Ilmu material
Beton Pemanas Sendiri Dapat Membantu Jalan, Akuifer, dan Dompet Kita
Tambahkan Securities.io ke sumber pilihan Anda di Google
Di wilayah Amerika Utara dengan iklim dingin, salju dan siklus beku‑cair cukup umum selama musim dingin. Hal ini menyebabkan penumpukan salju pada jalan beton dan pekerjaan datar serta kerusakan beku‑cair pada beton.
Namun, di kampus Universitas Drexel, terdapat sebuah bagian beton yang menampilkan masa depan trotoar dan jalan raya bebas beku. Bagian ini terletak tepat di sebelah area parkir universitas.
Bagian ini terdiri dari dua lempengan berukuran 30 inci x 30 inci yang telah membersihkan salju dan hujan beku secara mandiri, tanpa ada yang menyapu, menabur garam, atau mengikis selama hingga tiga tahun. Namun ini bukan keajaiban; apa yang terjadi adalah beton pemanas sendiri.
Jadi, pekan lalu, peneliti di College of Engineering Drexel melaporkan bagaimana mereka menciptakan beton khusus ini yang dapat menghangatkan dirinya sendiri ketika suhu turun di bawah titik beku atau saat turun salju.
Dipublikasikan dalam Journal of Materials in Civil Engineering, makalah tersebut membahas pengembangan beton pemanas sendiri menggunakan material perubahan fase suhu rendah, atau PCM.
Eksperimen ini dilakukan di Laboratorium Advanced Infrastructure Materials (AIM) Universitas Drexel. Untuk melaksanakan eksperimen tersebut, Compass Minerals berbasis AS memberikan dukungan keuangan, sementara MicroTek Laboratories menyediakan bahan untuk keperluan penelitian.
Studi ini dilakukan oleh Amir Farnam, Ph.D., seorang profesor associate; mahasiswa doktoral Robin Deb; mahasiswa sarjana Nishant Shrestha, Kham Phan, dan Mohamed Cissao; serta kandidat doktor Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai, dan Parsa Namakiaraghi, yang semuanya berada di College of Engineering.
Dengan beton pemanas sendiri ini, tujuan, seperti yang dijelaskan Farnam, adalah memperpanjang umur operasional jalan raya dan berbagai permukaan. Secara khusus, beton ini membantu permukaan beton mempertahankan suhu di atas titik beku selama iklim dingin. Ide di sini adalah membangun infrastruktur yang tangguh di wilayah utara AS, di mana negara bagian menghabiskan sekitar $2,3 miliar setiap tahun untuk operasi penghilangan salju dan es.
Jadi, untuk mencegah pembekuan dan pencairan serta mengurangi kebutuhan akan pengerokan dan penambahan garam agar permukaan tidak hancur, eksperimen baru ini memperkenalkan logam khusus dalam beton yang membantu mempertahankan suhu permukaan yang lebih tinggi ketika iklim berubah.
Material ini telah dikembangkan selama sekitar setengah dekade dengan tujuan mengurangi pembekuan, pencairan, dan penambahan garam yang berdampak negatif pada jalan dan permukaan beton lainnya. Beton pemanas sendiri dilaporkan memiliki kemampuan untuk mencairkan salju serta memperlambat atau mencegah pembentukan es untuk jangka waktu yang lama.
Sampai saat ini, beton pemanas sendiri telah menunjukkan potensi besar dan keberhasilan dalam pengaturan laboratorium terkendali, namun kini kelayakannya juga telah dibuktikan di dunia nyata, lingkungan alam luar. Dan terbukti bahwa beton pemanas sendiri dapat benar-benar mencairkan salju tanpa memerlukan bantuan manusia atau sistem pemanas. Ia dapat melakukannya secara mandiri hanya dengan memanfaatkan energi termal siang hari dari lingkungan.
“Beton pemanas sendiri ini cocok untuk wilayah pegunungan dan utara di AS, seperti Pennsylvania Timur Laut dan Philadelphia, di mana terdapat siklus pemanasan dan pendinginan yang sesuai di musim dingin.”
– Farnam
Material Perubahan Fase Suhu Rendah
Material yang dimaksud, yang membantu studi menghasilkan beton pemanas sendiri, adalah parafin cair suhu rendah. Ini adalah material perubahan fase (PCM), yang berarti ketika suhu lingkungan turun ke sekitar 0°C atau 32°Fahrenheit, ia melepaskan sejumlah panas yang diinginkan ketika berubah dari keadaan cair pada suhu ruangan menjadi padat. Hal ini menyebabkan pencairan bertahap dari salju dan es yang terakumulasi.
Sementara kelompok tersebut sebelumnya telah melaporkan bahwa memasukkan material ke dalam beton mengaktifkan pemanasan saat suhu turun, penelitian terbaru melibatkan evaluasi kinerja beton pemanas sendiri baik dalam kondisi termal laboratorium maupun kondisi waktu nyata di luar ruangan selama musim gugur dan musim dingin.
Tujuan program ini adalah mengoptimalkan desain campuran beton untuk maksimalisasi incorporasi PCM dan mengkarakterisasi sifat termal contoh mortar PCM menggunakan LGCC. LGCC, atau longitudinal guarded comparative calorimetry, adalah perangkat uji yang digunakan untuk mengukur sifat termal dan aliran panas pada spesimen beton.
Selain itu, idenya adalah memiliki lempengan beton skala besar yang diperlakukan dengan material perubahan fase di luar laboratorium dalam kondisi alami untuk menilai seberapa efisien mereka dalam mencairkan salju dan kinerja termalnya secara waktu nyata terhadap peristiwa beku‑cair. Peristiwa tersebut mengacu pada saat suhu turun cukup untuk membekukan air, yaitu pada 32°F atau 0°C, dan kemudian naik cukup untuk mencair kembali.
Sekarang, untuk mengintegrasikan material ke dalam beton, tim menggunakan dua metode. Ini termasuk PCM mikroenkapsulasi (MPCM), di mana mikro‑kapsul parafin langsung dicampur ke dalam beton. Pendekatan lain adalah merendam material perubahan fase cair dalam agregat ringan berpori (PCM‑LWA), di mana fragmen batu kecil yang membentuk beton diperlakukan dengan parafin. Batu kecil dan kerikil ini menyerap parafin cair sebelum dimasukkan ke dalam beton.
Dalam eksperimen mereka, peneliti menggunakan tiga lempengan: satu dituangkan dengan metode MPCM, yang kedua dengan PCM‑LWA, dan yang ketiga tanpa material perubahan fase sebagai kontrol.
Lempengan‑lemparan ini telah terpapar pada iklim alami sejak Desember 2021. Selama periode tersebut, ketiganya mengalami 32 peristiwa beku‑cair, dengan suhu turun di bawah titik beku. Dalam dua tahun pertama, mereka juga menghadapi lima hujan salju dengan ketebalan satu inci atau lebih. Untuk memantau suhu dan perilaku lempengan, tim menggunakan kamera dan sensor termal.
Ketika suhu udara turun di bawah titik beku, peneliti menemukan bahwa lempengan PCM mempertahankan suhu permukaan antara 42 hingga 55 derajat Fahrenheit (5,56 hingga 12,78 derajat Celsius) selama hingga 10 jam. Ini cukup untuk mencairkan beberapa inci salju. Namun, proses ini berlangsung lambat, sekitar seperempat inci salju per jam. Meskipun tidak cukup hangat untuk mencairkan salju tebal, hal ini dapat membantu menjaga permukaan jalan bebas es dan meningkatkan keselamatan transportasi.
Hal ini bermanfaat dalam mencegah kerusakan jalan karena periode pendinginan ekstrem diikuti pemanasan menyebabkan permukaan mengembang dan menyusut, memberi tekanan pada integritas strukturalnya dan berpotensi menyebabkan retak serta pengelupasan seiring waktu. Semua ini menciptakan kerentanan yang pada akhirnya menyebabkan kegagalan struktur dari dalam, yang harus dihindari.
“Salah satu temuan menjanjikan adalah bahwa lempengan dengan material perubahan fase mampu menstabilkan suhu mereka di atas titik beku ketika menghadapi penurunan suhu lingkungan.”
– Deb
Selain membantu memperpanjang umur infrastruktur, hal ini juga dapat menghemat biaya pemeliharaan jalan. Menurut perkiraan National Highway Administration, jutaan dolar dihabiskan untuk memperbaiki jalan yang rusak akibat cuaca musim dingin. Lebih jauh lagi, dengan menghilangkan kebutuhan penambahan garam, negara bagian tidak hanya dapat menghemat biaya tenaga kerja dan garam tetapi juga mencegah mobil berkarat. Pendekatan ini juga membantu menghindari pencemaran akuifer dengan kelebihan garam, memastikan mereka tetap aman untuk penggunaan manusia.
Kemajuan Bertahap, Potensi Pertumbuhan
Kelompok tersebut memeriksa beton pemanas sendiri dalam skala yang berbeda dan menemukan bahwa PCM menunjukkan supercooling yang memuaskan, stabilitas termal jangka panjang, dan entalpi fusi yang tinggi. Secara keseluruhan, kedua lempengan beton dengan material tersebut menunjukkan kemampuan mencairkan salju yang positif sekaligus mengurangi jumlah siklus beku‑cair di musim dingin, menurut hasil studi.
Lempengan yang diperlakukan dengan agregat ringan berpori (PCM‑LWA) terbukti lebih baik dalam mengurangi jumlah siklus beku‑cair (F‑T). Hal ini disebabkan oleh distribusi relatif PCM di dalam pori‑pori serta fenomena undercooling yang dihasilkan oleh tekanan pengekangan jaringan pori LWA.
Sebagai hasilnya, hal ini memungkinkan pelepasan panas laten secara bertahap. Undercooing di sini menghasilkan transformasi fase dalam rentang suhu rendah yang lebih luas, yaitu 3,94°C hingga −13,04°C atau 39,09°F hingga 8,52°F. Oleh karena itu, metode PCM‑LWA terbukti lebih efektif dalam mencairkan salju pada rentang suhu rendah ini.
Sementara itu, fenomena pelepasan panas “satu kali” pada beton MPCM membantu mencairkan salju dengan cepat. Lempengan yang diperlakukan dengan material perubahan fase mikroenkapsulasi (MPCM) meskipun dapat memanas lebih cepat, hanya dapat mempertahankan pemanasan selama setengah waktu dibandingkan LWA‑PCM.
Jadi, sementara lempengan PCM‑LWA dapat menahan pelepasan energi panasnya hingga material mencapai 39 derajat Fahrenheit, MPCM mulai melepaskan panasnya ketika suhu mencapai 42 derajat, yang berkontribusi pada periode aktivasi yang relatif lebih pendek.
Sebagai hasilnya, tim menyatakan bahwa metode PCM‑LWA lebih cocok untuk aplikasi pencairan es pada suhu di bawah nol derajat.
Meskipun kedua aplikasi dapat meningkatkan suhu beton antara 53 hingga 55 derajat Fahrenheit, laju hujan salju dan suhu udara sekitar sebelum hujan salju memengaruhi kinerja PCM‑LWA dan MPCM.
Permukaan jalan yang mengandung PCM terbukti tidak dapat sepenuhnya mencairkan akumulasi salju tebal (lebih dari 2 inci), namun di bawah itu, mereka dapat mencairkan hujan salju “cukup efektif.” Mereka sebenarnya mulai mencairkan salju begitu salju mulai menumpuk.
Menurut Deb, pelepasan panas secara bertahap dapat berhasil mencairkan permukaan beton, menghilangkan kebutuhan penambahan garam sebelumnya sebelum hujan salju lebat. Namun, perlu dicatat bahwa material membutuhkan waktu pengisian ulang antara peristiwa salju atau beku‑cair untuk bekerja secara efektif. Jika tidak kembali ke keadaan cair pada saat itu, maka kinerjanya dapat menurun.
Sekarang tim memahami bagaimana beton yang menggabungkan PSM berperilaku di alam, mereka akan bekerja meningkatkan sistem untuk mengoptimalkannya agar menghasilkan pemanasan lebih lama dan pencairan yang lebih besar. Peneliti perlu mengumpulkan lebih banyak data untuk memahami efektivitas jangka panjang material ini dan melakukan studi untuk menentukan bagaimana metode ini dapat memperpanjang umur beton.
Ini hanyalah kemajuan terbaru dalam meningkatkan infrastruktur sambil melindungi lingkungan ketika organisasi dan pemerintah berupaya menemukan cara yang lebih baik untuk menangani musim dingin dan panas. Baru-baru ini, kami melaporkan bagaimana ilmuwan di University of California menjelaskan cara mengurangi biaya pemanasan dan pendinginan melalui ubin atap adaptif. Ubin tersebut dilengkapi dengan saklar radiasi atau perangkat termoregulasi pasif untuk merespons berbagai suhu.
Solusi lain adalah pelapis atap pintar sepanjang tahun yang dikembangkan di Materials Sciences Division Berkeley Lab yang menjaga rumah tetap hangat selama musim dingin dan sejuk selama musim panas tanpa memerlukan gas alam atau listrik. Pelapis ini menggunakan material baru yang disebut temperature-adaptive radiative coating (TARC) yang secara otomatis mematikan pendinginan radiasi di musim dingin untuk memastikan tidak terjadi pendinginan berlebih dan pemborosan energi. Semua ini menunjukkan masa depan yang lebih cerah bagi kita dan planet kita.
Bekerja pada Pemeliharaan Musim Dingin
Sekarang, mari kita lihat beberapa nama dalam industri yang menawarkan solusi pencairan es dan terlibat dalam mencari opsi yang lebih inovatif:
#1. Clear Roads
Program ini mempertemukan para profesional transportasi dan peneliti dari seluruh negara untuk mendorong inovasi dalam pemeliharaan musim dingin. Clear Roads mengevaluasi material, peralatan, dan metode dalam kondisi dunia nyata untuk menemukan teknologi dan solusi terbaik yang dapat membantu menghemat uang, meningkatkan efisiensi, dan memperbaiki keselamatan.
Dalam Pertemuan Tahunan TRB 2024, program ini fokus pada topik seperti penerapan inventaris tumpukan garam menggunakan pengukuran LiDAR, keberlanjutan garam, kecerdasan buatan, dan pemodelan gesekan jalan. Program ini juga mencakup prediksi kondisi permukaan jalan musim dingin menggunakan pendekatan berbasis data, model prediksi suhu perkerasan musim dingin berbasis transfer learning dan jaringan saraf memori jangka panjang dan pendek, pengembangan prototipe digital twin untuk pemeliharaan jalan musim dingin, masa depan cuaca jalan, dan lainnya.
#2. Cargill
Perusahaan ini menyediakan solusi pencairan es untuk jalan dan jalan raya. Solusi pemeliharaan musim dingin Cargill yang efektif meminimalkan dampak lingkungan serta biaya terkait. Berbagai produk perusahaan mencakup deicer granular, anti-icer, sistem pembuatan brine otomatis dan aditif, serta solusi untuk lapisan atas perkerasan.
Pada paruh kedua tahun lalu, dilaporkan bahwa perusahaan sedang mencari untuk menjual sebagian bisnis garam pencairan es di AS, yang pada saat itu menghasilkan sekitar $40 juta EBITDA dari pendapatan sekitar $375 juta.
Aset yang ingin dijual perusahaan terdiri dari fasilitas yang menambang, memproses, dan mengangkut garam pencairan es ke pemerintah daerah, lembaga pemerintah, dan bisnis komersial swasta di seluruh negeri untuk digunakan pada jalan raya selama badai musim dingin. Hal ini terjadi setelah Cargill menutup tambang garam ketiganya di Avery Island, LA, pada tahun 2022.
#3. Clariant
Perusahaan ini menawarkan deicing pesawat, sebuah sektor yang berkembang diproyeksikan untuk tumbuh menjadi $1,83 miliar selama tujuh tahun ke depan dengan CAGR 5%. Amerika Utara memimpin pertumbuhan ini berkat industri penerbangan yang kuat di wilayah tersebut. Sistem deicing pesawat sangat penting untuk lepas landas dan pendaratan yang aman.
Selain deicing pesawat, Clariant menawarkan solusi daur ulang dan bantuan kepada pelanggan untuk mengatasi kesulitan operasional dalam kondisi cuaca buruk di landasan. Untuk itu, mereka telah mengembangkan Deicing Fluids yang sangat efektif yang menjaga permukaan pesawat bebas dari salju dan es. Perusahaan juga berspesialisasi dalam deicing landasan dan bahan kimia anti-icing.
Kesimpulan
Jadi, seperti yang kita lihat, beton pemanas sendiri adalah penemuan besar yang dapat digunakan untuk membangun jalan, jalan masuk, dek jembatan, dan banyak jenis pekerjaan datar lainnya. Produk yang dikembangkan juga membantu meningkatkan daya tahan dan masa pakai beton, menghemat biaya pemeliharaan jalan, tenaga kerja, dan penggunaan produk sekaligus membantu mencegah mobil berkarat serta kelebihan garam mencemari akuifer. Penelitian seperti ini tidak hanya baik bagi manusia tetapi juga bagi lingkungan, membantu meningkatkan kualitas hidup kita sambil melindungi ekosistem.
