Materiaalkunde
Zelfverwarmend beton kan onze wegen, aquifers en portemonnees helpen
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
In Noord-Amerikaanse regio’s met koude klimaten zijn sneeuwval en bevriezings‑ontdooiingscycli vrij gebruikelijk tijdens de winterseizoenen. Dit leidt tot ophoping van sneeuw op betonnen wegen en vlakwerk en tot bevriezings‑ontdooiingsschade aan beton.
Op de campus van Drexel University is echter een betongedeelte dat de toekomst van vorstvrije trottoirs en snelwegen laat zien. Dit gedeelte bevindt zich direct naast de parkeerplaats van de universiteit.
Het betreft twee platen van 30 bij 30 inch die al drie jaar sneeuw en ijzel zelfstandig opruimen, zonder dat iemand hoeft te scheppen, zout te strooien of te schrapen. Maar het is geen wonder; het is zelfverwarmend beton.
Afgelopen week meldden onderzoekers van de College of Engineering van Drexel hoe ze dit speciale beton hebben gecreëerd dat zichzelf kan opwarmen wanneer de temperatuur onder het vriespunt daalt of er sneeuw valt.
Gepubliceerd in het Journal of Materials in Civil Engineering bespreekt het artikel de ontwikkeling van zelfverwarmend beton met behulp van laagtemperatuur-faseovergangsmaterialen, of PCM.
Deze experimenten werden uitgevoerd in het Advanced Infrastructure Materials (AIM) Lab van Drexel University. Voor de uitvoering van deze experimenten leverde het Amerikaanse Compass Minerals de financiële steun, terwijl MicroTek Laboratories de materialen voor onderzoeksdoeleinden leverde.
De studie werd uitgevoerd door Amir Farnam, Ph.D., universitair hoofddocent; doctoraatsstudent Robin Deb; bachelorstudenten Nishant Shrestha, Kham Phan en Mohamed Cissao; en doctoraatskandidaten Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai en Parsa Namakiaraghi, allen behorend tot de College of Engineering.
Met dit zelfverwarmende beton is het doel, zoals Farnam uitlegt, de operationele levensduur van wegen en diverse oppervlakken te verlengen. Specifiek helpt het deze betonnen oppervlakken om tijdens koude klimaten temperaturen boven het vriespunt te behouden. Het idee is om veerkrachtige infrastructuur te bevorderen in de noordelijke regio’s van de VS, waar staten jaarlijks ongeveer 2,3 miljard dollar investeren in sneeuw‑ en ijsverwijderingsoperaties.
Om bevriezing en ontdooiing te voorkomen en de behoefte aan ploegen en zouten te verminderen om het oppervlak niet te laten afbrokkelen, introduceert het nieuwe experiment speciale metalen in het beton die helpen een hogere oppervlaktetemperatuur te behouden wanneer het klimaat verandert.
Dit materiaal wordt al ongeveer een half decennium ontwikkeld met als doel het verminderen van bevriezing, ontdooiing en zouten die een negatieve invloed hebben op wegen en andere betonnen oppervlakken. Zelfverwarmend beton zou in staat zijn sneeuw te smelten en de vorming van ijs gedurende een langere periode te vertragen of te voorkomen.
Tot nu toe heeft zelfverwarmend beton veel potentieel en succes getoond in een gecontroleerde laboratoriumomgeving, maar nu is de levensvatbaarheid ook aangetoond in de echte wereld, de natuurlijke buitenomgeving. Het toonde aan dat het zelfverwarmende beton daadwerkelijk sneeuw kan smelten zonder menselijke hulp of verwarmingssystemen. Het kan dit zelfstandig doen met alleen de thermische energie van de omgeving overdag.
“Dit zelfverwarmende beton is geschikt voor bergachtige en noordelijke regio’s in de VS, zoals Noordoost‑Pennsylvania en Philadelphia, waar geschikte verwarmings‑ en koelingscycli in de winter voorkomen.”
– Farnam
Het laagtemperatuur-faseovergangsmateriaal
Het betreffende materiaal, dat de studie in staat stelde zelfverwarmend beton te realiseren, is laagtemperatuur vloeibare paraffine. Dit is een faseovergangsmateriaal (PCM), wat betekent dat wanneer de omgevingstemperatuur daalt tot ongeveer 0 °C of 32 °F, het gewenste hoeveelheden warmte afgeeft wanneer het van zijn vloeibare kamertemperatuur naar een vaste toestand overgaat. Dit leidt tot het geleidelijk smelten van de opgehoopte sneeuw en ijs.
Hoewel de groep eerder heeft gerapporteerd dat het incorporeren van het materiaal in het beton verwarming activeert zodra de temperatuur daalt, betrof het nieuwste onderzoek het evalueren van de prestaties van zelfverwarmend beton onder zowel laboratoriumthermische omstandigheden als buiten realtime omstandigheden tijdens de herfst‑ en winterseizoenen.
Het doel van het programma was om betonmengsels te optimaliseren voor maximale PCM‑incorporatie en de thermische eigenschappen van PCM‑mortexvoorbeelden te karakteriseren met behulp van LGCC. LGCC, ofwel longitudinal guarded comparative calorimetry, is een testapparaat dat wordt gebruikt om de thermische eigenschappen en warmteflux van betonspecimens te kwantificeren.
Bovendien is het idee om grootschalige betonnen platen, behandeld met faseovergangsmateriaal, buiten het laboratorium in natuurlijke omstandigheden te plaatsen om te beoordelen hoe efficiënt ze sneeuw smelten en hun thermische prestaties in realtime te meten tijdens bevriezings‑ontdooiingsgebeurtenissen. Deze gebeurtenissen verwijzen naar momenten waarop de temperatuur voldoende daalt om water te bevriezen (32 °F of 0 °C) en vervolgens weer stijgt zodat het kan ontdooien.
Om het materiaal nu in beton te integreren, gebruikte het team twee methoden. Dit omvatte micro‑geëncapsuleerde PCM (MPCM), waarbij micro‑capsules van paraffine direct in het beton worden gemengd. De andere aanpak bestond uit het onderdompelen van het vloeibare faseovergangsmateriaal in poreuze lichtgewicht aggregaten (PCM‑LWA), waarbij fragmenten van kleine stenen die het beton vormen, werden behandeld met paraffine. Deze kleine stenen en kiezelstenen absorberen de vloeibare paraffine voordat ze in het beton worden verwerkt.
In hun experiment gebruikten de onderzoekers drie platen: één gegoten met de MPCM‑methode, de tweede met de PCM‑LWA, en de derde zonder faseovergangsmateriaal als controle.
Deze platen worden sinds december 2021 blootgesteld aan het natuurlijke klimaat. In die periode ondervonden alle drie 32 bevriezings‑ontdooiingsgebeurtenissen, waarbij de temperaturen onder het vriespunt daalden. In de eerste twee jaar werden ze ook geconfronteerd met vijf sneeuwval van een inch of meer. Om de temperatuur en het gedrag van de platen te monitoren, gebruikte het team camera’s en temperatuursensoren.
Wanneer de luchttemperatuur onder het vriespunt daalde, ontdekten de onderzoekers dat de PCM‑platen een oppervlaktetemperatuur tussen 42 en 55 graden Fahrenheit (5,56 en 12,78 graden Celsius) gedurende maximaal 10 uur behouden. Dit is voldoende om een paar centimeter sneeuw te smelten. Dit gebeurt echter langzaam, ongeveer een kwart inch sneeuw per uur. Hoewel het niet warm genoeg is om zware sneeuw te smelten, kan het helpen het wegdek ijsvrij te houden en de verkeersveiligheid te verhogen.
Dit is gunstig voor het voorkomen van verslechtering van wegen, omdat periodes van extreme afkoeling gevolgd door opwarming een oppervlak doen uitzetten en krimpen, wat spanning op de structurele integriteit legt en na verloop van tijd kan leiden tot scheuren en afschilfering. Dit creëert een kwetsbaarheid die uiteindelijk leidt tot falen van de constructie van binnenuit, wat vermeden moet worden.
“Een van de veelbelovende bevindingen is dat de platen met faseovergangsmaterialen hun temperatuur boven het vriespunt konden stabiliseren wanneer de omgevingstemperatuur daalde.”
– Deb
Naast het verlengen van de levensduur van infrastructuur kan het ook geld besparen op wegonderhoud. Volgens schattingen van de National Highway Administration worden miljoenen dollars besteed aan het repareren van wegen die door winterweer zijn beschadigd. Bovendien kunnen staten, door het weglaten van zout, niet alleen besparen op arbeids- en zoutkosten, maar ook voorkomen dat auto’s roesten. Deze aanpak helpt ook om aquifers niet te vervuilen met overtollig zout, zodat ze veilig blijven voor menselijk gebruik.
Geleidelijke vooruitgang, potentieel voor groei
De groep onderzocht het zelfverwarmende beton op verschillende schaalniveaus en vond dat PCM een bevredigende superkoeling, langdurige thermische stabiliteit en een hoge fusie‑enthalpie vertoonde. Over het algemeen toonden beide betonnen platen met het materiaal positieve sneeuwsmeltcapaciteiten terwijl ze het aantal bevriezings‑ontdooiingscycli in de winter verminderden, volgens de resultaten van de studie.
De plaat behandeld met poreuze lichtgewicht aggregaten (PCM‑LWA) bleek beter te zijn in het verminderen van het aantal bevriezings‑ontdooiingscycli (F‑T). Dit kwam door de relatieve verdeling van de PCM binnen de poriën en het onderkoelingsfenomeen dat wordt gecreëerd door de beklemmingsdruk van het LWA‑porennetwerk.
Dit maakte op zijn beurt een geleidelijke afgifte van latente warmte mogelijk. De onderkoeling genereert hier faseovergangen in een breder bereik van lage temperaturen, namelijk 3,94 °C tot −13,04 °C of 39,09 °F tot 8,52 °F. Daarom bleek de PCM‑LWA‑methode effectiever te zijn bij het smelten van sneeuw binnen dit lage temperatuurbereik.
Tegelijkertijd helpt het “eenmalige” warmte‑afgifte‑fenomeen van MPCM‑beton om sneeuw snel te smelten. De plaat behandeld met micro‑geëncapsuleerde faseovergangsmateriaal (MPCM) kan sneller opwarmen, maar kon de verwarming slechts de helft zo lang behouden als LWA‑PCM.
Dus, terwijl PCM‑LWA‑platen de afgifte van hun warmte‑energie konden vasthouden tot het materiaal 39 graden Fahrenheit bereikte, begon MPCM zijn warmte af te geven zodra de temperatuur 42 graden bereikte, wat bijdroeg aan de relatief kortere activeringsperiode.
Als gevolg hiervan stelde het team dat de PCM‑LWA‑methode beter geschikt is voor ontdooitoepassingen bij onder nul graden.
Hoewel beide toepassingen de betontemperatuur kunnen verhogen tot tussen 53 en 55 graden Fahrenheit, beïnvloeden de sneeuwvalintensiteit en de omgevingstemperatuur vóór een sneeuwval zowel de prestaties van PCM‑LWA als van MPCM.
Het werd vastgesteld dat bestratingen met PCM niet in staat zijn om zware sneeuwophoping (groter dan 2 inch) volledig te smelten, maar daaronder kunnen ze sneeuwval “tamelijk effectief” smelten. Ze beginnen daadwerkelijk de sneeuw te ontdooien zodra deze begint te vallen.
Volgens Deb kan de geleidelijke afgifte van warmte het betonnen oppervlak succesvol ontdooien, waardoor voorbehandeling met zout vóór zware sneeuwval overbodig wordt. Het moet echter worden opgemerkt dat het materiaal enige oplaadtijd nodig heeft tussen sneeuw- of bevriezings‑ontdooiingsgebeurtenissen om effectief te werken. Als het niet terugkeert naar zijn vloeibare toestand, kan de prestatie afnemen.
Nu het team begrijpt hoe beton met PSM zich in de natuur gedraagt, zal het werken aan het verbeteren van het systeem om het te optimaliseren voor langere verwarming en groter smelten. Onderzoekers moeten meer gegevens verzamelen om de langetermijneffectiviteit van het materiaal te begrijpen en een studie uitvoeren om te bepalen hoe deze methode de levensduur van beton kan verlengen.
Dit is slechts de nieuwste vooruitgang in het verbeteren van de infrastructuur terwijl het milieu wordt bespaard, aangezien organisaties en overheden zoeken naar betere manieren om de koude en warme seizoenen aan te pakken. Recentelijk meldden we hoe wetenschappers van de University of California gedetailleerd hoe ze warmte- en koelingskosten kunnen verlagen met adaptieve dakpannen. De tegels beschikken over een stralingsschakelaar of een passief thermoreguleringsapparaat om te reageren op een reeks temperaturen.
Een andere oplossing is een het hele jaar door werkende slimme dakcoating ontwikkeld door de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, die huizen warm houdt tijdens de winter en koel tijdens de zomer zonder gebruik van aardgas of elektriciteit. Het maakt gebruik van een nieuw materiaal genaamd een temperatuur‑adaptieve stralingscoating (TARC) die automatisch de stralingskoeling in de winter uitschakelt om overkoeling en energieverspilling te voorkomen. Dit alles wijst op een helderdere toekomst voor ons en onze planeet.
Werk aan winteronderhoud
Nu bekijken we enkele namen in de industrie die ontdooisoluties aanbieden en betrokken zijn bij het vinden van meer innovatieve opties:
#1. Clear Roads
Dit programma brengt transportprofessionals en onderzoekers uit het hele land samen om innovatie in winteronderhoud te stimuleren. Clear Roads evalueert materialen, apparatuur en methoden in realistische omstandigheden om de beste technologieën en oplossingen te vinden die helpen geld te besparen, de efficiëntie te verhogen en de veiligheid te verbeteren.
In zijn 2024 TRB Annual Meeting richtte het programma zich op onderwerpen zoals de implementatie van zoutvoorraadinventaris met behulp van LiDAR‑metingen, zoutduurzaamheid, kunstmatige intelligentie en wegen‑frictiemodellering. Het behandelde ook het voorspellen van winterwegoppervlaktecondities met een data‑gedreven aanpak, een model voor voorspelling van winterpavementtemperaturen gebaseerd op transfer learning en lange‑ en korte‑termijn geheugen‑neuraalnetwerken, het ontwikkelen van een prototype van een digitale tweeling voor winterwegonderhoud, de toekomst van wegweer, en meer.
#2. Cargill
Het bedrijf biedt ontdooisoluties voor wegen en snelwegen. De effectieve winteronderhoudsoplossingen van Cargill minimaliseren de milieueffecten evenals de bijbehorende kosten. Het brede assortiment van het bedrijf omvat korrelige ontdooiers, anti‑ontdooiers, geautomatiseerde pekelproductiesystemen en additieven, en oplossingen voor verhardingslagen.
In de tweede helft van vorig jaar werd gemeld dat het bedrijf een selectie van zijn Amerikaanse ontdooizoutactiviteiten wilde afstoten, die destijds ongeveer $40 miljoen EBITDA genereerden op een omzet van ongeveer $375 miljoen.
De activa die het bedrijf wil verkopen bestaan uit faciliteiten die ontdooizouten delven, verwerken en transporteren naar gemeenten, overheidsinstanties en particuliere commerciële bedrijven door het hele land voor gebruik op wegen tijdens winterstormen. Dit kwam nadat Cargill in 2022 zijn derde zoutmijn in Avery Island, Louisiana, had gesloten.
#3. Clariant
Dit bedrijf biedt vliegtuigontdooiing, een groeiende sector die naar verwachting $1,83 miljard zal bereiken in de komende zeven jaar met een CAGR van 5%. Noord‑Amerika leidt deze groei dankzij de robuuste luchtvaartindustrie in de regio. Vliegtuigontdooiingssystemen zijn cruciaal voor veilige starts en landingen.
Bovendien biedt Clariant recyclingoplossingen en ondersteuning aan klanten om operationele moeilijkheden onder ongunstige weersomstandigheden op de start‑ en landingsbaan te overwinnen. Hiervoor heeft het uiterst effectieve ontdooivloeistoffen ontwikkeld die de oppervlakken van vliegtuigen vrij houden van sneeuw en ijs. Het bedrijf is ook gespecialiseerd in het ontdooien van de start‑ en landingsbaan en anti‑ontdooiingschemicaliën.
Conclusie
Zoals we hebben gezien, is zelfverwarmend beton een belangrijke uitvinding die kan worden gebruikt voor de constructie van bestratingen, opritten, brugdekken en vele andere soorten vlakwerk. Het ontwikkelde product helpt ook de duurzaamheid en levensduur van beton te verbeteren, waardoor geld wordt bespaard op wegonderhoud, arbeid en materiaalgebruik, terwijl het voorkomt dat auto’s roesten en overtollig zout aquifers vervuilt. Dergelijk onderzoek is niet alleen gunstig voor de mens, maar ook voor het milieu, en draagt bij aan het verbeteren van ons leven terwijl het ecosysteem wordt beschermd.
Verbeter ons leven terwijl we het ecosysteem beschermen.
