Ciencia de materiales
El Hormigón Autocalentado Puede Ayudar a Nuestras Carreteras, Acuíferos y Bolsillos
En las regiones de América del Norte con climas fríos, la nieve y los ciclos de congelación‑descongelación son bastante comunes durante las estaciones de invierno. Esto provoca la acumulación de nieve en carreteras y superficies de hormigón y daños por congelación‑descongelación del hormigón.
Sin embargo, en el campus de la Universidad Drexel, hay una sección de hormigón que muestra el futuro de aceras y autopistas libres de escarcha. Esta sección se encuentra justo al lado del estacionamiento de la universidad.
Consiste en dos losas de 30 pulgadas por 30 pulgadas que han estado limpiando nieve y lluvia helada por sí solas, sin que nadie las pala, las salgue o las raspe, durante hasta tres años. Pero no es un milagro; lo que es es hormigón autocalentado.
Así que, la semana pasada, investigadores del Colegio de Ingeniería de Drexel informaron cómo crearon este hormigón especial que puede calentarse a sí mismo cuando la temperatura baja a punto de congelación o nieva.
Publicado en el Journal of Materials in Civil Engineering, el artículo discute el desarrollo del hormigón autocalentado usando materiales de cambio de fase de baja temperatura, o PCM.
Estos experimentos se realizaron en el Laboratorio de Materiales de Infraestructura Avanzada (AIM) de la Universidad Drexel. Para llevar a cabo estos experimentos, Compass Minerals, con sede en EE. UU., proporcionó el apoyo financiero, mientras que MicroTek Laboratories suministró los materiales con fines de investigación.
El estudio fue realizado por Amir Farnam, Ph.D., profesor asociado; la estudiante de doctorado Robin Deb; los estudiantes de pregrado Nishant Shrestha, Kham Phan y Mohamed Cissao; y los candidatos a doctorado Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai y Parsa Namakiaraghi, todos pertenecientes al Colegio de Ingeniería.
Con este hormigón autocalentado, el objetivo, según explica Farnam, es prolongar la vida operativa de carreteras y diversas superficies. Específicamente, ayuda a que estas superficies de hormigón mantengan temperaturas por encima del punto de congelación en climas fríos. La idea es fomentar una infraestructura resiliente en las regiones del norte de EE. UU., donde los estados invierten anualmente aproximadamente 2.300 millones de dólares en operaciones de remoción de nieve y hielo.
Por lo tanto, para evitar la congelación y descongelación, así como reducir la necesidad de palear y salar para evitar que la superficie se desmorone, el nuevo experimento introduce metales especiales en el hormigón que le ayudan a mantener una temperatura superficial más alta cuando el clima cambia.
Este material ha estado en desarrollo durante aproximadamente medio decenio con el objetivo de reducir la congelación, descongelación y salado que impactan negativamente en carreteras y otras superficies de hormigón. Se informa que el hormigón autocalentado tiene la capacidad de derretir nieve y ralentizar o prevenir la formación de hielo durante un período prolongado.
Hasta ahora, el hormigón autocalentado ha demostrado un gran potencial y éxito en un entorno de laboratorio controlado, pero ahora su viabilidad también se ha demostrado en el mundo real, en el entorno natural exterior. Y mostró que el hormigón autocalentado puede realmente derretir nieve sin necesidad de asistencia humana ni sistemas de calefacción. Puede hacerlo por sí solo utilizando únicamente la energía térmica ambiental diurna.
“Este hormigón autocalentado es adecuado para regiones montañosas y del norte en EE. UU., como el noreste de Pensilvania y Filadelfia, donde existen ciclos de calefacción y enfriamiento apropiados en invierno.”
– Farnam
El Material de Cambio de Fase de Baja Temperatura
El material en cuestión, que ayudó al estudio a lograr hormigón autocalentado, es parafina líquida de baja temperatura. Este es un material de cambio de fase (PCM), lo que significa que cuando la temperatura ambiente desciende a ∼0 °C o 32 °Fahrenheit, libera cantidades deseables de calor al pasar de su estado líquido a temperatura ambiente a sólido. Esto conduce al derretimiento gradual de la nieve y el hielo acumulados.
Aunque el grupo informó previamente que la incorporación del material al hormigón activa el calentamiento justo cuando hay una caída de temperatura, la última investigación involucró la evaluación del rendimiento del hormigón autocalentado tanto en condiciones térmicas de laboratorio como en condiciones reales al aire libre durante las estaciones de otoño e invierno.
El objetivo del programa era optimizar los diseños de mezclas de hormigón para la máxima incorporación de PCM y caracterizar las propiedades térmicas de ejemplos de mortero con PCM usando LGCC. LGCC, o calorimetría comparativa longitudinal protegida, es un dispositivo de prueba utilizado para cuantificar las propiedades térmicas y el flujo de calor de muestras de hormigón.
Además, la idea ha sido tener losas de hormigón a gran escala tratadas con material de cambio de fase fuera del laboratorio en condiciones naturales para evaluar cuán eficientes son al derretir nieve y su rendimiento térmico en tiempo real frente a eventos de congelación‑descongelación. Los eventos se refieren a cuando las temperaturas caen lo suficiente para congelar el agua, lo que ocurre a 32 °F o 0 °C, y luego aumentan lo suficiente para que se descongele nuevamente.
Ahora, para integrar el material en el hormigón, el equipo utilizó dos métodos. Esto incluyó PCM microencapsulado (MPCM), donde microcápsulas de parafina se mezclan directamente en el hormigón. El otro enfoque consistió en sumergir el material de cambio de fase líquido en agregados ligeros porosos (PCM-LWA), bajo los cuales fragmentos de pequeñas piedras que forman el hormigón fueron tratados con parafina. Estas pequeñas piedras y guijarros absorben la parafina líquida antes de incorporarse al hormigón.
En su experimento, los investigadores usaron tres losas: una vertida con el método MPCM, la segunda con PCM-LWA, y la tercera sin material de cambio de fase como control.
Estas losas han estado expuestas al clima natural desde diciembre de 2021. Durante este tiempo, las tres experimentaron 32 eventos de congelación‑descongelación, con temperaturas bajo cero. En estos primeros dos años, también enfrentaron cinco nevadas de una pulgada o más. Para monitorear la temperatura y el comportamiento de las losas, el equipo utilizó cámaras y sensores térmicos.
Cuando las temperaturas del aire descendieron bajo cero, los investigadores descubrieron que las losas con PCM mantuvieron una temperatura superficial entre 42 y 55 grados Fahrenheit (5,56 y 12,78 grados Celsius) durante hasta 10 horas. Esto es suficiente para derretir un par de pulgadas de nieve. Sin embargo, ocurre a una velocidad lenta, aproximadamente un cuarto de pulgada de nieve por hora. Aunque no es lo suficientemente cálido para derretir nieve pesada, puede ayudar a mantener la superficie de la carretera libre de hielo y aumentar la seguridad del transporte.
Esto es beneficioso para prevenir el deterioro de las carreteras, ya que los períodos de enfriamiento extremo y luego calentamiento hacen que la superficie se expanda y contraiga, ejerciendo una tensión sobre su integridad estructural y potencialmente conduciendo a grietas y desprendimientos con el tiempo. Todo esto crea una vulnerabilidad que finalmente lleva al fallo de la estructura desde el interior, lo cual debe evitarse.
“Uno de los hallazgos prometedores es que las losas con materiales de cambio de fase pudieron estabilizar su temperatura por encima del punto de congelación cuando se enfrentaron a la caída de las temperaturas ambientales.”
– Deb
Además de ayudar a prolongar la vida de la infraestructura, también puede ahorrar dinero en el mantenimiento de carreteras. Según estimaciones de la Administración Nacional de Carreteras, se gastan millones de dólares en reparar carreteras dañadas por el clima invernal. Además, al eliminar la necesidad de salar, los estados pueden ahorrar no solo en mano de obra y costos de sal, sino también prevenir la oxidación de los automóviles. Este enfoque también ayuda a evitar la contaminación de los acuíferos con exceso de sal, asegurando que permanezcan seguros para el uso humano.
Progreso Gradual, Potencial de Crecimiento
El grupo examinó el hormigón autocalentado a diferentes escalas y encontró que el PCM mostraba un superenfriamiento satisfactorio, estabilidad térmica a largo plazo y alta entalpía de fusión. En conjunto, ambas losas de hormigón con el material mostraron capacidades positivas para derretir nieve mientras reducían el número de ciclos de congelación‑descongelación en invierno, según los resultados del estudio.
Se encontró que la losa tratada con agregados ligeros porosos (PCM-LWA) era mejor para disminuir el número de ciclos de congelación‑descongelación (F‑T). Esto se debió a la distribución relativa del PCM dentro de los poros y al fenómeno de subenfriamiento creado por la presión de confinamiento de la red de poros del LWA.
A su vez, esto permitió la liberación gradual de calor latente. El subenfriamiento aquí genera una transformación de fase en un rango más amplio de bajas temperaturas, es decir, de 3,94 °C a −13,04 °C o de 39,09 °F a 8,52 °F. Por lo tanto, se encontró que el método PCM-LWA era más eficaz para derretir nieve en este rango de bajas temperaturas.
Mientras tanto, el fenómeno de liberación de calor ‘de una sola vez’ del hormigón MPCM ayuda a derretir nieve a un ritmo rápido. La losa tratada con material de cambio de fase microencapsulado (MPCM), aunque puede calentarse más rápidamente, solo pudo mantener el calentamiento durante la mitad del tiempo que LWA‑PCM.
Así, mientras las losas PCM-LWA pudieron retener la liberación de su energía térmica hasta que el material alcanzó los 39 grados Fahrenheit, el MPCM comenzó a liberar su calor justo cuando la temperatura llegó a 42 grados, lo que contribuye a su período de activación relativamente más corto.
Como resultado, el equipo declaró que el método PCM-LWA es más adecuado para aplicaciones de deshielo a temperaturas bajo cero.
A pesar de que ambas aplicaciones pueden elevar la temperatura del hormigón entre 53 y 55 grados Fahrenheit, la tasa de nevadas y la temperatura del aire ambiente antes de una nevada afectan el rendimiento tanto de PCM-LWA como de MPCM.
Se encontró que los pavimentos incorporados con PCM no pueden derretir completamente la acumulación de nieve pesada (mayor a 2 pulgadas), pero por debajo de ese umbral pueden derretir la nieve ‘bastante eficazmente’. De hecho, comienzan a descongelar la nieve en el instante en que comienza a acumularse.
Según Deb, la liberación gradual de calor puede descongelar con éxito la superficie del hormigón, eliminando la necesidad de pre-salar antes de una nevada intensa. Sin embargo, debe señalarse que el material necesita un tiempo de recarga entre eventos de nieve o congelación‑descongelación para funcionar eficazmente. Si no vuelve a su estado líquido en ese momento, el rendimiento puede disminuir.
Ahora que el equipo comprende cómo se comporta el hormigón que incorpora PSM en la naturaleza, trabajará en mejorar el sistema para optimizarlo para un calentamiento más prolongado y un mayor derretimiento. Los investigadores necesitan recopilar más datos para entender la efectividad a largo plazo del material y realizar un estudio para determinar cómo este método podría extender la vida útil del hormigón.
Esto es solo el último avance en la mejora de la infraestructura mientras se protege el medio ambiente, ya que organizaciones y gobiernos trabajan en encontrar mejores formas de manejar las estaciones frías y cálidas. Recientemente, informamos cómo científicos de la Universidad de California detallaron cómo reducir los costos de calefacción y refrigeración mediante tejas de techo adaptativas. Las tejas cuentan con un interruptor radiante o un dispositivo de termorregulación pasiva para responder a una gama de temperaturas.
Otra solución ha sido un recubrimiento inteligente para techos de todas las estaciones desarrollado en la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio Berkeley, que mantiene las casas cálidas durante el invierno y frescas durante el verano sin requerir gas natural ni electricidad. Utiliza un nuevo material llamado recubrimiento radiante adaptativo a la temperatura (TARC) que desactiva automáticamente el enfriamiento radiante en invierno para asegurar que no haya sobreenfriamiento ni desperdicio de energía. Todo esto muestra un futuro más brillante para nosotros y nuestro planeta.
Trabajando en el Mantenimiento Invernal
Ahora, echemos un vistazo a algunos de los nombres en la industria que ofrecen soluciones de deshielo y están involucrados en la búsqueda de opciones más innovadoras:
#1. Clear Roads
Este programa reúne a profesionales del transporte e investigadores de todo el país para impulsar la innovación en el mantenimiento invernal. Clear Roads evalúa materiales, equipos y métodos en condiciones reales para encontrar las mejores tecnologías y soluciones que ayuden a ahorrar dinero, aumentar la eficiencia y mejorar la seguridad.
En su 2024 TRB Annual Meeting, el programa se centró en temas como la implementación de inventario de pilas de sal usando mediciones LiDAR, la sostenibilidad de la sal, la inteligencia artificial y la modelización de la fricción vial. También abordó la predicción de condiciones de la superficie de carreteras invernales mediante un enfoque basado en datos, un modelo de predicción de temperatura del pavimento invernal basado en aprendizaje por transferencia y redes neuronales de memoria a largo y corto plazo, el desarrollo de un prototipo de gemelo digital para el mantenimiento de carreteras invernales, el futuro del clima de carreteras y más.
#2. Cargill
La empresa ofrece soluciones de deshielo para carreteras y autopistas. Las soluciones de mantenimiento invernal efectivas de Cargill minimizan el impacto ambiental así como los costos asociados. La amplia gama de productos de la empresa incluye deshielantes granulares, anti‑hielos, sistemas automatizados de producción de salmuera y aditivos, y soluciones para recubrimientos de pavimento.
En la segunda mitad del año pasado, se informó que la empresa ha estado buscando deshacerse de una selección de sus negocios de sal de deshielo en EE. UU., los cuales en ese momento generaban aproximadamente 40 millones de dólares de EBITDA sobre unos ingresos de alrededor de 375 millones de dólares.
Los activos que la empresa busca vender consisten en instalaciones que extraen, procesan y transportan sales de deshielo a municipios, agencias gubernamentales y empresas comerciales privadas en todo el país para su uso en carreteras durante tormentas invernales. Esto ocurrió después de que Cargill cerrara su tercera mina de sal en Avery Island, Luisiana, en 2022.
#3. Clariant
Esta ofrece deshielo de aviones, un sector en crecimiento proyectado a alcanzar 1,83 mil millones de dólares en los próximos siete años con una tasa de crecimiento anual compuesta del 5 %. Norteamérica lidera este crecimiento gracias a la robusta industria de aviación de la región. Los sistemas de deshielo de aviones son críticos para despegues y aterrizajes seguros.
Además del deshielo de aviones, Clariant ofrece soluciones de reciclaje y asistencia a clientes para superar dificultades operativas en condiciones climáticas adversas en la pista. Para ello, ha desarrollado fluidos de deshielo extremadamente efectivos que mantienen las superficies de los aviones libres de nieve y hielo. La empresa también se especializa en el deshielo de la pista y en productos químicos anti‑hielo.
Conclusión
Así que, como vimos, el hormigón autocalentado es una gran invención que puede usarse para construir pavimentos, entradas de vehículos, cubiertas de puentes y muchos otros tipos de superficies planas. El producto desarrollado también ayuda a mejorar la durabilidad y vida útil del hormigón, ahorrando dinero en el mantenimiento de carreteras, mano de obra y uso de productos, al mismo tiempo que ayuda a prevenir la oxidación de los automóviles y la contaminación de los acuíferos por exceso de sal. Investigaciones como esta no solo son beneficiosas para los humanos, sino también para el medio ambiente, ayudando a mejorar nuestras vidas mientras se protege el ecosistema.
