Materialvitenskap
Selvoppvarmende betong kan hjelpe veiene våre, akviferer og lommebøker
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
I nordamerikanske regioner med kaldt klima er snøfall og fryse‑tine‑sykluser ganske vanlige i vintermånedene. Dette fører til oppsamling av snø på betongveier og flater, samt fryse‑tine‑skader på betong.
Men på Drexel Universitys campus finnes det et betongområde som viser fremtiden for frostfrie fortau og motorveier. Dette området ligger rett ved universitetets parkeringsplass.
Det består av to fliser på 30 tommer x 30 tommer som har ryddet snø og fryserain på egen hånd, uten at noen har måttet måke, salte eller skrape i opptil tre år. Men det er ingen mirakel; det er selvoppvarmende betong.
Så, forrige uke rapporterte forskere ved Drexel’s College of Engineering rapporterte om hvordan de laget denne spesielle betongen som kan varme seg selv når temperaturen faller til frysepunktet eller det snør.
Publisert i Journal of Materials in Civil Engineering diskuterer artikkelen utviklingen av selvoppvarmende betong ved bruk av lavtemperatur faseendringsmaterialer, eller PCM.
Disse eksperimentene ble utført i Drexel University’s Advanced Infrastructure Materials (AIM) Lab. For å gjennomføre eksperimentene ga det amerikanske selskapet Compass Minerals økonomisk støtte, mens MicroTek Laboratories leverte materialene for forskningsformål.
Studien ble utført av Amir Farnam, Ph.D., førsteamanuensis; doktorgradsstudent Robin Deb; bachelorstudenter Nishant Shrestha, Kham Phan og Mohamed Cissao; samt doktorgradsstipendiater Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai og Parsa Namakiaraghi, som alle tilhører College of Engineering.
Målet med denne selvoppvarmende betongen, som Farnam forklarer, er å forlenge den operative levetiden til veier og ulike overflater. Spesielt hjelper den betongoverflatene med å holde temperaturene over frysepunktet i kaldt klima. Ideen er å fremme robust infrastruktur i USAs nordlige regioner, hvor statene årlig investerer omtrent 2,3 milliarder dollar i snø- og isfjerning.
Dermed, for å forhindre frysing og tining samt redusere behovet for pløying og salting for å holde overflaten fra å smuldre, introduserer det nye eksperimentet spesielle metaller i betongen som hjelper den med å opprettholde en høyere overflatetemperatur når klimaet endres.
Dette materialet har vært under utvikling i omtrent et halvt tiår med mål om å redusere frysing, tining og salting som negativt påvirker veier og andre betongoverflater. Selvoppvarmende betong skal kunne smelte snø og bremse eller forhindre isdannelse over en lengre periode.
Frem til nå har selvoppvarmende betong vist stort potensial og suksess i kontrollerte laboratorieforhold, men nå er dens levedyktighet også demonstrert i den virkelige verden, i det naturlige ute-miljøet. Den viste at betongen faktisk kan smelte snø uten menneskelig assistanse eller varmesystemer. Den kan gjøre dette på egen hånd ved kun å bruke den miljømessige termiske energien fra dagen.
“Denne selvoppvarmende betongen er egnet for fjell- og nordlige regioner i USA, som Nordøst-Pennsylvania og Philadelphia, hvor det er passende oppvarmings‑ og kjøle‑sykluser om vinteren.”
– Farnam
Lavtemperatur faseendringsmateriale
Materialet det er snakk om, som hjalp studien med å oppnå selvoppvarmende betong, er lavtemperatur flytende parafin. Dette er et faseendringsmateriale (PCM), som betyr at når omgivelsestemperaturen faller til ca. 0 °C eller 32 °F, frigjør det ønskelige mengder varme når det går fra væske ved romtemperatur til fast stoff. Dette fører til gradvis smelting av oppsamlet snø og is.
Mens gruppen tidligere har rapportert at innlemmelse av materialet i betongen aktiverer oppvarming så snart temperaturen faller, involverte den nyeste forskning å evaluere ytelsen til selvoppvarmende betong både under laboratorietermiske forhold og i utendørs sanntidsforhold i høst- og vintersesongene.
Programmets formål var å optimalisere betongblandingsdesign for maksimal PCM‑innlemmelse og karakterisere de termiske egenskapene til PCM‑mørtelprøver ved bruk av LGCC. LGCC, eller longitudinal guarded comparative calorimetry, er et testapparat som brukes til å kvantifisere de termiske egenskapene og varmestrømmen i betongprøver.
I tillegg har idéen vært å ha betongplater i stor skala behandlet med faseendringsmateriale utenfor laboratoriet under naturlige forhold for å vurdere hvor effektive de er i å smelte snø og deres termiske ytelse i sanntid mot fryse‑tine‑hendelser. Hendelsene refererer til når temperaturene faller nok til å fryse vann, som skjer ved 32 °F eller 0 °C, og deretter stiger nok til at det tiner igjen.
For å integrere materialet i betong brukte teamet to metoder. Dette inkluderte mikroinnkapslet PCM (MPCM), hvor mikro‑kapsler av parafin blandes direkte inn i betongen. Den andre tilnærmingen var å nedsenke det flytende faseendringsmaterialet i porøse lettvektaggregater (PCM‑LWA), hvor fragmenter av små steiner som utgjør betongen ble behandlet med parafin. Disse små steinene og småsteinene absorberer den flytende parafinen før de innlemmes i betongen.
I eksperimentet brukte forskerne tre plater: en støpt med MPCM‑metoden, den andre med PCM‑LWA, og den tredje uten faseendringsmateriale som kontroll.
Disse platene har blitt utsatt for det naturlige klimaet siden desember 2021. I løpet av denne perioden opplevde alle tre 32 fryse‑tine‑hendelser, med temperaturer under frysepunktet. I de første to årene møtte de også fem snøfall på en tomme eller mer. For å overvåke temperatur og platens oppførsel brukte teamet kameraer og termiske sensorer.
Når lufttemperaturen falt under frysepunktet, fant forskerne at PCM‑platene holdt en overflatetemperatur mellom 42 og 55 grader Fahrenheit (5,56 og 12,78 grader Celsius) i opptil 10 timer. Dette er nok til å smelte noen få tommer snø. Imidlertid skjer dette i et langsomt tempo, omtrent en kvart tomme snø per time. Selv om den ikke er varm nok til å smelte tung snø, kan den bidra til å holde veidekket fritt for is og øke trafikksikkerheten.
Dette er gunstig for å forhindre forringelse av veier, da perioder med ekstrem avkjøling og påfølgende oppvarming får overflaten til å utvide og trekke seg sammen, noe som belaster strukturell integritet og potensielt fører til sprekker og avskalling over tid. Alt dette skaper en sårbarhet som til slutt fører til strukturell svikt fra innsiden, noe som må unngås.
“Et av de lovende funnene er at platene med faseendringsmaterialer klarte å stabilisere temperaturen over frysepunktet når de ble utsatt for fallende omgivelsestemperaturer.”
– Deb
I tillegg til å bidra til å forlenge infrastrukturenes levetid, kan det også spare penger på veivedlikehold. Ifølge estimater fra National Highway Administration brukes millioner av dollar på reparasjon av veier skadet av vintervær. Videre, ved å fjerne behovet for salting, kan statene både spare på arbeidskraft og saltkostnader, samt forhindre at biler ruster. Denne tilnærmingen bidrar også til å unngå forurensning av akviferer med overskuddssalt, og sikrer at de forblir trygge for menneskelig bruk.
Gradvis fremgang, potensial for vekst
Gruppen undersøkte den selvoppvarmende betongen i ulike skalaer og fant at PCM viste tilfredsstillende superkjøling, langsiktig termisk stabilitet og høy fusjonsentalpi. Totalt sett viste begge betongplatene med materialet positive snøsmelteegenskaper samtidig som antallet fryse‑tine‑sykluser om vinteren ble redusert, i henhold til studiens resultater.
Platen behandlet med porøse lettvektaggregater (PCM‑LWA) viste seg å være bedre til å redusere antallet fryse‑tine‑sykluser (F‑T). Dette skyldtes den relative fordelingen av PCM innenfor porene og underkjølingsfenomenet som skapes av konfigurasjonstrykket i LWA‑porenettverket.
Dette tillot igjen en gradvis frigjøring av latent varme. Underkjølingen her genererer faseovergang i et bredere lavtemperaturområde, det vil si fra 3,94 °C til −13,04 °C eller 39,09 °F til 8,52 °F. Dermed ble PCM‑LWA‑metoden funnet å være mer effektiv i å smelte snø i dette lavtemperaturområdet.
Samtidig hjelper fenomenet med «engangs» varmefrigjøring i MPCM‑betong den med å smelte snø raskt. Platen behandlet med mikroinnkapslet faseendringsmateriale (MPCM) kan varme opp raskere, men kan kun opprettholde varmen i omtrent halvparten så lang tid som LWA‑PCM.
Så, mens PCM‑LWA‑plater kunne holde på varmeenergien til materialet nådde 39 °F, begynte MPCM å frigjøre varme så snart temperaturen nådde 42 °F, noe som bidrar til en relativt kortere aktiveringsperiode.
Som et resultat uttalte teamet at PCM‑LWA‑metoden er bedre egnet for avisningsapplikasjoner ved under null grader.
Til tross for begge applikasjonenes evne til å heve betongtemperaturen mellom 53 og 55 °F, påvirker snøfallshastigheten og den omgivende lufttemperaturen før et snøfall både PCM‑LWA‑ og MPCM‑ytelsen.
Pavementer med innlemmet PCM viste seg å ikke kunne smelte tung snøakkumulering (større enn 2 tommer) fullstendig, men under dette kan de smelte snøfall «ganske effektivt». De begynner faktisk å tine snøen så snart den begynner å samle seg.
Ifølge Deb kan den gradvise frigjøringen av varme effektivt tine betongoverflaten, og dermed fjerne behovet for forhåndssalting før tungt snøfall. Det må imidlertid bemerkes at materialet trenger en viss ladetid mellom snø‑ eller fryse‑tine‑hendelser for å fungere effektivt. Hvis det ikke går tilbake til væskeform i denne perioden, kan ytelsen reduseres.
Nå som teamet forstår hvordan betong med PSM oppfører seg i naturen, vil de arbeide med å forbedre systemet for å optimalisere det for lengre oppvarming og større smelting. Forskere må samle mer data for å forstå materialets langsiktige effektivitet og gjennomføre en studie for å fastslå hvordan denne metoden kan forlenge betongens levetid.
Dette er bare den siste utviklingen i å forbedre infrastrukturen samtidig som miljøet sparer, ettersom organisasjoner og myndigheter arbeider med å finne bedre måter å håndtere kalde og varme årstider på. Nylig rapporterte vi hvordan forskere ved University of California detaljerte hvordan man kan kutte varme‑ og kjølekostnader gjennom adaptive takfliser. Flisene har en strålingsbryter eller en passiv termoreguleringsenhet som reagerer på et spekter av temperaturer.
En annen løsning er en helårig smart‑takbelegg utviklet i Berkeley Labs Materials Sciences Division som holder hjem varme om vinteren og kjølige om sommeren uten å kreve naturgass eller elektrisitet. Den bruker et nytt materiale kalt temperatur‑adaptiv strålingsbelegg (TARC) som automatisk slår av strålingskjølingen om vinteren for å sikre at det ikke blir overkjøling og energitap. Alt dette viser en lysere fremtid for oss og planeten vår.
Arbeid med vintervedlikehold
La oss nå se på noen av navnene i bransjen som tilbyr avisningsløsninger og er involvert i å finne mer innovative alternativer:
#1. Clear Roads
Dette programmet samler transportprofesjonelle og forskere fra hele landet for å drive innovasjon innen vintervedlikehold. Clear Roads evaluerer materialer, utstyr og metoder i virkelige forhold for å finne de beste teknologiene og løsningene som kan bidra til å spare penger, øke effektiviteten og forbedre sikkerheten.
I sitt 2024 TRB Annual Meeting, fokuserte programmet på temaer som implementering av saltlagringsinventar ved bruk av LiDAR‑målinger, salts bærekraft, kunstig intelligens og modellering av veigjennomslag. Det dekket også prediksjon av vintervegoverflatetilstander ved bruk av en datadrevet tilnærming, en vintervegpavementtemperaturprediksjonsmodell basert på transfer learning og lange og korte minne‑nevrale nettverk, utvikling av en prototype av en digital tvilling for vinterveivedlikehold, fremtiden for veivær og mer.
#2. Cargill
Selskapet tilbyr avisningsløsninger for veier og motorveier. Cargills effektive vintervedlikeholdsløsninger minimerer miljøpåvirkningen samt de tilhørende kostnadene. Selskapets brede produktsortiment inkluderer granulære avisningsmidler, anti‑avisningsmidler, automatiserte saltløsning‑systemer og tilsetningsstoffer, samt løsninger for overlegg på veidekker.
I andre halvdel av fjoråret ble det rapportert at selskapet har sett på å selge en del av sine amerikanske avisningssaltvirksomheter, som på den tiden genererte omtrent 40 millioner dollar i EBITDA på omtrent 375 millioner dollar i inntekter.
Aktivene selskapet ønsker å selge består av anlegg som utvinner, bearbeider og transporterer avisningssalt til kommuner, offentlige etater og private kommersielle virksomheter over hele landet for bruk på veier under vinterstormer. Dette kom etter at Cargill stengte sin tredje saltgruve på Avery Island, LA, i 2022.
#3. Clariant
Dette selskapet tilbyr flyavisning, en voksende sektor projisert til å nå 1,83 milliarder dollar i løpet av de neste syv årene med en CAGR på 5 %. Nord-Amerika leder denne veksten takket være regionens robuste luftfartsindustri. Flyavisningssystemer er kritiske for sikre avgang og landing.
I tillegg til flyavisning tilbyr Clariant resirkuleringsløsninger og bistand til kunder for å overvinne driftsvansker under ugunstige værforhold på rullebanen. For dette har de utviklet ekstremt effektive avisningsvæsker som holder flyoverflatene fri for snø og is. Selskapet spesialiserer seg også på avisning av rullebanen og anti‑avisningskjemikalier.
Konklusjon
Som vi har sett, er selvoppvarmende betong en betydelig oppfinnelse som kan brukes til å konstruere gangveier, innkjørsler, brodekker og mange andre typer flater. Det utviklede produktet bidrar også til å forbedre betongens holdbarhet og levetid, noe som sparer penger på veivedlikehold, arbeidskraft og materialbruk, samtidig som det hjelper med å forhindre at biler ruster og at overskuddssalt forurenser akviferer. Forskning som dette er ikke bare bra for mennesker, men også for miljøet, og bidrar til å forbedre livene våre samtidig som økosystemet beskyttes.
