PCM (MPCM), bei dem Mikrokapseln aus Paraffin direkt in den Beton eingemischt werden. Der andere Ansatz bestand darin, das flüssige Phasenwechselmaterial in poröse Leichtzuschlagstoffe (PCM-LWA) einzutauchen, unter denen Fragmente kleiner Steine, aus denen der Beton besteht, mit Paraffin behandelt wurden. Diese kleinen Steine ​​und Kiesel nehmen das flüssige Paraffin auf, bevor sie in den Beton eingearbeitet werden.

In ihrem Experiment verwendeten die Forscher drei Platten: eine mit der MPCM-Methode gegossen, die zweite mit der PCM-LWA-Methode und die dritte als Kontrolle ohne Phasenwechselmaterial. 

Diese Platten sind seit Dezember 2021 dem natürlichen Klima ausgesetzt. In dieser Zeit erlebten alle drei Platten 32 Frost-Tau-Ereignisse mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt. In den ersten beiden Jahren gab es zudem fünf Schneefälle von XNUMX cm oder mehr. Zur Überwachung der Temperatur und des Verhaltens der Platten setzte das Team Kameras und Wärmesensoren ein. 

Als die Lufttemperaturen unter den Gefrierpunkt sanken, stellten die Forscher fest, dass die PCM-Platten bis zu 42 Stunden lang eine Oberflächentemperatur zwischen 55 und 5.56 Grad Fahrenheit (12.78 und 10 Grad Celsius) aufrechterhielten. Das reicht aus, um ein paar Zentimeter Schnee zu schmelzen. Allerdings geschieht dies mit einer langsamen Geschwindigkeit, etwa einem Viertel Zoll Schnee pro Stunde. Obwohl es nicht warm genug ist, um starken Schneefall zu schmelzen, kann es dazu beitragen, die Straßenoberfläche eisfrei zu halten und die Transportsicherheit zu erhöhen.

Dies trägt dazu bei, den Verfall von Straßen zu verhindern, da Perioden extremer Abkühlung und anschließender Erwärmung dazu führen, dass sich die Oberfläche ausdehnt und zusammenzieht, was ihre strukturelle Integrität belastet und im Laufe der Zeit möglicherweise zu Rissen und Abplatzungen führt. All dies schafft eine Schwachstelle, die letztendlich zum Versagen der Struktur von innen führt, was vermieden werden muss. 

„Eine der vielversprechenden Erkenntnisse ist, dass die Platten mit Phasenwechselmaterialien ihre Temperatur über dem Gefrierpunkt stabilisieren konnten, wenn die Umgebungstemperaturen sinken.“

– Deb

Dies trägt nicht nur dazu bei, die Lebensdauer der Infrastruktur zu verlängern, sondern kann auch Geld bei der Straßeninstandhaltung einsparen. Nach Schätzungen der National Highway Administration werden Millionen von Dollar für die Reparatur von Straßen ausgegeben, die durch das Winterwetter beschädigt wurden. Darüber hinaus können Staaten durch den Wegfall des Salzens nicht nur Arbeits- und Salzkosten einsparen, sondern auch verhindern, dass Autos rosten. Dieser Ansatz trägt auch dazu bei, die Verschmutzung der Grundwasserleiter durch überschüssiges Salz zu vermeiden und sicherzustellen, dass sie für den menschlichen Gebrauch sicher bleiben.

Allmählicher Fortschritt, Wachstumspotenzial 

Die Gruppe untersuchte den selbsterhitzenden Beton in verschiedenen Maßstäben und stellte fest, dass PCM eine zufriedenstellende Unterkühlung, langfristige thermische Stabilität und eine hohe Schmelzenthalpie aufwies. Insgesamt zeigten beide Betonplatten mit dem Material positive Schneeschmelzeigenschaften und verringerten gleichzeitig die Anzahl der Frost-Tau-Zyklen im Winter, wie aus den Studienergebnissen hervorgeht.

Es wurde festgestellt, dass die mit porösen Leichtzuschlagstoffen (PCM-LWA) behandelte Platte die Anzahl der Gefrier-Tau-Zyklen (FT) besser verringert. Dies war auf die relative Verteilung des PCM innerhalb der Poren und das Unterkühlungsphänomen zurückzuführen, das durch den Einschlussdruck des LWA-Porennetzwerks verursacht wurde. 

Dies wiederum ermöglichte die allmähliche Freisetzung latenter Wärme. Die Unterkühlung erzeugt hier eine Phasenumwandlung in einem größeren Tieftemperaturbereich, d. h. 3.94 °C bis –13.04 °C oder 39.09 °F bis 8.52 °F. Daher erwies sich die PCM-LWA-Methode als wirksamer beim Schmelzen von Schnee in diesem niedrigen Temperaturbereich.

Unterdessen trägt das „One-Shot“-Wärmefreisetzungsphänomen von MPCM-Beton dazu bei, dass der Schnee schnell schmilzt. Die mit mikroverkapseltem Phasenwechselmaterial (MPCM) behandelte Platte konnte sich zwar schneller erwärmen, konnte die Erwärmung jedoch nur halb so lange aufrechterhalten wie LWA-PCM.

Während PCM-LWA-Platten also in der Lage waren, die Freisetzung ihrer Wärmeenergie zu halten, bis das Material 39 Grad Fahrenheit erreichte, begann MPCM, seine Wärme erst dann abzugeben, als die Temperatur 42 Grad erreichte, was zu seiner relativ kürzeren Aktivierungsdauer beitrug.

Infolgedessen stellte das Team fest, dass die PCM-LWA-Methode besser für Enteisungsanwendungen bei Minustemperaturen geeignet ist.

Obwohl beide Anwendungen die Betontemperatur auf einen Wert zwischen 53 und 55 Grad Celsius erhöhen können, wirken sich die Schneefallrate und die Umgebungslufttemperatur vor dem Schneefall sowohl auf die Leistung von PCM-LWA als auch von MPCM aus.

Es wurde festgestellt, dass mit PCM eingearbeitete Gehwege nicht in der Lage sind, starke Schneeansammlungen (größer als 2 Zoll) vollständig zu schmelzen, aber darunter können sie den Schneefall „ziemlich effektiv“ schmelzen. Sie beginnen tatsächlich damit, den Schnee aufzutauen, sobald er sich zu sammeln beginnt. 

Laut Deb kann die Betonoberfläche durch die allmähliche Wärmeabgabe erfolgreich aufgetaut werden, sodass vor starkem Schneefall kein Salz mehr benötigt wird. Allerdings muss beachtet werden, dass das Material zwischen Schneefällen oder Frost-Tau-Ereignissen eine gewisse Regenerationszeit benötigt, um effektiv zu funktionieren. Wenn es zu diesem Zeitpunkt nicht in seinen flüssigen Zustand zurückkehrt, kann die Leistung nachlassen.

Nachdem das Team nun verstanden hat, wie sich Beton mit PSM in der Natur verhält, wird es an der Verbesserung des Systems arbeiten, um es für längeres Erhitzen und stärkeres Schmelzen zu optimieren. Die Forscher müssen weitere Daten sammeln, um die langfristige Wirksamkeit des Materials zu verstehen, und eine Studie durchführen, um herauszufinden, wie diese Methode die Lebensdauer des Betons verlängern könnte.

Dies ist nur der jüngste Fortschritt bei der Verbesserung der Infrastruktur bei gleichzeitiger Schonung der Umwelt, da Organisationen und Regierungen daran arbeiten, bessere Möglichkeiten zu finden, mit der kalten und heißen Jahreszeit umzugehen. Kürzlich haben wir darüber berichtet, wie Wissenschaftler der University of California Im Detail erfahren Sie, wie Sie mit adaptiven Dachziegeln die Heiz- und Kühlkosten senken können. Die Fliesen verfügen über einen Strahlungsschalter oder eine passive Thermoregulierungsvorrichtung, um auf verschiedene Temperaturbereiche zu reagieren.

Eine weitere Lösung ist eine ganzjährige intelligente Dachbeschichtung, die in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab entwickelt wurde. Sie hält Häuser im Winter warm und im Sommer kühl, ohne dass Erdgas oder Strom benötigt wird. Sie verwendet ein neues Material namens temperaturadaptive Strahlungsbeschichtung (TARC), das die Strahlungskühlung im Winter automatisch abschaltet, um Überkühlung und Energieverschwendung zu vermeiden. All dies lässt eine bessere Zukunft für uns und unseren Planeten erwarten.

Arbeiten am Winterdienst

Werfen wir nun einen Blick auf einige Namen in der Branche, die Enteisungslösungen anbieten und an der Suche nach innovativeren Optionen beteiligt sind: 

# 1. Freie Straßen

Dieses Programm bringt Transportfachleute und Forscher aus dem ganzen Land zusammen, um Innovationen im Winterdienst voranzutreiben. Clear Roads bewertet Materialien, Ausrüstung und Methoden unter realen Bedingungen, um die besten Technologien und Lösungen zu finden, die dabei helfen, Geld zu sparen, die Effizienz zu steigern und die Sicherheit zu verbessern.

In ihrer TRB-Jahrestagung 2024Im Mittelpunkt des Programms standen Themen wie die Implementierung einer Salzlagerbestände mithilfe von LiDAR-Messungen, Salznachhaltigkeit, künstliche Intelligenz und Modellierung der Straßenreibung. Es ging auch um die Vorhersage winterlicher Straßenoberflächenbedingungen mithilfe eines datengesteuerten Ansatzes, ein Modell zur Vorhersage der Fahrbahntemperatur im Winter, das auf Transferlernen und neuronalen Netzwerken mit Lang- und Kurzzeitgedächtnis basiert, sowie die Entwicklung eines Prototyps eines digitalen Zwillings für die Straßeninstandhaltung im Winter, die Zukunft von Straßenwetter und mehr.

# 2. Cargill

Das Unternehmen bietet Lösungen zur Enteisung von Straßen und Autobahnen. Die effektiven Winterdienstlösungen von Cargill minimieren die Umweltbelastung und die damit verbundenen Kosten. Das breite Produktangebot umfasst körnige Enteisungsmittel, Anti-Eismittel, automatisierte Sole-Herstellungssysteme und Additive sowie Lösungen für Straßenbeläge. 

In der zweiten Hälfte des letzten Jahres war es soweit berichtet dass das Unternehmen versucht hat, eine Auswahl seiner US-Auftausalzgeschäfte zu veräußern, die zu diesem Zeitpunkt bei einem Umsatz von etwa 40 Millionen US-Dollar ein EBITDA von etwa 375 Millionen US-Dollar erwirtschaftet hatten. 

Bei den Vermögenswerten, die das Unternehmen verkaufen möchte, handelt es sich um Anlagen, die Auftausalze abbauen, verarbeiten und an Kommunen, Regierungsbehörden und private Gewerbebetriebe im ganzen Land transportieren, um sie bei Winterstürmen auf Straßen einzusetzen. Dies geschah, nachdem Cargill im Jahr 2022 sein drittes Salzbergwerk in Avery Island, Louisiana, geschlossen hatte.

# 3. Clariant

Hier wird die Enteisung von Flugzeugen angeboten, ein wachsender Sektor projektiert In den nächsten sieben Jahren soll der Umsatz auf 1.83 Milliarden US-Dollar steigen, was einer jährlichen Wachstumsrate von 5 % entspricht. Nordamerika ist dank seiner robusten Luftfahrtindustrie führend bei diesem Wachstum. Flugzeugenteisungssysteme sind für sichere Starts und Landungen von entscheidender Bedeutung.

Zusätzlich zur Flugzeugenteisung bietet Clariant Recyclinglösungen und Unterstützung für Kunden bei der Bewältigung von Betriebsschwierigkeiten bei widrigen Wetterbedingungen auf der Landebahn. Dafür wurden äußerst wirksame Enteisungsflüssigkeiten entwickelt, die die Oberflächen von Flugzeugen schnee- und eisfrei halten. Das Unternehmen ist außerdem auf die Enteisung der Landebahn und Anti-Eis-Chemikalien spezialisiert. 

Fazit 

Wie wir gesehen haben, ist selbsterhitzender Beton eine große Erfindung, die zum Bau von Gehwegen, Einfahrten, Brückendecks und vielen anderen Arten von Flachbauwerken verwendet werden kann. Das entwickelte Produkt trägt auch dazu bei, die Haltbarkeit und Lebensdauer des Betons zu verbessern, Geld für Straßeninstandhaltung, Arbeit und Produktverbrauch zu sparen und gleichzeitig zu verhindern, dass Autos rosten und überschüssiges Salz Grundwasserleiter verschmutzt. Forschung wie diese ist nicht nur gut für den Menschen, sondern auch für die Umwelt. Sie trägt dazu bei, unser Leben zu verbessern und gleichzeitig das Ökosystem zu schützen.

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