Materiaalitiede
Itsestään lämpenevä betoni voi auttaa teitämme, pohjavesikerroksiamme ja lompakoitamme
Securities.io noudattaa tiukkoja toimituksellisia standardeja ja voi saada korvausta tarkistetuista linkeistä. Emme ole rekisteröity sijoitusneuvoja, eikä tämä ole sijoitusneuvontaa. Katso lisätietoja tytäryhtiöiden ilmoittaminen.
Pohjois-Amerikan alueilla, joilla on kylmä ilmasto, lumisateet ja jäätymis-sulamisjaksot ovat melko yleisiä talvikaudella. Tämä johtaa lumen kerääntymiseen betoniteille ja tasotteisiin ja betonin jäätymis-sulamisvaurioihin.
Drexel-yliopiston kampuksella on kuitenkin betonialue, joka esittelee tulevaisuuden sulattomia jalkakäytäviä ja moottoriteitä. Tämä alue sijaitsee aivan yliopiston pysäköintialueen vieressä.
Kyseessä on kaksi 30 cm x 30 cm kokoista laattaa, jotka ovat auranneet lunta ja jäätyvää sadetta itse ilman, että kukaan on lapioinut, suolannut tai romuttanut niitä jo kolmen vuoden ajan. Mutta se ei ole ihme; kyse on itsekuumentuvasta betonista.
Joten viime viikolla Drexelin teknillisen korkeakoulun tutkijat kertoivat kuinka he loivat tämän erikoisbetonin joka voi lämmetä, kun lämpötila laskee jäätymiselle tai sataa lunta.
Journal of Materials in Civil Engineering -lehdessä julkaistu artikkeli käsittelee itsekuumenevan betonin kehittämistä käyttämällä matalan lämpötilan faasimuutosmateriaaleja tai PCM:ää.
Nämä kokeet tehtiin Drexel Universityn Advanced Infrastructure Materials (AIM) -laboratoriossa. Yhdysvaltalainen Compass Minerals tarjosi taloudellista tukea näiden kokeiden suorittamiseen, kun taas MicroTek Laboratories toimitti materiaalit tutkimustarkoituksiin.
Tutkimuksen suoritti Amir Farnam, Ph.D., apulaisprofessori; tohtoriopiskelija Robin Deb; opiskelijat Nishant Shrestha, Kham Phan ja Mohamed Cissao; sekä tohtorikandidaatit Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai ja Parsa Namakiaraghi, jotka kaikki kuuluvat College of Engineeringiin.
Kuten Farnam selittää, tällä itsestään lämpenevällä betonilla tavoitteena on pidentää teiden ja erilaisten pintojen käyttöikää. Tarkemmin sanottuna se auttaa näitä betonipintoja pitämään lämpötilat pakkasen yläpuolella kylmässä ilmastossa. Ajatuksena on edistää kestävää infrastruktuuria Yhdysvaltojen pohjoisilla alueilla, missä osavaltiot investoivat vuosittain noin 2.3 miljardia dollaria lumen ja jään poistoon.
Joten jäätymisen ja sulamisen estämiseksi sekä kyntämisen ja suolauksen vähentämiseksi pinnan murenemisen estämiseksi uudessa kokeessa betoniin tuodaan erikoismetalleja, jotka auttavat pitämään korkeamman pintalämpötilan ilmaston muuttuessa.
Tätä materiaalia on kehitetty noin puoli vuosikymmentä, ja sen tavoitteena on vähentää teihin ja muihin betonipintoihin haitallista jäätymistä, sulamista ja suolaamista. Itsekuumenevalla betonilla on raportoitu olevan kyky sulattaa lunta ja hidastaa tai estää jään muodostumista pitkäksi aikaa.
Itsekuumeneva betoni on tähän asti osoittanut suurta potentiaalia ja menestystä kontrolloidussa laboratorioympäristössä, mutta nyt sen elinkelpoisuus on osoitettu myös todellisessa maailmassa, ulkoisessa luonnonympäristössä. Ja se osoitti, että itsekuumeneva betoni voi itse asiassa sulattaa lunta ilman ihmisen apua tai lämmitysjärjestelmiä. Se voi itse asiassa tehdä sen yksin käyttämällä vain ympäristön päivälämpöenergiaa.
"Tämä itsestään kuumeneva betoni sopii USA:n vuoristoisille ja pohjoisille alueille, kuten Koillis-Pennsylvaniaan ja Philadelphiaan, joissa on sopivat lämmitys- ja jäähdytysjaksot talvella."
– Farnam
Matalan lämpötilan vaihe muuttaa materiaalia
Kyseinen materiaali, joka auttoi tutkimuksessa itsekuumenevaa betonia, on matalan lämpötilan nestemäinen parafiini. Tämä on faasimuutosmateriaali (PCM), mikä tarkoittaa, että kun ympäristön lämpötila laskee ~0 °C:seen tai 32 °Fahrenheitiin, se vapauttaa toivottuja määriä lämpöä muuttuessaan huoneenlämpötilastaan nestemäisestä tilastaan kiinteäksi. Tämä johtaa kertyneen lumen ja jään asteittaiseen sulamiseen.
Vaikka ryhmä on aiemmin raportoinut, että materiaalin lisääminen betoniin aktivoi lämpenemisen aivan lämpötilan laskiessa, viimeisin... tutkimus mukana arvioitiin itsekuumenevan betonin suorituskykyä sekä laboratorion lämpöolosuhteissa että ulkona reaaliaikaisissa olosuhteissa syksyn ja talven aikana.
Ohjelman tarkoituksena oli optimoida betoniseosten suunnittelu PCM:n maksimaalisen lisäämisen saavuttamiseksi ja karakterisoida PCM-laastiesimerkkien lämpöominaisuuksia LGCC:n avulla. LGCC eli pitkittäissuuntainen vertaileva kalorimetria on testilaite, jota käytetään betoninäytteiden lämpöominaisuuksien ja lämmönvirtauksen kvantifiointiin.
Lisäksi ajatuksena on ollut suuren mittakaavan betonilaattojen käsittely faasinmuutosmateriaalilla laboratorion ulkopuolella luonnollisissa olosuhteissa, jotta voidaan arvioida niiden tehokkuutta lumen sulatuksessa ja lämpötehokkuutta reaaliajassa jäätymis-sulamistapahtumia vastaan. Tapahtumat viittaavat siihen, kun lämpötilat laskevat tarpeeksi veden jäätymiseen, mikä tapahtuu 32 °F tai 0 °C:ssa, ja sitten nousevat tarpeeksi, jotta se sulaa uudelleen.
Nyt materiaalin integroimiseksi betoniin tiimi käytti kahta menetelmää. Tähän sisältyi mikrokapseloitu PCM (MPCM), jossa parafiinimikrokapselit sekoitetaan suoraan betoniin. Toinen lähestymistapa oli nestefaasinmuutosmateriaalin upottaminen huokoisiin kevyisiin kiviaineksiin (PCM-LWA), joiden alla betonin muodostavien pienten kivien palaset käsiteltiin parafiinilla. Nämä pienet kivet ja kivet imevät nestemäisen parafiinin ennen kuin ne liitetään betoniin.
Kokeessaan tutkijat käyttivät kolmea levyä: yksi kaadettiin MPCM-menetelmällä, toinen PCM-LWA-menetelmällä ja kolmas, jossa ei ollut faasimuutosmateriaalia kontrollina.
Nämä laatat ovat olleet luonnon ilmaston vaikutusten kohteena joulukuusta 2021 lähtien. Tänä aikana kaikki kolme kokivat 32 jäätymis-sulamisvaihetta, joissa lämpötilat laskivat pakkasen puolelle. Näiden kahden ensimmäisen vuoden aikana ne kohtasivat myös viisi vähintään XNUMX cm:n lumisadetta. Lämpötilan ja laattojen käyttäytymisen seuraamiseen tiimi käytti kameroita ja lämpöantureita.
Kun ilman lämpötila putosi pakkasen alapuolelle, tutkijat havaitsivat, että PCM-levyt pitivät pintalämpötilaa välillä 42-55 Fahrenheit-astetta (5.56-12.78 Celsius-astetta) jopa 10 tunnin ajan. Tämä riittää sulattamaan muutaman sentin lumen. Tämä tapahtuu kuitenkin hitaasti, noin neljännes tuumaa lunta tunnissa. Vaikka se ei ole tarpeeksi lämmin sulattamaan raskaan lumen, se voi auttaa pitämään tienpinnan puhtaana ja lisäämään kuljetusturvallisuutta.
Tämä on hyödyllistä teiden huononemisen estämisessä, koska äärimmäisen jäähtymisen ja sitten lämpenemisen jaksot saavat pinnan laajenemaan ja supistumaan, mikä rasittaa sen rakenteellista eheyttä ja saattaa johtaa halkeiluihin ja halkeilemiseen ajan myötä. Kaikki tämä luo haavoittuvuuden, joka lopulta johtaa rakenteen epäonnistumiseen sisältäpäin, jota on vältettävä.
"Yksi lupaavista havainnoista on, että faasinmuutosmateriaaleja sisältävät laatat pystyivät vakauttamaan lämpötilansa jäätymisen yläpuolelle, kun ympäristön lämpötilat laskivat."
– Deb
Sen lisäksi, että se auttaa pidentämään infrastruktuurin käyttöikää, se voi myös säästää rahaa tienhoidossa. National Highway Administrationin arvioiden mukaan miljoonia dollareita käytetään talvisään vahingoittamien teiden korjaamiseen. Lisäksi poistamalla suolauksen tarpeen valtiot voivat säästää työvoima- ja suolakustannuksissa, mutta myös estää autoja ruostumasta. Tämä lähestymistapa auttaa myös välttämään vesipitoisten kerrosten saastuttamista liiallisella suolalla ja varmistaa, että ne pysyvät turvallisina ihmisten käyttöön.
Asteittainen edistyminen, kasvupotentiaali
Ryhmä tutki itsekuumenevaa betonia eri mittakaavassa ja havaitsi PCM:n olevan tyydyttävä alijäähtyminen, pitkäaikainen lämpöstabiilius ja korkea sulamisentalpia. Kaiken kaikkiaan molemmat betonilaatat, joissa oli materiaalia, osoittivat positiivisia lumen sulamiskykyjä samalla, kun ne alensivat jäätymis-sulamisjaksojen määrää talvella tutkimustulosten mukaan.
Huokoisilla kevyillä kiviaineksilla (PCM-LWA) käsitellyn laatan havaittiin vähentävän paremmin jäätymis-sulatusjaksojen (FT) määrää. Tämä johtui PCM:n suhteellisesta vapautumisesta huokosten sisällä ja LWA-huokosverkoston rajoituspaineen aiheuttamasta alijäähdytysilmiöstä.
Tämä puolestaan mahdollisti piilevän lämmön vapautumisen asteittain. Alijäähdytys synnyttää faasimuunnoksen laajemmalla matalissa lämpötiloissa, toisin sanoen 3.94 °C - -13.04 °C tai 39.09 °F - 8.52 °F. Tästä syystä PCM-LWA-menetelmän havaittiin olevan tehokkaampi lumen sulatuksessa tällä matalalla lämpötila-alueella.
Samaan aikaan MPCM-betonin "yhden laukauksen" lämmön vapautumisilmiö auttaa sulattamaan lunta nopeasti. Mikrokapseloidulla faasimuutosmateriaalilla (MPCM) käsitelty laatta kykeni kuumentumaan nopeammin, mutta pystyi ylläpitämään lämpenemistä vain puolet niin kauan kuin LWA-PCM.
Joten vaikka PCM-LWA-levyt pystyivät pitämään lämpöenergiansa vapautumisen, kunnes materiaali saavutti 39 Fahrenheit-astetta, MPCM alkoi vapauttaa lämpöään juuri lämpötilan saavuttaessa 42 astetta, mikä myötävaikutti sen suhteellisen lyhyempään aktivointijaksoon.
Tämän seurauksena ryhmä totesi, että PCM-LWA-menetelmä soveltuu paremmin jäänpoistosovelluksiin pakkasessa.
Vaikka molemmat sovellukset pystyvät nostamaan betonin lämpötilaa 53–55 celsiusastetta, lumisateen määrä ja ympäröivän ilman lämpötila ennen lumisadetta vaikuttavat sekä PCM-LWA:n että MPCM:n suorituskykyyn.
Todettiin, että PCM:llä yhdistetyt päällysteet eivät pysty sulattamaan kokonaan raskasta lunta (suurempi kuin 2 tuumaa), mutta tämän alapuolella ne voivat sulattaa lumisateen "melko tehokkaasti". He itse asiassa alkavat sulattaa lunta heti, kun se alkaa kerääntyä.
Debin mukaan lämmön asteittainen vapautuminen voi sulattaa betonin pinnan onnistuneesti, jolloin suolakäsittelyä ei tarvita ennen rankkaa lumisadetta. On kuitenkin huomattava, että materiaali tarvitsee jonkin verran uudelleenlatautumisaikaa lumisateiden tai jäätymis-sulamisjaksojen välillä toimiakseen tehokkaasti. Jos se ei palaa nestemäiseen tilaansa tässä vaiheessa, suorituskyky voi heikentyä.
Nyt kun tiimi ymmärtää, miten PSM:ää sisältävä betoni käyttäytyy luonnossa, se työskentelee järjestelmän parantamiseksi optimoidakseen sen pidempään lämmitykseen ja suurempaan sulamiseen. Tutkijoiden on kerättävä lisää tietoa ymmärtääkseen materiaalin pitkäaikaisen tehokkuuden ja tehtävä tutkimus sen selvittämiseksi, miten tämä menetelmä voisi pidentää betonin käyttöikää.
Tämä on viimeisin edistysaskel infrastruktuurin parantamisessa ja samalla ympäristön säästämisessä, kun organisaatiot ja hallitukset pyrkivät löytämään parempia tapoja käsitellä kylmiä ja kuumia vuodenaikoja. Äskettäin raportoimme, kuinka Kalifornian yliopiston tutkijat yksityiskohtaisesti kuinka leikata lämpö- ja jäähdytyskustannuksia mukautuvilla kattotiileillä. Laatoissa on säteilykytkin tai passiivinen lämmönsäätölaite, joka reagoi eri lämpötiloihin.
Toinen ratkaisu on ollut Berkeley Labin materiaalitieteiden osastolla kehitetty ympärivuotisesti toimiva älykäs kattopinnoite, joka pitää kodit lämpiminä talvella ja viileinä kesällä ilman maakaasua tai sähköä. Se hyödyntää uutta materiaalia nimeltä lämpötilaan mukautuva säteilypinnoite (TARC), joka kytkee säteilyjäähdytyksen automaattisesti pois päältä talvella varmistaakseen, ettei ylijäähdytystä ja energianhukkaa tapahdu. Kaikki tämä ennustaa valoisampaa tulevaisuutta meille ja planeetallemme.
Talvihuoltotyöt
Katsotaanpa nyt joitakin alan toimijoita, jotka tarjoavat jäänpoistoratkaisuja ja ovat mukana etsimässä innovatiivisempia vaihtoehtoja:
# 1. Selkeät tiet
Tämä ohjelma kokoaa yhteen kuljetusalan ammattilaiset ja tutkijat eri puolilta maata edistämään innovaatioita talvikunnossapidossa. Clear Roads arvioi materiaaleja, laitteita ja menetelmiä todellisissa olosuhteissa löytääkseen parhaat tekniikat ja ratkaisut, jotka auttavat säästämään rahaa, lisäämään tehokkuutta ja parantamaan turvallisuutta.
Sen 2024 TRB:n vuosikokous, ohjelma keskittyi sellaisiin aiheisiin kuin suolavarastoinventaario LiDAR-mittausten avulla, suolan kestävyys, tekoäly ja tien kitkamallinnus. Se käsitteli myös talvisten tienpinnan olosuhteiden ennustamista datalähtöisellä lähestymistavalla, talvisen päällysteen lämpötilan ennustemallin, joka perustuu siirtooppimiseen sekä pitkän ja lyhyen aikavälin muistin neuroverkkoihin, digitaalisen kaksoisprototyypin kehittämiseen talviseen tienhoitoon, tulevaisuuden tiesää ja paljon muuta.
# 2. Cargill
Yritys tarjoaa jäänpoistoratkaisuja teille ja moottoriteille. Cargillin tehokkaat talvikunnossapitoratkaisut minimoivat ympäristövaikutukset ja niihin liittyvät kustannukset. Yrityksen laajaan tuotevalikoimaan kuuluvat rakeiset jäänpoistoaineet, jäänestoaineet, automaattiset suolaliuoksen valmistusjärjestelmät ja lisäaineet sekä ratkaisut päällysteiden pinnoitukseen.
Viime vuoden toisella puoliskolla se oli raportoitu että yhtiö on pyrkinyt purkamaan joukon Yhdysvaltojen jäänsulatussuolaliiketoimintojaan, jotka tuottivat tuolloin noin 40 miljoonan dollarin käyttökatteen noin 375 miljoonalla dollarilla.
Yrityksen myytävä omaisuus koostuu laitoksista, jotka louhivat, prosessoivat ja kuljettavat jäänestosuoloja kunnille, valtion virastoille ja yksityisille kaupallisille yrityksille ympäri maan käytettäväksi tiellä talvimyrskyjen aikana. Tämä tapahtui sen jälkeen, kun Cargill sulki kolmannen suolakaivoksensa Avery Islandissa La.issa vuonna 2022.
# 3. Clariant
Tämä tarjoaa lentokoneiden jäänpoiston, kasvava ala ennustetaan odotetaan kasvavan 1.83 miljardiin dollariin seuraavan seitsemän vuoden aikana 5 prosentin vuotuisella kasvuvauhdilla. Pohjois-Amerikka johtaa tätä kasvua alueen vahvan ilmailuteollisuuden ansiosta. Lentokoneiden jäänpoistojärjestelmät ovat ratkaisevan tärkeitä turvallisten nousujen ja laskeutumisten kannalta.
Lentokoneiden jäänpoiston lisäksi Clariant tarjoaa asiakkailleen kierrätysratkaisuja ja apua toiminnallisten vaikeuksien voittamiseksi kiitotien epäsuotuisissa sääolosuhteissa. Tätä varten se on kehittänyt erittäin tehokkaita jäänpoistonesteitä, jotka pitävät lentokoneiden pinnat puhtaana lumesta ja jäästä. Yritys on myös erikoistunut kiitotien jäänpoistoon ja jäänestokemikaaleihin.
Yhteenveto
Joten kuten näimme, itsekuumeneva betoni on iso keksintö, jota voidaan käyttää jalkakäytävien, ajotietien, siltojen kansien ja monien muiden tasorakenteiden rakentamiseen. Kehitetty tuote auttaa myös parantamaan betonin kestävyyttä ja käyttöikää, säästäen rahaa tienhoidossa, työvoimassa ja tuotteiden käytössä samalla, kun se auttaa estämään autojen ruostumista ja ylimääräistä suolaa saastumasta pohjavesikerroksista. Tällainen tutkimus ei ole hyväksi vain ihmisille vaan myös ympäristölle, sillä se auttaa parantamaan elämäämme ja suojelemaan ekosysteemiä.
