Le béton auto-chauffant pourrait aider nos routes, nos aquifères et nos portefeuilles

Dans les régions nord-américaines aux climats froids, les chutes de neige et les cycles de gel-dégel sont assez courants pendant les saisons hivernales. Cela entraîne une accumulation de neige sur les routes et les surfaces en béton et des dommages au béton causés par le gel et le dégel. 

Cependant, sur le campus de l'Université Drexel, une section en béton illustre l'avenir des trottoirs et des autoroutes sans gel. Cette section est située juste à côté du parking de l'université.

Il s'agit de deux dalles de 30 cm sur 30 cm qui ont déblayé la neige et la pluie verglaçante toutes seules, sans pelleter, saler ou gratter, pendant près de trois ans. Mais ce n'est pas un miracle ; il s'agit de béton auto-chauffant. 

Ainsi, la semaine dernière, des chercheurs du Collège d'ingénierie de Drexel a raconté comment ils ont créé ce béton spécial qui peut se réchauffer lorsque la température descend jusqu'à zéro ou qu'il neige.

Publié dans le Journal of Materials in Civil Engineering, l'article traite du développement de béton auto-chauffant utilisant des matériaux à changement de phase à basse température, ou PCM. 

Ces expériences ont été menées au laboratoire AIM (Advanced Infrastructure Materials) de l'université Drexel. Pour mener à bien ces expériences, la société américaine Compass Minerals a apporté son soutien financier, tandis que MicroTek Laboratories a fourni les matériaux nécessaires à la recherche.

L'étude a été menée par Amir Farnam, Ph.D., professeur agrégé ; le doctorant Robin Deb ; les étudiants de premier cycle Nishant Shrestha, Kham Phan et Mohamed Cissao ; et les doctorants Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai et Parsa Namakiaraghi, qui appartiennent tous au Collège d'ingénierie.

Avec ce béton auto-chauffant, l'objectif, comme l'explique Farnam, est de prolonger la durée de vie des routes et autres surfaces. Plus précisément, il permet à ces surfaces de béton de maintenir des températures supérieures à zéro par temps froid. L'objectif est de favoriser la résilience des infrastructures dans les régions du nord des États-Unis, où les États investissent chaque année environ 2.3 milliards de dollars dans les opérations de déneigement et de déglaçage.

Ainsi, afin d’éviter le gel et le dégel ainsi que de réduire le besoin de labour et de salage pour empêcher la surface de s’effriter, la nouvelle expérience introduit des métaux spéciaux dans le béton qui l’aident à maintenir une température de surface plus élevée lorsque le climat change.

Ce matériau est en développement depuis environ une demi-décennie dans le but de réduire le gel, le dégel et le salage qui ont un impact négatif sur les routes et autres surfaces en béton. Le béton auto-chauffant aurait la capacité de faire fondre la neige et de ralentir ou d’empêcher la formation de glace pendant une période prolongée.

Jusqu'à présent, le béton auto-chauffant a montré un grand potentiel et un grand succès dans un laboratoire contrôlé, mais sa viabilité a désormais également été démontrée dans le monde réel, l'environnement naturel extérieur. Et cela a montré que le béton auto-chauffant peut réellement faire fondre la neige sans avoir besoin d’aide humaine ni de systèmes de chauffage. Il peut en fait le faire tout seul en utilisant uniquement l’énergie thermique diurne de l’environnement. 

« Ce béton auto-chauffant convient aux régions montagneuses et du nord des États-Unis, comme le nord-est de la Pennsylvanie et Philadelphie, où il existe des cycles de chauffage et de refroidissement adaptés en hiver. » 

-Farnam

Le matériau change de phase à basse température

Le matériau en question, qui a permis à l’étude d’obtenir un béton auto-échauffant, est de la paraffine liquide à basse température. Il s'agit d'un matériau à changement de phase (PCM), ce qui signifie que lorsque la température ambiante tombe à ∼0°C ou 32 °Fahrenheit, il libère des quantités souhaitables de chaleur lorsqu'il passe de son état liquide à température ambiante à celui d'un solide. Cela conduit à la fonte progressive de la neige et de la glace accumulées.

Bien que le groupe ait précédemment rapporté que l'incorporation du matériau dans le béton active le chauffage au moment même où il y a une baisse de température, la dernière Une étude consistait à évaluer la performance du béton auto-chauffant dans des conditions thermiques de laboratoire et dans des conditions extérieures en temps réel pendant les saisons d'automne et d'hiver. 

L'objectif du programme était d'optimiser les formules de mélange de béton pour une incorporation maximale de PCM et de caractériser les propriétés thermiques d'échantillons de mortier PCM à l'aide de la calorimétrie comparative longitudinale gardée (LGCC). La LGCC, ou calorimétrie comparative longitudinale gardée, est un dispositif d'essai utilisé pour quantifier les propriétés thermiques et le flux thermique des échantillons de béton. 

De plus, l'idée a été de faire traiter des dalles de béton à grande échelle avec un matériau à changement de phase en dehors du laboratoire dans des conditions naturelles pour évaluer leur efficacité dans la fonte des neiges et leurs performances thermiques en temps réel contre les événements de gel-dégel. Les événements font référence au moment où les températures chutent suffisamment pour geler l'eau, ce qui se produit à 32°F ou 0°C, puis augmentent suffisamment pour qu'elle dégèle à nouveau. 

Désormais, pour intégrer le matériau dans le béton, l'équipe a eu recours à deux méthodes. Cela comprenait du PCM microencapsulé (MPCM), dans lequel des microcapsules de paraffine sont directement mélangées au béton. L'autre approche consistait à immerger le matériau à changement de phase liquide dans des granulats légers poreux (PCM-LWA), sous lesquels des fragments de petites pierres composant le béton étaient traités avec de la paraffine. Ces petites pierres et galets absorbent la paraffine liquide avant de l'incorporer au béton.

Dans leur expérience, les chercheurs ont utilisé trois dalles : une coulée selon la méthode MPCM, la seconde avec le PCM-LWA et la troisième sans matériau à changement de phase comme témoin. 

Ces plaques sont exposées au climat naturel depuis décembre 2021. Durant cette période, elles ont toutes trois connu 32 épisodes de gel-dégel, avec des températures négatives. Au cours de ces deux premières années, elles ont également subi cinq chutes de neige d'au moins XNUMX cm. Pour surveiller la température et le comportement des plaques, l'équipe a utilisé des caméras et des capteurs thermiques. 

Lorsque la température de l'air descendait en dessous de zéro, les chercheurs ont découvert que les dalles PCM maintenaient une température de surface comprise entre 42 et 55 degrés Fahrenheit (5.56 et 12.78 degrés Celsius) pendant 10 heures maximum. C'est suffisant pour faire fondre quelques centimètres de neige. Cependant, cela se produit à une vitesse lente, environ un quart de pouce de neige par heure. Même s’il n’est pas assez chaud pour faire fondre de fortes chutes de neige, il peut aider à garder la surface de la route exempte de glace et à accroître la sécurité des transports.

Ceci est bénéfique pour prévenir la détérioration des routes, car les périodes de refroidissement extrême puis de réchauffement provoquent une expansion et une contraction de la surface, mettant à rude épreuve son intégrité structurelle et pouvant conduire à des fissures et à un effritement au fil du temps. Tout cela crée une vulnérabilité qui conduit finalement à la défaillance de la structure de l’intérieur, ce qu’il faut éviter. 

"L'une des découvertes prometteuses est que les dalles dotées de matériaux à changement de phase ont pu stabiliser leur température au-dessus du point de congélation face à une baisse des températures ambiantes."

– Déb

En plus de contribuer à prolonger la durée de vie des infrastructures, cela peut également permettre d’économiser de l’argent sur l’entretien des routes. Selon les estimations de la National Highway Administration, des millions de dollars sont dépensés pour réparer les routes endommagées par les conditions hivernales. De plus, en supprimant le besoin de salage, les États peuvent non seulement économiser sur les coûts de main d’œuvre et de sel, mais également empêcher les voitures de rouiller. Cette approche permet également d’éviter de polluer les aquifères avec un excès de sel, garantissant ainsi qu’ils restent sans danger pour l’usage humain.

Des progrès progressifs, un potentiel de croissance 

Le groupe a examiné le béton auto-chauffant à différentes échelles et a constaté que le PCM présentait une surfusion satisfaisante, une stabilité thermique à long terme et une enthalpie de fusion élevée. Dans l’ensemble, les dalles de béton contenant ce matériau ont montré des capacités positives de fonte de la neige tout en réduisant le nombre de cycles de gel-dégel en hiver, selon les résultats de l’étude.

La dalle traitée avec des granulats légers poreux (PCM-LWA) s'est avérée plus efficace pour réduire le nombre de cycles de gel-dégel (FT). Cela était dû à la répartition relative du PCM dans les pores et au phénomène de sous-refroidissement créé par la pression de confinement du réseau de pores LWA. 

À son tour, cela a permis la libération progressive de la chaleur latente. Le sous-refroidissement génère ici une transformation de phase dans une plage plus large de basses températures, c'est-à-dire de 3.94°C à −13.04°C ou de 39.09°F à 8.52°F. Par conséquent, la méthode PCM-LWA s’est avérée plus efficace pour faire fondre la neige dans cette plage de basses températures.

Pendant ce temps, le phénomène de dégagement de chaleur « en une seule fois » du béton MPCM l’aide à faire fondre la neige à un rythme rapide. La dalle traitée avec un matériau à changement de phase microencapsulé (MPCM), bien que capable de chauffer plus rapidement, ne pouvait maintenir le réchauffement que deux fois moins longtemps que le LWA-PCM.

Ainsi, alors que les dalles PCM-LWA étaient capables de retenir la libération de leur énergie thermique jusqu'à ce que le matériau atteigne 39 degrés Fahrenheit, le MPCM a commencé à libérer sa chaleur juste au moment où la température atteignait 42 degrés, contribuant ainsi à sa période d'activation relativement plus courte.

En conséquence, l’équipe a déclaré que la méthode PCM-LWA est mieux adaptée aux applications de dégivrage à des températures inférieures à zéro.

Malgré la capacité des deux applications à augmenter la température du béton entre 53 et 55 degrés Fahrenheit, le taux de chute de neige et la température de l'air ambiant avant une chute de neige affectent les performances du PCM-LWA et du MPCM.

Les chaussées incorporées au PCM se sont révélées incapables de faire fondre complètement les fortes accumulations de neige (supérieures à 2 pouces), mais en dessous, elles peuvent faire fondre les chutes de neige « assez efficacement ». En fait, ils commencent à dégivrer la neige dès l’instant où elle commence à s’accumuler. 

Selon Deb, la libération progressive de chaleur permet de dégeler efficacement la surface du béton, éliminant ainsi le besoin de pré-salage avant de fortes chutes de neige. Il faut toutefois noter que le matériau a besoin d'un certain temps de recharge entre les chutes de neige ou les cycles de gel-dégel pour être efficace. S'il ne retrouve pas son état liquide à ce moment-là, ses performances risquent de diminuer.

Maintenant que l'équipe comprend le comportement naturel du béton intégrant du PSM, elle s'efforcera d'améliorer le système afin de l'optimiser pour un chauffage plus long et une fusion plus rapide. Les chercheurs doivent recueillir davantage de données pour comprendre l'efficacité à long terme du matériau et mener une étude afin de déterminer comment cette méthode pourrait prolonger la durée de vie du béton.

Il ne s’agit là que de la dernière avancée en matière d’amélioration des infrastructures tout en préservant l’environnement, alors que les organisations et les gouvernements s’efforcent de trouver de meilleures façons de gérer les saisons froides et chaudes. Récemment, nous avons rapporté comment des scientifiques de l'Université de Californie détaille comment réduire les coûts de chauffage et de climatisation grâce aux tuiles adaptatives. Les dalles sont dotées d'un interrupteur radiatif ou d'un dispositif de thermorégulation passive pour répondre à une plage de températures.

Une autre solution est un revêtement de toiture intelligent toutes saisons, développé par la division Sciences des matériaux du Berkeley Lab. Il maintient les maisons chaudes en hiver et fraîches en été, sans nécessiter de gaz naturel ni d'électricité. Il utilise un nouveau matériau, le revêtement radiatif adaptatif à la température (TARC), qui désactive automatiquement le refroidissement radiatif en hiver afin d'éviter tout refroidissement excessif et gaspillage d'énergie. Tout cela laisse présager un avenir meilleur pour nous et notre planète.

Travailler à l'entretien hivernal

Examinons maintenant quelques noms de l’industrie qui proposent des solutions de dégivrage et qui s’impliquent dans la recherche d’options plus innovantes : 

# 1. Routes dégagées

Ce programme rassemble des professionnels du transport et des chercheurs de partout au pays pour stimuler l'innovation en matière d'entretien hivernal. Clear Roads évalue les matériaux, les équipements et les méthodes dans des conditions réelles pour trouver les meilleures technologies et solutions permettant d'économiser de l'argent, d'augmenter l'efficacité et d'améliorer la sécurité.

Dans son Réunion annuelle du TRB 2024, le programme s'est concentré sur des sujets tels que la mise en œuvre d'un inventaire des stocks de sel à l'aide de mesures LiDAR, la durabilité du sel, l'intelligence artificielle et la modélisation du frottement routier. Il a également porté sur la prévision des conditions de revêtement des routes hivernales à l'aide d'une approche basée sur les données, un modèle de prévision de la température des chaussées hivernales basé sur l'apprentissage par transfert et des réseaux neuronaux à mémoire à long et à court terme, le développement d'un prototype de jumeau numérique pour l'entretien des routes hivernales, l'avenir de la météo routière, et plus encore.

# 2. Cargill

L'entreprise propose des solutions de dégivrage pour routes et autoroutes. Les solutions efficaces d'entretien hivernal de Cargill minimisent l'impact environnemental et les coûts associés. La vaste gamme de produits de l'entreprise comprend des dégivreurs granulaires, des antigivreurs, des systèmes automatisés de production de saumure et d'additifs, ainsi que des solutions pour le revêtement des chaussées. 

Au cours du second semestre de l'année dernière, c'était rapporté que la société cherchait à se débarrasser d'une sélection de ses activités américaines de sel de déglaçage, qui généraient à l'époque environ 40 millions de dollars d'EBITDA sur environ 375 millions de dollars de revenus. 

Les actifs que l'entreprise cherche à vendre comprennent des installations qui extraient, traitent et transportent des sels de déglaçage vers les municipalités, les agences gouvernementales et les entreprises commerciales privées à travers le pays pour les utiliser sur les routes pendant les tempêtes hivernales. Cela s'est produit après que Cargill a fermé sa troisième mine de sel à Avery Island, en Louisiane, en 2022.

# 3. Clariant

Celui-ci propose le dégivrage des avions, un secteur en pleine croissance projetée Le chiffre d'affaires devrait atteindre 1.83 milliard de dollars au cours des sept prochaines années, avec un TCAC de 5 %. L'Amérique du Nord mène la danse grâce à la vigueur de son industrie aéronautique. Les systèmes de dégivrage des avions sont essentiels à la sécurité des décollages et des atterrissages.

Outre le dégivrage des avions, Clariant propose des solutions de recyclage et une assistance aux clients pour surmonter les difficultés opérationnelles dans des conditions météorologiques défavorables sur la piste. Pour cela, elle a développé des fluides de dégivrage extrêmement efficaces qui maintiennent les surfaces des avions exemptes de neige et de glace. L'entreprise est également spécialisée dans le dégivrage des pistes et dans les produits chimiques antigivrants. 

Conclusion 

Ainsi, comme nous l’avons vu, le béton auto-chauffant est une invention majeure qui peut être utilisée pour construire des trottoirs, des allées, des tabliers de pont et de nombreux autres types de travaux plats. Le produit développé contribue également à améliorer la durabilité et la durée de vie du béton, en économisant de l'argent sur l'entretien des routes, la main-d'œuvre et l'utilisation des produits, tout en aidant à empêcher les voitures de rouiller et l'excès de sel de polluer les aquifères. Une recherche comme celle-ci n’est pas seulement bonne pour les humains mais aussi pour l’environnement, car elle contribue à améliorer nos vies tout en protégeant l’écosystème.

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