Science des matériaux
Le béton auto‑chauffant pourrait aider nos routes, nos aquifères et nos portefeuilles
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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 l’accumulation de neige sur les routes en béton et les surfaces planes ainsi que des dommages de gel‑dégel du béton.
Cependant, sur le campus de l’Université Drexel, il existe une section de béton qui illustre l’avenir des trottoirs et des autoroutes sans gel. Cette section se trouve juste à côté du parking de l’université.
Elle comprend deux dalles de 30 pouces sur 30 pouces qui ont dégagé la neige et la pluie verglaçante d’elles‑mêmes, sans que personne ne doive pelleter, saler ou gratter, pendant jusqu’à trois ans. Mais ce n’est pas un miracle ; il s’agit de béton auto‑chauffant.
Ainsi, la semaine dernière, des chercheurs du College of Engineering de Drexel ontrapporté comment ils ont créé ce béton spécial qui peut se réchauffer lorsque la température descend en dessous de zéro ou qu’il neige.
Publié dans le Journal of Materials in Civil Engineering, l’article discute du développement du béton auto‑chauffant utilisant des matériaux à changement de phase à basse température, ou PCM.
Ces expériences ont été menées dans le laboratoire Advanced Infrastructure Materials (AIM) de l’Université Drexel. Pour réaliser ces expériences, Compass Minerals, basé aux États‑Unis, a fourni le soutien financier, tandis que MicroTek Laboratories a fourni les matériaux à des fins de recherche.
L’étude a été menée par Amir Farnam, Ph.D., professeur associé ; l’étudiante en doctorat Robin Deb ; les étudiants de premier cycle Nishant Shrestha, Kham Phan et Mohamed Cissao ; ainsi que les doctorants Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai et Parsa Namakiaraghi, tous appartenant au College of Engineering.
Avec ce béton auto‑chauffant, l’objectif, comme l’explique Farnam, est de prolonger la durée de vie opérationnelle des routes et diverses surfaces. Plus précisément, il aide ces surfaces en béton à maintenir des températures au‑dessus du point de congélation pendant les climats froids. L’idée est de favoriser une infrastructure résiliente dans les régions nordiques 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 déneigement et de salage pour empêcher la détérioration de la surface, 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 cours de développement depuis environ cinq ans dans le but de réduire le gel, le dégel et le salage qui affectent négativement les routes et autres surfaces en béton. On rapporte que le béton auto‑chauffant a 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 du succès dans un environnement de laboratoire contrôlé, mais sa viabilité a maintenant également été démontrée dans le monde réel, en plein environnement naturel. Il a montré que le béton auto‑chauffant peut réellement faire fondre la neige sans aucune assistance humaine ni systèmes de chauffage. Il peut le faire de façon autonome en n’utilisant que 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 les cycles de chauffage et de refroidissement en hiver sont appropriés.”
– Farnam
Le matériau à changement de phase à basse température
Le matériau en question, qui a permis à l’étude d’obtenir du béton auto‑chauffant, est 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 descend à ∼0 °C ou 32 °F, il libère une quantité appréciable de chaleur lorsqu’il passe de son état liquide à température ambiante à un état solide. Cela entraîne la fonte progressive de la neige et de la glace accumulées.
Alors que le groupe avait déjà signalé que l’incorporation du matériau dans le béton déclenche le chauffage dès qu’il y a une baisse de température, les dernières recherches ont consisté à évaluer les performances du béton auto‑chauffant à la fois dans des conditions thermiques de laboratoire et en conditions réelles extérieures pendant les saisons d’automne et d’hiver.
Le but du programme était d’optimiser les formulations de béton pour une incorporation maximale du PCM et de caractériser les propriétés thermiques des exemples de mortier PCM à l’aide du LGCC. Le LGCC, ou calorimétrie comparative longitudinale protégée, est un dispositif de test utilisé pour quantifier les propriétés thermiques et le flux de chaleur des échantillons de béton.
De plus, l’idée était d’avoir des dalles de béton à grande échelle traitées avec le matériau à changement de phase à l’extérieur du laboratoire, dans des conditions naturelles, afin d’évaluer leur efficacité à faire fondre la neige et leurs performances thermiques en temps réel face aux cycles de gel‑dégel. Ces événements font référence aux moments où les températures descendent suffisamment pour geler l’eau, ce qui se produit à 32 °F ou 0 °C, puis remontent assez pour qu’elle dégèle à nouveau.
Aujourd’hui, pour intégrer le matériau dans le béton, l’équipe a utilisé deux méthodes. Cela comprenait le PCM microencapsulé (MPCM), où des micro‑capsules de paraffine sont directement mélangées au béton. L’autre approche consistait à immerger le matériau à changement de phase liquide dans des agrégats légers poreux (PCM‑LWA), où les fragments de petits cailloux composant le béton étaient traités avec de la paraffine. Ces petits cailloux et galets absorbent la paraffine liquide avant d’être incorporés au béton.
Dans leur expérience, les chercheurs ont utilisé trois dalles : une coulée avec la méthode MPCM, la deuxième avec le PCM‑LWA, et la troisième sans matériau à changement de phase comme témoin.
Ces dalles ont été exposées au climat naturel depuis décembre 2021. Pendant cette période, les trois ont connu 32 cycles de gel‑dégel, avec des températures descendant sous le point de congélation. Au cours de ces deux premières années, elles ont également subi cinq chutes de neige d’un pouce ou plus. Pour surveiller la température et le comportement des dalles, l’équipe a utilisé des caméras et des capteurs thermiques.
Lorsque les températures de l’air sont descendues sous le point de congélation, les chercheurs ont constaté que les dalles PCM maintenaient une température de surface entre 42 et 55 °F (5,56 et 12,78 °C) pendant jusqu’à 10 heures. Cela suffit à faire fondre quelques centimètres de neige. Cependant, cela se produit à une vitesse lente, environ un quart de pouce de neige par heure. Bien que cela ne soit pas assez chaud pour faire fondre une neige abondante, cela peut aider à garder la surface de la route libre de glace et à améliorer la sécurité du transport.
Cela est bénéfique pour prévenir la détérioration des routes, car les périodes de refroidissement extrême suivies d’un réchauffement provoquent une expansion et une contraction de la surface, mettant à rude épreuve son intégrité structurelle et pouvant entraîner des fissures et du décollement avec le temps. Tout cela crée une vulnérabilité qui conduit finalement à la défaillance de la structure de l’intérieur, ce qui doit être évité.
“L’une des découvertes prometteuses est que les dalles contenant des matériaux à changement de phase ont pu stabiliser leur température au‑dessus du point de congélation lorsqu’elles ont été confrontées à une baisse des températures ambiantes.”
– Deb
En plus d’aider à prolonger la durée de vie des infrastructures, cela peut également 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 intempéries hivernales. De plus, en éliminant le besoin de salage, les États peuvent non seulement économiser sur les coûts de main‑d’œuvre et de sel, mais aussi empêcher la corrosion des voitures. Cette approche contribue également à éviter la pollution des aquifères par l’excès de sel, garantissant qu’ils restent sûrs pour l’usage humain.
Progrès progressif, potentiel de croissance
Le groupe a examiné le béton auto‑chauffant à différentes échelles et a constaté que le PCM présentait un sur‑refroidissement satisfaisant, une stabilité thermique à long terme et une haute enthalpie de fusion. Dans l’ensemble, les deux dalles de béton contenant le 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 agrégats légers poreux (PCM‑LWA) s’est avérée plus efficace pour diminuer le nombre de cycles de gel‑dégel (F‑T). 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 du LWA.
En retour, cela a permis une libération progressive de la chaleur latente. Le sous‑refroidissement génère ici une transformation de phase sur une plus large plage de basse température, soit de 3,94 °C à −13,04 °C ou de 39,09 °F à 8,52 °F. Ainsi, la méthode PCM‑LWA s’est avérée plus efficace pour faire fondre la neige dans cette plage de basse température.
Parallèlement, le phénomène de libération de chaleur « one‑shot » du béton MPCM l’aide à faire fondre la neige rapidement. La dalle traitée avec le matériau à changement de phase microencapsulé (MPCM), bien qu’elle puisse chauffer plus rapidement, ne pouvait maintenir la chaleur que pendant la moitié du temps du LWA‑PCM.
Ainsi, alors que les dalles PCM‑LWA pouvaient retenir la libération de leur énergie thermique jusqu’à ce que le matériau atteigne 39 °F, le MPCM commençait à libérer sa chaleur dès que la température atteignait 42 °F, ce qui contribue à une période d’activation relativement plus courte.
En conséquence, l’équipe a déclaré que la méthode PCM‑LWA est mieux adaptée aux applications de déglaçage à des températures inférieures à zéro.
Bien que les deux applications puissent augmenter la température du béton entre 53 et 55 °F, le taux de chute de neige et la température ambiante avant une chute de neige affectent les performances du PCM‑LWA et du MPCM.
Il a été constaté que les chaussées incorporant du PCM ne pouvaient pas fondre complètement une accumulation importante de neige (supérieure à 2 pouces), mais en dessous de ce seuil, elles peuvent faire fondre la neige « assez efficacement ». Elles commencent réellement à dégeler la neige dès qu’elle commence à s’accumuler.
Selon Deb, la libération progressive de chaleur peut dégeler avec succès la surface du béton, éliminant ainsi le besoin de pré‑salage avant une forte chute de neige. Cependant, il faut noter que le matériau nécessite un certain temps de recharge entre les épisodes de neige ou de gel‑dégel pour fonctionner efficacement. S’il ne revient pas à son état liquide pendant ce temps, les performances peuvent diminuer.
Maintenant que l’équipe comprend comment le béton incorporant le PSM se comporte dans la nature, elle travaillera à améliorer le système afin de l’optimiser pour un chauffage plus long et une fonte accrue. 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 s’agit simplement de la dernière avancée visant à améliorer les infrastructures tout en préservant l’environnement, alors que les organisations et les gouvernements cherchent de meilleures solutions pour gérer les saisons froides et chaudes. Récemment, nous avons rapporté comment des scientifiques de l’Université de Californie ont détaillé comment réduire les coûts de chauffage et de climatisation grâce à des tuiles de toit adaptatives. Les tuiles comportent un commutateur radiatif ou un dispositif de thermorégulation passive pour réagir à une gamme de températures.
Une autre solution est un revêtement de toit intelligent toutes saisons développé par la division Materials Sciences du Berkeley Lab, qui garde les maisons chaudes en hiver et fraîches en été sans nécessiter de gaz naturel ni d’électricité. Il utilise un nouveau matériau appelé revêtement radiatif à adaptation thermique (TARC) qui désactive automatiquement le refroidissement radiatif en hiver afin d’éviter le sur‑refroidissement et le gaspillage d’énergie. Tout cela montre un avenir plus prometteur pour nous et notre planète.
Travail sur l’entretien hivernal
Voyons maintenant quelques noms de l’industrie qui offrent des solutions de déglaçage et qui sont impliqués dans la recherche d’options plus innovantes :
#1. Clear Roads
Ce programme réunit des professionnels du transport et des chercheurs de tout le pays pour stimuler l’innovation dans l’entretien hivernal. Clear Roads évalue les matériaux, les équipements et les méthodes dans des conditions réelles afin de trouver les meilleures technologies et solutions pour aider à économiser de l’argent, augmenter l’efficacité et améliorer la sécurité.
Lors de son 2024 TRB Annual Meeting, le programme s’est concentré sur des sujets tels que la mise en œuvre d’un inventaire de stock de sel à l’aide de mesures LiDAR, la durabilité du sel, l’intelligence artificielle et la modélisation du frottement des chaussées. Il a également abordé la prévision des conditions de surface routière hivernale grâce à une approche basée sur les données, un modèle de prévision de la température du revêtement routier hivernal basé sur l’apprentissage par transfert et les réseaux neuronaux à mémoire à long et court terme, le développement d’un prototype de jumeau numérique pour l’entretien routier hivernal, l’avenir de la météo routière, et plus encore.
#2. Cargill
L’entreprise fournit des solutions de déglaçage pour les routes et les autoroutes. Les solutions d’entretien hivernal efficaces de Cargill minimisent l’impact environnemental ainsi que les coûts associés. La large gamme de produits de l’entreprise comprend des déglaçants granulaires, des anti‑gels, des systèmes automatisés de fabrication de saumure et des additifs, ainsi que des solutions pour le revêtement de chaussée.
Au second semestre de l’année dernière, il a été rapporté que l’entreprise cherchait à céder une sélection de ses activités de sel de déglaçage aux États‑Unis, qui à l’époque généraient environ 40 millions de dollars d’EBITDA sur environ 375 millions de dollars de chiffre d’affaires.
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 être utilisés sur les routes lors des tempêtes hivernales. Cela fait suite à la fermeture par Cargill de sa troisième mine de sel à Avery Island, Louisiane, en 2022.
#3. Clariant
Cette société propose le déglaçage d’avions, un secteur en pleine croissance prévu d’atteindre 1,83 milliard de dollars au cours des sept prochaines années avec un TCAC de 5 %. L’Amérique du Nord mène cette croissance grâce à son industrie aéronautique robuste. Les systèmes de déglaçage d’avions sont essentiels pour des décollages et atterrissages sûrs.
En plus du déglaçage d’avions, Clariant propose des solutions de recyclage et une assistance aux clients pour surmonter les difficultés opérationnelles liées aux conditions météorologiques défavorables sur les pistes. À cet effet, elle a développé des fluides de déglaçage extrêmement efficaces qui maintiennent les surfaces des avions exemptes de neige et de glace. L’entreprise se spécialise également dans le déglaçage des pistes et les produits anti‑gel.
Conclusion
Ainsi, comme nous l’avons vu, le béton auto‑chauffant est une invention majeure qui peut être utilisée pour construire des chaussées, des allées, des tabliers de ponts et de nombreux autres types de surfaces planes. Le produit développé contribue également à améliorer la durabilité et la durée de vie du béton, permettant d’économiser sur l’entretien des routes, la main‑d’œuvre et l’utilisation de produits, tout en aidant à prévenir la corrosion des voitures et la pollution des aquifères par l’excès de sel. Une recherche de ce type n’est pas seulement bénéfique pour les humains, mais aussi pour l’environnement, contribuant à améliorer nos vies tout en protégeant l’écosystème.
