自己発熱コンクリートは道路、帯水層、財布を助ける可能性がある

寒冷気候の北米地域では、冬季に降雪と凍結融解のサイクルが非常に一般的です。その結果、コンクリート道路や平地に雪が積もり、コンクリートの凍結融解による損傷が発生します。 

しかし、ドレクセル大学のキャンパスには、凍結のない歩道や高速道路の未来を示すコンクリートのセクションがあります。このセクションは大学の駐車場のすぐ隣にあります。

30インチ×30インチのXNUMX枚のコンクリート板が、XNUMX年間もの間、雪かきや塩まき、スクラップ処理をすることなく、自ら雪や凍雨を除去してきた。しかし、これは奇跡ではない。自己発熱コンクリートなのだ。 

そこで先週、ドレクセル大学工学部の研究者たちは この特殊なコンクリートをどのように作成したかについて報告しました 気温が氷点下まで下がったり、雪が降ったりしたときに、それ自体が温まる可能性があります。

Journal of Materials in Civil Engineering に掲載されたこの論文は、低温相変化材料 (PCM) を使用した自己発熱コンクリートの開発について論じています。 

これらの実験は、ドレクセル大学の先端インフラ材料（AIM）研究所で実施されました。これらの実験を実施するにあたり、米国に拠点を置くコンパスミネラルズ社が資金援助を行い、マイクロテックラボラトリーズ社が研究用材料を提供しました。

この研究は准教授のアミール・ファーナム博士によって実施されました。博士課程の学生ロビン・デブ。学部生のニシャント・シュレスタ、カム・ファン、モハメド・シサオ。博士候補者のシャラニアヤ・ヴィシュヴァリンガム氏、アンジェラ・ムトゥ​​ア氏、ユーシフ・アルケナイ氏、パルサ・ナマキアラギ氏はいずれも工学部に所属している。

ファーナム氏によると、この自己発熱コンクリートの目的は、道路や様々な路面の耐用年数を延ばすことです。具体的には、寒冷地においてコンクリート表面の温度を氷点以上に保つのに役立ちます。米国北部地域では、各州が除雪・除氷事業に年間約2.3億ドルを投資しており、この取り組みの目的は、これらの地域における強靭なインフラ整備を促進することです。

そこで、凍結と融解を防ぎ、表面の崩れを防ぐための耕起や塩漬けの必要性を減らすために、新しい実験では、気候が変化したときに表面温度をより高く維持するのに役立つ特殊な金属をコンクリートに導入しました。

この材料は、道路やその他のコンクリート表面に悪影響を与える凍結、融解、塩害を軽減することを目的として、約5年にわたって開発されてきました。自己発熱コンクリートには、雪を溶かし、長期間氷の形成を遅らせたり防止したりする能力があると報告されています。

これまで、自己発熱コンクリートは、管理された実験室環境で大きな可能性と成功を示してきましたが、現在では、その実行可能性が現実世界、つまり屋外の自然環境でも実証されています。そして、自己発熱コンクリートは人間の援助や暖房システムを必要とせずに実際に雪を溶かすことができることを示しました。実際には、環境にある昼間の熱エネルギーのみを使用して、それ自体でそれを行うことができます。 

「この自己発熱コンクリートは、冬に適切な冷暖房サイクルがあるペンシルベニア北東部やフィラデルフィアなど、USUSの山間部や北部地域に適しています。」 

– ファーナム

低温相変化物質

研究で自己発熱コンクリートの実現に貢献した問題の材料は、低温流動パラフィンです。これは相変化材料 (PCM) であり、周囲温度が約 0 °C または 32 °F に低下すると、室温の液体状態から固体に変化するときに望ましい量の熱を放出します。これにより、積もった雪や氷が徐々に溶けていきます。

このグループは以前、コンクリートにこの材料を混ぜると、温度が下がると同時に加熱が活性化すると報告していたが、最新の 研究 この研究には、実験室の熱条件と秋から冬の季節の屋外のリアルタイム条件の両方で自己発熱コンクリートの性能を評価することが含まれていました。 

このプログラムの目的は、PCMの配合を最大限に高めるためのコンクリート配合設計を最適化し、LGCCを用いてPCMモルタルの熱特性を評価することでした。LGCC（縦方向ガード比較熱量測定）は、コンクリート供試体の熱特性と熱流を定量化するために使用される試験装置です。 

さらに、実験室の外の自然条件下で相変化材料で処理した大規模なコンクリートスラブを使用して、融雪効率と凍結融解現象に対する熱性能をリアルタイムで評価するというアイデアも考えられています。この現象は、水が凍るほど気温が低下したとき (32°F または 0°C で発生し、その後、再び解けるまで十分に上昇したとき) を指します。 

さて、材料をコンクリートに統合するために、チームは 2 つの方法を利用しました。これには、パラフィンのマイクロカプセルをコンクリートに直接混合するマイクロカプセル化 PCM (MPCM) が含まれます。もう 1 つのアプローチは、液体の相変化材料を多孔質軽量骨材 (PCM-LWA) に浸し、その下でコンクリートを構成する小さな石の破片をパラフィンで処理することでした。これらの小さな石や小石は、コンクリートに組み込まれる前に流動パラフィンを吸収します。

実験では、研究者らは 3 つのスラブを使用しました。1 つは MPCM 法を使用して流し込み、2 つ目は PCM-LWA を使用し、3 つ目は対照として相変化材料を使用しませんでした。 

これらの岩板は2021年32月以来、自然気候にさらされてきました。この間、XNUMXつの岩板全てでXNUMX回の凍結融解が起こり、気温は氷点下まで下がりました。また、最初のXNUMX年間では、XNUMXインチ以上の降雪もXNUMX回発生しました。温度と岩板の挙動を監視するため、研究チームはカメラと温度センサーを使用しました。 

気温が氷点下に下がったとき、研究者らは、PCM スラブの表面温度が華氏 42 ～ 55 度 (摂氏 5.56 ～ 12.78 度) に最長 10 時間維持されることを発見しました。これは数インチの雪を溶かすのに十分です。ただし、これは遅い速度で起こり、XNUMX 時間あたり約 XNUMX 分の XNUMX インチの雪が降ります。大雪を溶かすほど暖かくはありませんが、路面の凍結を防ぎ、交通の安全性を高めるのに役立ちます。

これは、極度の寒冷化とその後の温暖化により路面のサイズが拡大縮小し、構造的な完全性に負担がかかり、時間の経過とともにひび割れや剥離が発生する可能性があるため、道路の劣化を防ぐのに役立ちます。これらすべてが脆弱性を生み出し、最終的には内部からの構造の破壊につながるため、これは回避する必要があります。 

「有望な発見の 1 つは、相変化材料を使用したスラブは、周囲温度の低下に直面しても、その温度を氷点以上に安定させることができたということです。」

– デブ

インフラストラクチャの寿命を延ばすのに役立つだけでなく、道路の維持費も節約できます。国道管理局の推計によると、冬の天候で損傷した道路の修復には数百万ドルが費やされている。さらに、塩漬けの必要性がなくなることで、州は人件費と塩のコストを節約できるだけでなく、自動車の錆びを防ぐこともできる。このアプローチは、過剰な塩分による帯水層の汚染を回避し、人間が使用しても安全な状態を保つのにも役立ちます。

緩やかな進歩、成長の可能性 

同グループは、さまざまなスケールで自己発熱コンクリートを検査し、PCM が満足のいく過冷却、長期の熱安定性、および高い融解エンタルピーを示していることを発見しました。研究結果によると、全体として、この材料を使用した両方のコンクリートスラブは、冬の凍結融解サイクルの回数を減らしながら、プラスの融雪能力を示しました。

多孔質軽量骨材 (PCM-LWA) で処理したスラブは、凍結融解 (FT) サイクル数の減少に優れていることがわかりました。これは、細孔内での PCM の相対的な分配と、LWA 細孔ネットワークの閉じ込め圧力によって生じる過冷却現象によるものでした。 

これにより、潜熱が徐々に放出されるようになりました。ここでの過冷却により、より広い低温範囲、つまり 3.94°C ～ -13.04°C または 39.09°F ～ 8.52°F で相変態が発生します。したがって、この低温域では PCM-LWA 工法の方が融雪に効果的であることがわかりました。

一方、MPCM コンクリートの「ワンショット」熱放出現象は、雪を速いペースで溶かすのに役立ちます。マイクロカプセル化された相変化材料 (MPCM) で処理されたスラブは、より迅速に加熱できるものの、LWA-PCM の半分の時間しか加熱を維持できませんでした。

そのため、PCM-LWA スラブは材料が華氏 39 度に達するまで熱エネルギーの放出を維持できましたが、MPCM は温度が 42 度に達した瞬間に熱を放出し始め、これが比較的短い活性化期間に貢献しました。

その結果、研究チームは、PCM-LWA 方式が氷点下の温度での除氷用途に適していると述べました。

どちらのアプリケーションもコンクリートの温度を華氏 53 度から 55 度に上げる能力がありますが、降雪量と降雪前の周囲気温が PCM-LWA と MPCM の両方のパフォーマンスに影響します。

PCM を組み込んだ舗装は、積もった大雪（2 インチ以上）を完全に溶かすことはできないが、それ以下であれば「かなり効果的に」降雪を溶かすことができることが判明しました。実際には、雪が降り積もるとすぐに解凍が始まります。 

デブ氏によると、徐々に熱を放出することでコンクリートの表面を効果的に解凍できるため、大雪の前に事前に塩を散布する必要がなくなるとのことです。ただし、この材料が効果的に機能するには、降雪や凍結融解の間に一定の再充填時間が必要であることに注意が必要です。この間に材料が液体状態に戻らないと、性能が低下する可能性があります。

研究チームはPSMを組み込んだコンクリートが自然界でどのように挙動するかを理解し、より長時間の加熱とより強い融解を実現できるようシステムの改良に取り組んでいきます。研究者たちは、この材料の長期的な有効性を理解するためにさらなるデータを収集し、この方法がコンクリートの寿命を延ばす可能性について研究を行う必要があります。

これは、組織や政府が寒い季節と暑い季節に対処するより良い方法を見つけるために取り組んでいる中で、環境を保護しながらインフラを改善する最新の進歩にすぎません。最近、私たちはカリフォルニア大学の科学者たちがどのような方法で研究を行ったかを報告しました。 適応型屋根瓦によって熱と冷房のコストを削減する方法の詳細。タイルには、さまざまな温度に対応する放射スイッチまたは受動的温度調節装置が備えられています。

もう一つの解決策は、バークレー研究所の材料科学部門が開発したオールシーズン対応のスマートルーフコーティングです。このコーティングは、天然ガスや電気を必要とせず、冬は暖かく、夏は涼しく家を維持します。このコーティングは、温度適応型放射コーティング（TARC）と呼ばれる新素材を用いており、冬季には放射冷却を自動的にオフにすることで、過冷却やエネルギーの無駄を防ぎます。これらすべてが、私たちと地球にとってより明るい未来を示しています。

冬期メンテナンス中

それでは、除氷ソリューションを提供し、より革新的な選択肢の模索に取り組んでいる業界の名前をいくつか見てみましょう。 

#1。 きれいな道路

このプログラムには、冬期メンテナンスの革新を推進するために、全国から輸送専門家や研究者が集まります。 Clear Roads は、現実世界の状況で材料、機器、および方法を評価し、コストの節約、効率の向上、安全性の向上に役立つ最適なテクノロジーとソリューションを見つけます。

その中で 2024年TRB年次総会、プログラムは、LiDAR 測定を使用した塩備蓄インベントリの実装、塩の持続可能性、人工知能、道路摩擦モデリングなどのトピックに焦点を当てました。また、データ駆動型アプローチを使用した冬の路面状態の予測、転移学習と長期および短期記憶ニューラルネットワークに基づく冬期舗装温度予測モデル、冬期道路メンテナンスのためのデジタルツインのプロトタイプの開発、将来の道路整備についても取り上げました。道路の天気など。

#2。 カーギル

カーギルは、道路や高速道路向けの除氷ソリューションを提供しています。カーギルの効果的な冬季メンテナンスソリューションは、環境への影響と関連コストを最小限に抑えます。同社の幅広い製品ラインナップには、粒状除氷剤、防氷剤、自動塩水製造システムおよび添加剤、舗装オーバーレイソリューションなどが含まれます。 

昨年後半は、 報告 同社は、当時約40億375万ドルの収益で約XNUMX万ドルのEBITDAを生み出していた米国の除氷塩事業の一部を売却することを検討していると述べた。 

同社が売却を検討している資産は、冬の嵐の際に道路で使用するために、全国の自治体、政府機関、民間商業企業に凍結防止塩を採掘、加工、輸送する施設で構成されている。これは、カーギルが2022年にルイジアナ州エイブリーアイランドにあるXNUMX番目の岩塩鉱山を閉鎖した後の出来事だった。

#3。 クラリアント

これは成長分野である航空機の除氷を提供します 投影 今後1.83年間で年平均成長率5%でXNUMX億XNUMX万ドル規模に成長すると予測されています。北米は、堅調な航空産業のおかげで、この成長を牽引しています。航空機の除氷システムは、安全な離着陸に不可欠です。

航空機の除氷に加えて、クラリアントはリサイクル ソリューションと滑走路の悪天候下での運用上の困難を克服するための支援をお客様に提供しています。このため、航空機の表面に雪や氷が付着しないようにする非常に効果的な除氷剤を開発しました。同社は滑走路の除氷や防氷剤も専門としている。 

結論 

したがって、これまで見てきたように、自己発熱コンクリートは、舗装、私道、橋の床版、その他多くの種類の平面工事の建設に使用できる大きな発明です。開発された製品は、コンクリートの耐久性と耐用年数を向上させ、道路の維持管理、労働力、製品使用のコストを節約すると同時に、車の錆びや過剰な塩分による帯水層の汚染を防ぐのにも役立ちます。このような研究は人間だけでなく環境にも良いものであり、生態系を保護しながら私たちの生活を向上させるのに役立ちます。

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