Itselämpenevä betoni voi auttaa teitä, vesistöjä ja lompakoita

Pohjois-Amerikan kylmää ilmastoa omaavilla alueilla lumisade ja jäätymis‑sulaus‑syklit ovat melko yleisiä talvikausina. Tämä johtaa lumen kerääntymiseen betoniteille ja -lattioille sekä betonin jäätymis‑sulausvaurioihin.

Kuitenkin Drexelin yliopiston kampuksella on betoni­osa, joka esittelee tulevaisuuden pakkasvapaiden jalkakäytävien ja teiden mahdollisuuksia. Tämä osa sijaitsee suoraan yliopiston pysäköintialueen vieressä.

Se koostuu kahdesta 30 tuumaa x 30 tuuman laastasta, jotka ovat puhdistaneet lunta ja jäätyvää sadetta itsenäisesti, ilman että kukaan on kaivannut, suolannut tai raapinut, jopa kolmen vuoden ajan. Mutta se ei ole ihme; kyseessä on itselämpenevä betoni.

Viime viikolla Drexelin insinööritieteiden tiedekunnan tutkijat raportoivat, miten he loivat tämän erityisen betonin, joka pystyy lämpiämään, kun lämpötila laskee pakkasen puolelle tai sataa lunta.

Julkaistu Journal of Materials in Civil Engineering -lehdessä, artikkeli käsittelee itselämpenevän betonin kehittämistä käyttäen matalan lämpötilan faasimuutospohjaisia materiaaleja (PCM).

Nämä kokeet toteutettiin Drexelin yliopiston Advanced Infrastructure Materials (AIM) -laboratoriossa. Kokeiden rahoituksen antoi Yhdysvalloissa toimiva Compass Minerals, ja MicroTek Laboratories toimitti tutkimukseen tarvittavat materiaalit.

Tutkimuksen tekivät Amir Farnam, Ph.D., associate professor; tohtorikoulutettava Robin Deb; kandidaatit Nishant Shrestha, Kham Phan ja Mohamed Cissao; sekä tohtorikandidaatit Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai ja Parsa Namakiaraghi, kaikki insinööritieteiden tiedekunnasta.

Tämän itselämpenevän betonin tavoitteena, kuten Farnam selittää, on pidentää teiden ja erilaisten pintojen käyttöikää. Erityisesti se auttaa näitä betonielementtejä pitämään lämpötilan pakkasen yläpuolella kylmissä ilmastoissa. Ideana on edistää kestävää infrastruktuuria Yhdysvaltojen pohjoisissa alueissa, joissa osavaltiot investoivat vuosittain noin 2,3 miljardia dollaria lumen ja jään poisto‑toimiin.

Jotta voitaisiin estää jäätyminen ja sulaminen sekä vähentää auraus‑ ja suolaustarvetta, uusi kokeilu esittelee erityisiä metalleja betonissa, jotka auttavat ylläpitämään korkeampaa pintalämpötilaa ilmaston muuttuessa.

Tätä materiaalia on kehitetty noin puoli vuosikymmentä, tavoitteena vähentää jäätymistä, sulamista ja suolausta, jotka heikentävät teitä ja muita betonielementtejä. Itselämpenevä betoni pystyy sulattamaan lunta ja hidastamaan tai estämään jään muodostumista pitkän aikaa.

Aiemmin itselämpenevä betoni on osoittanut suurta potentiaalia ja menestystä hallituissa laboratoriotesteissä, mutta nyt sen käyttökelpoisuus on myös todistettu todellisessa ulkoilmassa. Se osoitti, että itselämpenevä betoni voi todella sulattaa lunta ilman ihmisen apua tai lämmitysjärjestelmiä. Se pystyy tekemään sen itsenäisesti käyttäen vain ympäristön päivän lämpöenergiaa.

“Tämä itselämpenevä betoni soveltuu Yhdysvaltojen vuoristo- ja pohjoisalueille, kuten Koillis‑Pennsylvanialle ja Philadelphialle, joissa talvella on sopivat lämmitys‑ ja jäähdytyssyklit.”

– Farnam

Matalalämpötilainen faasimuutosmateriaali

Kyseinen materiaali, joka auttoi tutkimusta saavuttamaan itselämpenevän betonin, on matalalämpötilainen nestemäinen parafiini. Tämä on faasimuutospohjainen materiaali (PCM), mikä tarkoittaa, että kun ympäristön lämpötila laskee noin 0 °C tai 32 °F, se vapauttaa haluttua määrää lämpöä muuttuessaan nestemäisestä huoneenlämpötilasta kiinteäksi. Tämä johtaa kerääntyneen lumen ja jään asteittaiseen sulamiseen.

Vaikka ryhmä on aiemmin raportoitu, että materiaalin sisällyttäminen betoniin käynnistää lämmön, kun lämpötila laskee, viimeisin tutkimus sisälsi itselämpenevän betonin suorituskyvyn arvioinnin sekä laboratoriolämpöolosuhteissa että ulkoisissa reaaliaikaisissa olosuhteissa syksyn ja talven aikana.

Ohjelman tarkoituksena oli optimoida betoniseosten suunnittelut maksimaalisen PCM-sisällytyksen saavuttamiseksi ja karakterisoida PCM‑morttien lämpöominaisuudet käyttäen LGCC:tä. LGCC, eli pitkittäinen suojattu vertailukalorimetria, on testilaite, jota käytetään betoni­näytteiden lämpöominaisuuksien ja lämmönvirran kvantifiointiin.

Lisäksi tavoitteena on ollut käsitellä suurikokoisia betoni­laattoja faasimuutosmateriaalilla laboratoriotilojen ulkopuolella luonnollisissa olosuhteissa, jotta voidaan arvioida niiden tehokkuutta lumen sulattamisessa ja niiden lämpötehoa reaaliaikaisesti jäätymis‑sulaustapahtumia vastaan. Tapahtumat viittaavat tilanteisiin, joissa lämpötila laskee riittävän alhaiseksi veden jäädyttämiseksi (32 °F tai 0 °C) ja sitten nousee riittävän korkeaksi sulamiseksi.

Nyt, materiaalin integroimiseksi betoniin, tiimi käytti kahta menetelmää. Tämä sisälsi mikrokapseloitua PCM:ää (MPCM), jossa parafiinin mikrokapselit sekoitetaan suoraan betoniin. Toinen lähestymistapa oli upottaa nestemäinen faasimuutosmateriaali huokoisiin kevyisiin aggregaatteihin (PCM‑LWA), jolloin betonia muodostavien pienten kivien fragmentit käsiteltiin parafiinilla. Nämä pienet kivet ja sora imevät nestemäisen parafiinin ennen kuin ne sisällytetään betoniin.

Kokeessaan tutkijat käyttivät kolmea laattoa: yksi valettu MPCM‑menetelmällä, toinen PCM‑LWA‑menetelmällä, ja kolmas ilman faasimuutosmateriaalia kontrollina.

Nämä laatat ovat olleet alttiina luonnolliselle ilmastolle joulukuusta 2021 lähtien. Tänä aikana kaikki kolme kokivat 32 jäätymis‑sulaustapahtumaa, kun lämpötila laski pakkasen puolelle. Näiden kahden ensimmäisen vuoden aikana ne myös kokivat viisi yli tuuman lumen sataa. Lämpötilan ja laattojen käyttäytymisen seurantaan tiimi käytti kameroita ja lämpösensoreita.

Kun ilman lämpötila laski pakkasen puolelle, tutkijat havaitsivat, että PCM‑laatat ylläpitivät pintalämpötilaa 42–55 Fahrenheit‑asteen (5,56–12,78 Celsius‑asteen) välillä jopa 10 tunnin ajan. Tämä riittää sulattamaan muutaman tuuman lumen. Kuitenkin tapahtuu hitaasti, noin neljännes tuumaa lunta tunnissa. Vaikka lämpö ei ole riittävän korkea raskaiden lumen sulattamiseen, se voi auttaa pitämään tiepinnan jäästä vapautettuna ja parantamaan liikenneturvallisuutta.

Tämä on hyödyllistä estämään teiden heikkenemistä, sillä äärimmäiset kylmenemiset ja sen jälkeen lämpenemiset aiheuttavat pinnan laajenemista ja supistumista, mikä rasittaa rakenteellista eheyttä ja voi ajan myötä johtaa halkeiluun ja irtoamiseen. Kaikki tämä luo haavoittuvuuden, joka lopulta johtaa rakenteen sisäiseen epäonnistumiseen, mikä on vältettävä.

“Yksi lupaavista havainnoista on, että faasimuutosmateriaalia sisältävät laatat pystyivät vakauttamaan lämpötilansa pakkasen yläpuolelle, kun ympäristön lämpötila laski.”

– Deb

Infrastruktuurin käyttöiän pidentämisen lisäksi se voi myös säästää rahaa tie­huollossa. Kansallisen maanteiden hallinnon arvioiden mukaan miljoonia dollareita käytetään talviolosuhteiden aiheuttamien tie­vahinkojen korjaamiseen. Lisäksi suolan tarpeen poistaminen säästää sekä työvoima- että suolakustannuksia ja estää autojen ruostumista. Tämä lähestymistapa myös auttaa estämään ylimääräisen suolan saastuttamasta vesistöjä, varmistaen niiden pysymisen turvallisina ihmiskäyttöön.

Asteittainen edistyminen, kasvupotentiaali 

Ryhmä tutki itselämpenevää betonia eri mittakaavoissa ja havaitsi, että PCM osoitti tyydyttävää alijäähtymistä, pitkäaikaista lämpöstabiilisuutta ja suurta sulamislämpöenergiaa. Kaiken kaikkiaan molemmat materiaalilla varustetut betonilaattat osoittivat positiivisia lumen sulatuskykyjä samalla vähentäen talvella tapahtuvien jäätymis‑sulaus‑syklien määrää, tutkimustulosten mukaan.

Huokoisilla kevyillä aggregaateilla (PCM‑LWA) käsiteltyä laattoa havaittiin paremmaksi jäätymis‑sulaus‑syklien (F‑T) määrän vähentämisessä. Tämä johtui PCM:n suhteellisesta jakautumisesta huokosten sisällä ja alijäähtymisen ilmiöstä, jonka aiheuttaa LWA‑huokosten verkoston puristuspainetta.

Tämä puolestaan mahdollisti latenttilämmön vapautumisen asteittain. Alijäähtyminen tuottaa faasimuutoksen laajemmalla matalan lämpötilan alueella, eli 3,94 °C – −13,04 °C (39,09 °F – 8,52 °F). Näin ollen PCM‑LWA‑menetelmä todettiin tehokkaammaksi lumen sulattamisessa tällä matalan lämpötilan alueella.

Samaan aikaan MPCM‑betonia “kerran‑kerran” -lämpövapautus ilmiö auttaa sitä sulattamaan lunta nopeasti. Mikrokapseloituja faasimuutosmateriaalia (MPCM) sisältävä laatta lämpiää nopeammin, mutta pystyi ylläpitämään lämmön vain puoli niin kauan kuin LWA‑PCM.

Joten, kun PCM‑LWA‑laatat pystyivät pitämään lämmön vapautuksen, kunnes materiaali saavutti 39 °F, MPCM alkoi vapauttaa lämpöä jo 42 °F lämpötilassa, mikä johti sen suhteellisen lyhyempään aktivointijaksoon.

Tämän seurauksena tiimi totesi, että PCM‑LWA‑menetelmä soveltuu paremmin jääpoistokäyttöön alimmissa nollan alaisissa lämpötiloissa.

Vaikka molemmat sovellukset pystyvät nostamaan betonin lämpötilan 53–55 °F välillä, lumisateen määrä ja ilman lämpötila ennen lumisadetta vaikuttavat sekä PCM‑LWA‑ että MPCM‑suorituskykyyn.

PCM:llä varustetut päällysteet eivät pystyneet täysin sulattamaan raskasta lumen kertymää (yli 2 tuumaa), mutta tätä alempana ne voivat sulattaa lumisateen “melko tehokkaasti”. Ne alkavat sulattaa lumen heti, kun se alkaa kerääntyä.

Deb:n mukaan lämmön asteittainen vapautuminen voi onnistuneesti sulattaa betonipinnan, poistaen tarvetta esisuolaamiseen ennen raskasta lumisadetta. On kuitenkin huomattava, että materiaali tarvitsee jonkin latausajan lumen tai jäätymis‑sulaustapahtumien välillä toimiakseen tehokkaasti. Jos se ei palaa nestemäiseen tilaansa, suorituskyky voi heikentyä.

Nyt kun tiimi ymmärtää, miten PCM:ää sisältävä betoni käyttäytyy luonnossa, se pyrkii parantamaan järjestelmää optimoidakseen pidemmän lämmityksen ja suuremman sulamisen. Tutkijoiden täytyy kerätä lisää dataa materiaalin pitkäaikaisesta tehokkuudesta ja toteuttaa tutkimus selvittääkseen, miten tämä menetelmä voisi pidentää betonin käyttöikää.

Tämä on vain viimeisin edistysaskel infrastruktuurin parantamisessa samalla kun suojellaan ympäristöä, kun organisaatiot ja hallitukset etsivät parempia tapoja käsitellä kylmiä ja lämpimiä kausia. Äskettäin raportoimme, miten Kalifornian yliopiston tutkijat kuvasivat, miten lämmitys- ja jäähdytyskustannuksia voidaan vähentää adaptiivisten kattotiilien avulla. Tiilet sisältävät säteilykytkimen tai passiivisen termoregulaatio‑laitteen, joka reagoi erilaisiin lämpötiloihin.

Toinen ratkaisu on ollut koko vuoden älykäs kattopäällyste, jonka on kehittänyt Berkeley Labin Materials Sciences Division, ja joka pitää kodit lämpiminä talvella ja viileinä kesällä ilman maakaasua tai sähköä. Se hyödyntää uutta materiaalia, jota kutsutaan lämpötilaan sopeutuvaksi säteilypäällysteeksi (TARC), joka automaattisesti poistaa säteilyjäähdytyksen talvella varmistaen, ettei ylikylmentymistä tai energian hukkaa tapahdu. Kaikki tämä osoittaa valoisamman tulevaisuuden meille ja planeetallemme.

Talvihoidon kehittäminen

Katsotaanpa nyt joitakin alan nimiä, jotka tarjoavat jääpudotusratkaisuja ja osallistuvat innovatiivisempien vaihtoehtojen etsimiseen: 

#1. Clear Roads

Ohjelma kokoaa yhteen liikennealan ammattilaisia ja tutkijoita eri puolilta maata edistämään innovaatiota talvihoidossa. Clear Roads arvioi materiaaleja, laitteita ja menetelmiä todellisissa olosuhteissa löytääkseen parhaat teknologiat ja ratkaisut, jotka auttavat säästämään rahaa, lisäämään tehokkuutta ja parantamaan turvallisuutta.

Vuoden 2024 TRB Annual Meeting, ohjelma keskittyi aiheisiin, kuten suolan varastointitilaston toteuttamiseen LiDAR-mittauksilla, suolan kestävyyteen, tekoälyyn ja tiepinnan kitkamenetelmien mallintamiseen. Se käsitteli myös talviaikojen tiepinnan olosuhteiden ennustamista data‑pohjaisella lähestymistavalla, talvi‑asfalttilämpötilan ennustemallia, joka perustuu siirtooppimiseen sekä pitkä‑ ja lyhyt‑aikaisiin muistikoneverkkoihin, digitaalisen kaksosen prototyypin kehittämistä talvihoitoon, tie‑sään tulevaisuutta ja muuta.

#2. Cargill

Yritys tarjoaa jääpudotusratkaisuja teille ja moottoriteille. Cargillin tehokkaat talvihoitoratkaisut minimoivat ympäristövaikutukset sekä niihin liittyvät kustannukset. Yrityksen laaja tuotevalikoima sisältää rakeisia sulatusaineita, anti‑sulatusaineita, automatisoituja suolaliuosjärjestelmiä ja lisäaineita sekä ratkaisuja päällysteen päällystämiseen.

Viime vuoden toisella puoliskolla raportoitiin, että yritys on etsimässä mahdollisuutta myydä osan Yhdysvaltojen jääpudotus‑suolaliiketoiminnastaan, joka tuolloin tuotti noin 40 miljoonaa dollaria EBITDA:ta noin 375 miljoonan dollarin liikevaihdosta.

Myyntiin suunniteltuihin omaisuuksiin kuuluvat laitokset, jotka louhivat, prosessoivat ja kuljettavat jääpudotus‑suoloja kunnille, viranomaisille ja yksityisille yrityksille ympäri maata käytettäväksi teiden talviolosuhteissa. Tämä tapahtui sen jälkeen, kun Cargill sulki kolmannen suolakaivoksensa Avery Islandissa, Louisianassa, vuonna 2022.

#3. Clariant

Tämä yritys tarjoaa lentokoneiden jääpudotusta, kasvavaa sektoria, jonka ennustettu on 1,83 miljardia dollaria seuraavan seitsemän vuoden aikana 5 %:n CAGR‑kasvulla. Pohjois‑Amerikka johtaa tätä kasvua vahvan ilmailualansa ansiosta. Lentokoneiden jääpudotusjärjestelmät ovat kriittisiä turvallisille nousuille ja laskuille.

Lentokoneiden jääpudotuksen lisäksi Clariant tarjoaa kierrätysratkaisuja ja apua asiakkaille, jotta he voivat selviytyä operatiivisista haasteista epäsuotuisissa sääolosuhteissa kiitoradalla. Tämän vuoksi se on kehittänyt erittäin tehokkaita jääpudotusnesteitä, jotka pitävät lentokoneiden pinnat lumesta ja jäästä vapaina. Yritys on myös erikoistunut kiitoradan jääpudotukseen ja anti‑jääkemikaaleihin.

Yhteenveto 

Kuten näimme, itselämpenevä betoni on merkittävä keksintö, jota voidaan käyttää päällystämään teitä, ajoteitä, silta‑alustoja ja monia muita tasorakenteita. Kehitetty tuote parantaa myös betonin kestävyyttä ja käyttöikää, säästää rahaa tie­huollossa, työvoimassa ja tuotteen käytössä sekä auttaa estämään autojen ruostumista ja ylimääräisen suolan saastuttamasta vesistöjä. Tällainen tutkimus ei ole vain hyödyllistä ihmisille, vaan myös ympäristölle, sillä se parantaa elämäämme suojellen samalla ekosysteemiä.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten hiilikarbidi‑läpimurto avaa ovia merkittäviin edistysaskeliin materiaalitieteessä.