स्वयं‑तापित कंक्रीट हमारे सड़कों, जलभरणी और बटुए की मदद कर सकता है

उत्तरी अमेरिकी क्षेत्रों में जहाँ ठंडा जलवायु, बर्फबारी और जमाव‑पिघलाव चक्र आम हैं, शीतकालीन मौसम में यह सामान्य है। इससे कंक्रीट सड़कों और फ्लैटवर्क पर बर्फ जमा होती है और कंक्रीट को जमाव‑पिघलाव क्षति होती है।

हालाँकि, ड्रेक्सेल विश्वविद्यालय के परिसर में, एक कंक्रीट का हिस्सा है जो बर्फ‑मुक्त फुटपाथ और राजमार्गों के भविष्य को दर्शाता है। यह हिस्सा विश्वविद्यालय के पार्किंग लॉट के ठीक बगल में स्थित है।

यह दो 30‑इंच बाय 30‑इंच स्लैबों से बना है जो बिना किसी को फावड़ा, नमक या स्क्रैप करने के, तीन साल तक स्वयं बर्फ और जमाव‑बारिश को साफ कर रहे हैं। लेकिन यह कोई चमत्कार नहीं है; यह स्वयं‑तापित कंक्रीट है।

तो, पिछले हफ्ते, ड्रेक्सेल के कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग के शोधकर्ताओं ने रिपोर्ट किया कि उन्होंने इस विशेष कंक्रीट को कैसे बनाया जो तापमान जब जमाव बिंदु तक गिरता है या बर्फ पड़ती है तो स्वयं को गर्म कर सकता है।

जर्नल ऑफ मैटीरियल्स इन सिविल इंजीनियरिंग में प्रकाशित इस पत्र में कम‑तापमान चरण‑परिवर्तन सामग्री (PCM) का उपयोग करके स्वयं‑तापित कंक्रीट के विकास पर चर्चा की गई है।

ये प्रयोग ड्रेक्सेल विश्वविद्यालय की एडवांस्ड इन्फ्रास्ट्रक्चर मैटीरियल्स (AIM) लैब में किए गए। इन प्रयोगों को करने के लिए US‑आधारित कंपास मिनरल्स ने वित्तीय समर्थन प्रदान किया, जबकि माइक्रोटेक लैबोरेटरीज़ ने शोध उद्देश्यों के लिए सामग्री प्रदान की।

अध्ययन अमीर फारनाम, पीएच.डी., एसोसिएट प्रोफेसर; डॉक्टरेट छात्र रॉबिन डेब; स्नातक निशांत श्रेठा, खाम फैन, और मोहम्मद सिसाओ; तथा डॉक्टरेट उम्मीदवार शरनाया विसवलींगम, एंजेला मुटुआ, यूसिफ़ अल्केनाई, और पार्सा नमाकियारघी द्वारा किया गया, जो सभी कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग से हैं।

इस स्वयं‑तापित कंक्रीट के साथ, फारनाम के अनुसार लक्ष्य है सड़कों और विभिन्न सतहों के संचालन जीवन को बढ़ाना। विशेष रूप से, यह ठंडे जलवायु में इन कंक्रीट सतहों को जमाव बिंदु से ऊपर तापमान बनाए रखने में मदद करता है। यहाँ विचार है उत्तरी अमेरिकी क्षेत्रों में लचीला बुनियादी ढांचा बनाना, जहाँ राज्य वार्षिक रूप से बर्फ और बर्फ हटाने के कार्यों में लगभग 2.3 बिलियन डॉलर खर्च करते हैं।

इसलिए, जमाव‑पिघलाव को रोकने और सतह को टूटने से बचाने के लिए प्लाउइंग और नमक डालने की आवश्यकता को कम करने हेतु, नया प्रयोग कंक्रीट में विशेष धातुओं को शामिल करता है जो जलवायु परिवर्तन के समय सतह का तापमान अधिक बनाए रखने में मदद करती हैं।

यह सामग्री लगभग आधे दशक से विकसित हो रही है, जिसका उद्देश्य बर्फ, पिघलाव और नमक डालने को कम करना है, जो सड़कों और अन्य कंक्रीट सतहों को नकारात्मक रूप से प्रभावित करता है। स्वयं‑तापित कंक्रीट को बर्फ को पिघलाने और बर्फ के निर्माण को लंबी अवधि तक धीमा या रोकने की क्षमता होने की रिपोर्ट की गई है।

अब तक, स्वयं‑तापित कंक्रीट ने नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग में बड़ी संभावनाएँ और सफलता दिखाई है, लेकिन अब इसकी व्यवहारिकता वास्तविक दुनिया, बाहरी प्राकृतिक पर्यावरण में भी सिद्ध हुई है। और यह दिखाया कि स्वयं‑तापित कंक्रीट बिना किसी मानव सहायता या हीटिंग सिस्टम के बर्फ को पिघला सकता है। यह केवल पर्यावरणीय दिन के तापीय ऊर्जा का उपयोग करके स्वयं कर सकता है।

“यह स्वयं‑तापित कंक्रीट संयुक्त राज्य के पहाड़ी और उत्तरी क्षेत्रों, जैसे नॉर्थईस्ट पेंसिलवेनिया और फ़िलाडेल्फ़िया, जहाँ सर्दियों में उपयुक्त हीटिंग और कूलिंग चक्र होते हैं, के लिए उपयुक्त है।”

– फारनाम

कम‑तापमान चरण‑परिवर्तन सामग्री

विचाराधीन सामग्री, जिसने अध्ययन को स्वयं‑तापित कंक्रीट प्राप्त करने में मदद की, कम‑तापमान तरल पैराफिन है। यह एक चरण‑परिवर्तन सामग्री (PCM) है, जिसका अर्थ है जब पर्यावरणीय तापमान लगभग 0°C या 32°F तक गिरता है, तो यह तरल अवस्था से ठोस अवस्था में बदलते समय वांछित मात्रा में गर्मी जारी करता है। इससे जमा बर्फ और बर्फ का क्रमिक पिघलाव होता है।

जबकि समूह ने पहले रिपोर्ट किया था कि सामग्री को कंक्रीट में शामिल करने से तापमान गिरते ही हीटिंग सक्रिय हो जाती है, नवीनतम अनुसंधान ने शरद और शीतकालीन मौसम के दौरान प्रयोगशाला थर्मल स्थितियों और बाहरी वास्तविक‑समय स्थितियों दोनों में स्वयं‑तापित कंक्रीट के प्रदर्शन का मूल्यांकन किया।

कार्यक्रम का उद्देश्य अधिकतम PCM समावेश के लिए कंक्रीट मिश्रण डिज़ाइन को अनुकूलित करना और LGCC का उपयोग करके PCM‑मोर्टार नमूनों के थर्मल गुणों का वर्णन करना था। LGCC, या लोंजिट्यूडिनल गार्डेड कॉम्पेरेटिव कैलोरीमीट्री, एक परीक्षण उपकरण है जो कंक्रीट नमूनों के थर्मल गुणों और हीट फ्लो को मापता है।

इसके अतिरिक्त, विचार यह था कि बड़े‑पैमाने के कंक्रीट स्लैबों को प्रयोगशाला के बाहर प्राकृतिक परिस्थितियों में चरण‑परिवर्तन सामग्री के साथ उपचारित किया जाए ताकि यह आंका जा सके कि वे बर्फ पिघलाने में कितने कुशल हैं और वास्तविक‑समय में जमाव‑पिघलाव घटनाओं के विरुद्ध उनका थर्मल प्रदर्शन कैसा है। ये घटनाएँ तब होती हैं जब तापमान पर्याप्त रूप से गिरकर पानी को जमाता है (32°F या 0°C) और फिर फिर से बढ़कर पिघलाता है।

अब, सामग्री को कंक्रीट में एकीकृत करने के लिए, टीम ने दो विधियों का उपयोग किया। इसमें माइक्रो‑एन्कैप्सुलेटेड PCM (MPCM) शामिल है, जहाँ पैराफिन के माइक्रो‑कैप्सूल सीधे कंक्रीट में मिलाए जाते हैं। दूसरी विधि में तरल चरण‑परिवर्तन सामग्री को छिद्रयुक्त हल्के एग्रीगेट्स (PCM‑LWA) में डुबोया जाता है, जिसके तहत छोटे पत्थरों के टुकड़े, जो कंक्रीट बनाते हैं, पैराफिन से उपचारित होते हैं। ये छोटे पत्थर और कंकड़ तरल पैराफिन को अवशोषित करते हैं, फिर कंक्रीट में सम्मिलित किए जाते हैं।

अपने प्रयोग में, शोधकर्ताओं ने तीन स्लैबों का उपयोग किया: एक MPCM विधि से ढाला गया, दूसरा PCM‑LWA से, और तीसरा नियंत्रण के रूप में बिना किसी चरण‑परिवर्तन सामग्री के।

इन स्लैबों को दिसंबर 2021 से प्राकृतिक जलवायु का सामना करना पड़ा। इस अवधि में, सभी तीन ने 32 जमाव‑पिघलाव घटनाओं का अनुभव किया, जहाँ तापमान जमाव बिंदु से नीचे गिरा। पहले दो वर्षों में, उन्होंने पाँच बार एक इंच या अधिक की बर्फबारी का सामना किया। तापमान और स्लैबों के व्यवहार की निगरानी के लिए, टीम ने कैमरों और थर्मल सेंसरों का उपयोग किया।

जब वायु तापमान जमाव बिंदु से नीचे गिरा, शोधकर्ताओं ने पाया कि PCM स्लैब सतह का तापमान 42 से 55 डिग्री फ़ारेनहाइट (5.56 से 12.78 डिग्री सेल्सियस) के बीच 10 घंटे तक बनाए रखते थे। यह कुछ इंच बर्फ पिघलाने के लिए पर्याप्त है। हालांकि, यह धीमी गति से होता है, लगभग एक चौथाई इंच बर्फ प्रति घंटे। भारी बर्फ को पिघलाने के लिए पर्याप्त गर्म नहीं है, लेकिन यह सड़क सतह को बर्फ‑रहित रखने और परिवहन सुरक्षा बढ़ाने में मदद कर सकता है।

यह सड़क के क्षरण को रोकने में लाभदायक है, क्योंकि अत्यधिक ठंड और फिर गर्मी के दौर सतह को विस्तार और संकुचन के कारण तनाव देते हैं, जिससे समय के साथ दरारें और स्पैलिंग हो सकती है। यह सभी संरचनात्मक कमजोरी को अंततः अंदर से विफलता की ओर ले जाता है, जिसे टाला जाना चाहिए।

“एक आशाजनक निष्कर्ष यह है कि चरण‑परिवर्तन सामग्री वाले स्लैब ambient तापमान गिरने पर अपने तापमान को जमाव बिंदु से ऊपर स्थिर रख पाए।”

– डेब

बुनियादी ढांचे के जीवन को बढ़ाने में मदद करने के अलावा, यह सड़क रखरखाव पर भी पैसे बचा सकता है। राष्ट्रीय राजमार्ग प्रशासन के अनुमान के अनुसार, सर्दियों के मौसम से क्षतिग्रस्त सड़कों की मरम्मत में लाखों डॉलर खर्च होते हैं। इसके अलावा, नमक की आवश्यकता को हटाकर, राज्य न केवल श्रम और नमक की लागत बचा सकते हैं, बल्कि कारों के जंग लगने को भी रोक सकते हैं। यह दृष्टिकोण अतिरिक्त नमक के साथ जलभरणियों को प्रदूषित होने से बचाता है, जिससे वे मानव उपयोग के लिए सुरक्षित रहते हैं।

क्रमिक प्रगति, विकास की संभावना 

समूह ने विभिन्न पैमानों पर स्वयं‑तापित कंक्रीट की जांच की और पाया कि PCM संतोषजनक सुपरकूलिंग, दीर्घकालिक थर्मल स्थिरता, और उच्च एन्थैल्पी ऑफ फ्यूज़न दिखा रहा है। कुल मिलाकर, दोनों प्रकार के कंक्रीट स्लैबों ने बर्फ‑पिघलाने की सकारात्मक क्षमताएँ प्रदर्शित कीं जबकि शीतकाल में जमाव‑पिघलाव चक्रों की संख्या को कम किया, जैसा कि अध्ययन के परिणामों में बताया गया है।

छिद्रयुक्त हल्के एग्रीगेट्स (PCM‑LWA) से उपचारित स्लैब को जमाव‑पिघलाव (F‑T) चक्रों की संख्या कम करने में बेहतर पाया गया। यह PCM के छिद्रों में सापेक्ष वितरण और LWA छिद्र नेटवर्क के संकुचन दबाव द्वारा उत्पन्न अंडरकूलिंग घटना के कारण था।

परिणामस्वरूप, लेटेंट हीट धीरे‑धीरे जारी हुआ। यहाँ अंडरकूलिंग कम‑तापमान की विस्तृत सीमा में चरण‑परिवर्तन उत्पन्न करता है, अर्थात् 3.94°C से −13.04°C या 39.09°F से 8.52°F तक। इसलिए, PCM‑LWA विधि इस कम‑तापमान सीमा में बर्फ पिघलाने में अधिक प्रभावी पाई गई।

इसी बीच, MPCM कंक्रीट की “एक‑बार” हीट रिलीज़ घटना इसे तेज़ गति से बर्फ पिघलाने में मदद करती है। माइक्रो‑एन्कैप्सुलेटेड चरण‑परिवर्तन सामग्री (MPCM) से उपचारित स्लैब तेज़ी से गर्म हो सकता है, लेकिन यह LWA‑PCM की तुलना में केवल आधे समय तक गर्मी बनाए रख सकता है।

इसलिए, जबकि PCM‑LWA स्लैब अपने हीट ऊर्जा को तब तक जारी रख सकते थे जब तक सामग्री 39°F तक पहुँचती थी, MPCM ने तापमान 42°F पर पहुँचते ही हीट रिलीज़ शुरू कर दिया, जिससे इसका सक्रियण अवधि अपेक्षाकृत छोटा रहा।

परिणामस्वरूप, टीम ने कहा कि PCM‑LWA विधि sub‑zero तापमान पर डी‑आइसिंग अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त है।

भले ही दोनों अनुप्रयोग 53 से 55°F के बीच कंक्रीट तापमान बढ़ा सकते हैं, बर्फबारी की दर और बर्फबारी से पहले का ambient वायु तापमान दोनों PCM‑LWA और MPCM के प्रदर्शन को प्रभावित करता है।

PCM के साथ समाहित पावमेंट्स भारी बर्फ (2 इंच से अधिक) को पूरी तरह पिघलाने में असमर्थ पाए गए, लेकिन इससे कम बर्फ को वे “काफी प्रभावी” ढंग से पिघला सकते हैं। वे बर्फ के जमा होने के तुरंत बाद ही डिफ्रॉस्ट करना शुरू कर देते हैं।

डेब के अनुसार, धीरे‑धीरे हीट रिलीज़ कंक्रीट सतह को सफलतापूर्वक पिघला सकता है, जिससे भारी बर्फबारी से पहले प्री‑साल्टिंग की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। हालांकि, यह ध्यान देना आवश्यक है कि सामग्री को बर्फ या जमाव‑पिघलाव घटनाओं के बीच कुछ रीचार्ज समय चाहिए ताकि यह प्रभावी रूप से काम कर सके। यदि इस समय यह फिर से तरल अवस्था में नहीं लौटती, तो प्रदर्शन घट सकता है।

अब जब टीम ने समझ लिया है कि PCM‑समाहित कंक्रीट प्रकृति में कैसे व्यवहार करता है, तो वे प्रणाली को बेहतर बनाने पर काम करेंगे ताकि लंबी अवधि की हीटिंग और अधिक पिघलाने को अनुकूलित किया जा सके। शोधकर्ताओं को सामग्री की दीर्घकालिक प्रभावशीलता को समझने के लिए अधिक डेटा एकत्र करने और यह अध्ययन करने की आवश्यकता है कि यह विधि कंक्रीट के जीवनकाल को कैसे बढ़ा सकती है।

यह बुनियादी ढांचे को सुधारने और पर्यावरण को बचाने की नवीनतम प्रगति है, क्योंकि संगठन और सरकारें ठंड और गर्म मौसम को संभालने के बेहतर तरीकों की खोज में काम कर रही हैं। हाल ही में, हमने रिपोर्ट किया कि कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय के वैज्ञानिकों ने अनुकूलित रूफ टाइल्स के माध्यम से हीट और कूलिंग लागत को कैसे कम किया जा सकता है। टाइल्स में एक रेडिएटिव स्विच या एक निष्क्रिय थर्मोरेगुलेशन डिवाइस होता है जो विभिन्न तापमान रेंज पर प्रतिक्रिया करता है।

एक अन्य समाधान बर्कले लैब के मैटीरियल साइंसेज़ डिवीजन द्वारा विकसित सभी‑सीज़न स्मार्ट‑रूफ कोटिंग है, जो सर्दियों में घरों को गर्म और गर्मियों में ठंडा रखती है, बिना प्राकृतिक गैस या बिजली की आवश्यकता के। यह नई सामग्री, ताप‑अनुकूल रेडिएटिव कोटिंग (TARC) का उपयोग करती है, जो सर्दियों में रेडिएटिव कूलिंग को स्वचालित रूप से बंद कर देती है ताकि अधिक ठंडक और ऊर्जा बर्बादी न हो। यह सब हमारे और हमारे ग्रह के लिए उज्जवल भविष्य दर्शाता है।

शीतकालीन रखरखाव पर काम

अब, आइए उद्योग में कुछ नामों को देखें जो डी‑आइसिंग समाधान प्रदान करते हैं और अधिक नवाचारी विकल्पों की खोज में शामिल हैं:

#1. Clear Roads

यह कार्यक्रम देश भर के परिवहन पेशेवरों और शोधकर्ताओं को एकत्र करता है ताकि शीतकालीन रखरखाव में नवाचार को बढ़ावा दिया जा सके। Clear Roads वास्तविक‑विश्व स्थितियों में सामग्री, उपकरण और विधियों का मूल्यांकन करता है ताकि सबसे अच्छी तकनीकों और समाधान खोजे जा सकें जो पैसे बचाने, दक्षता बढ़ाने और सुरक्षा में सुधार करने में मदद करें।

अपने 2024 TRB वार्षिक बैठक में, कार्यक्रम ने लिडार मापों का उपयोग करके नमक स्टॉकपाइल इन्वेंट्री के कार्यान्वयन, नमक स्थिरता, कृत्रिम बुद्धिमत्ता, और सड़क घर्षण मॉडलिंग जैसे विषयों पर ध्यान केंद्रित किया। इसमें डेटा‑ड्रिवेन दृष्टिकोण से शीतकालीन सड़क सतह स्थितियों की भविष्यवाणी, ट्रांसफ़र लर्निंग और लोंग‑एंड‑शॉर्ट‑टर्म मेमोरी न्यूरल नेटवर्क पर आधारित शीतकालीन पावमेंट तापमान पूर्वानुमान मॉडल, शीतकालीन सड़क रखरखाव के लिए डिजिटल ट्विन प्रोटोटाइप विकसित करना, सड़क मौसम का भविष्य और अधिक शामिल थे।

#2. Cargill

कंपनी सड़कों और राजमार्गों के लिए डी‑आइसिंग समाधान प्रदान करती है। Cargill के प्रभावी शीतकालीन रखरखाव समाधान पर्यावरणीय प्रभाव को कम करते हैं और संबंधित लागतों को घटाते हैं। कंपनी के व्यापक उत्पादों में ग्रेन्युलर डी‑आइज़र, एंटी‑आइज़र, स्वचालित ब्राइन‑निर्माण प्रणाली और एडिटिव्स, तथा पावमेंट ओवरले के समाधान शामिल हैं।

पिछले वर्ष के दूसरे आधे हिस्से में, यह रिपोर्ट किया गया कि कंपनी अपने US डी‑आइसिंग नमक व्यवसायों के एक चयन को बेचने की तलाश में है, जो उस समय लगभग $40 मिलियन EBITDA और लगभग $375 मिलियन राजस्व उत्पन्न कर रहे थे।

कंपनी द्वारा बेचने के लिए देखी जा रही संपत्तियों में वे सुविधाएँ शामिल हैं जो डी‑आइसिंग नमक को खनन, प्रक्रिया और परिवहन करती हैं, और इन्हें नगरपालिकाओं, सरकारी एजेंसियों और निजी वाणिज्यिक व्यवसायों को सर्दियों के तूफानों के दौरान सड़क पर उपयोग के लिए प्रदान किया जाता है। यह Cargill द्वारा 2022 में एवरी द्वीप, लुइज़ियाना में अपने तीसरे नमक खनन को बंद करने के बाद आया।

#3. Clariant

यह कंपनी विमान डी‑आइसिंग प्रदान करती है, जो एक बढ़ता हुआ क्षेत्र है प्रोजेक्टेड कि अगले सात वर्षों में यह $1.83 बिलियन तक पहुंचेगा, 5% CAGR के साथ। उत्तरी अमेरिका इस वृद्धि का प्रमुख चालक है, क्योंकि इस क्षेत्र की मजबूत एवीएशन उद्योग है। विमान डी‑आइसिंग सिस्टम सुरक्षित टेक‑ऑफ़ और लैंडिंग के लिए आवश्यक हैं।

विमान डी‑आइसिंग के अलावा, Clariant रीसाइक्लिंग समाधान और ग्राहकों को प्रतिकूल मौसम स्थितियों में रनवे पर संचालन कठिनाइयों को पार करने में सहायता प्रदान करता है। इसके लिए, उसने अत्यंत प्रभावी डी‑आइसिंग फ्लुइड विकसित किए हैं जो विमान की सतहों को बर्फ और बर्फ से मुक्त रखते हैं। कंपनी रनवे डी‑आइसिंग और एंटी‑आइसिंग रसायनों में भी विशेषज्ञता रखती है।

निष्कर्ष 

तो, जैसा कि हमने देखा, स्वयं‑तापित कंक्रीट एक बड़ी खोज है जिसे फुटपाथ, ड्राइववे, पुल डेक और कई अन्य प्रकार के फ्लैटवर्क बनाने में उपयोग किया जा सकता है। विकसित उत्पाद कंक्रीट की टिकाऊपन और सेवा जीवन को भी सुधारता है, जिससे सड़क रखरखाव, श्रम और उत्पाद उपयोग पर पैसे बचते हैं, साथ ही कारों के जंग लगने और अतिरिक्त नमक के जलभरणियों को प्रदूषित करने से बचाव होता है। इस प्रकार का शोध न केवल मानवों के लिए बल्कि पर्यावरण के लिए भी लाभदायक है, जो हमारे जीवन को बेहतर बनाते हुए पारिस्थितिकी तंत्र की रक्षा करता है।

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