Ciência de materiais
O concreto com autoaquecimento pode ajudar nossas estradas, aquíferos e carteiras
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Nas regiões da América do Norte com climas frios, a queda de neve e os ciclos de congelamento e degelo são bastante comuns durante o inverno. Isso resulta no acúmulo de neve em estradas de concreto e em pisos planos e danos por congelamento e degelo do concreto.
No entanto, no campus da Universidade Drexel, há uma seção de concreto que demonstra o futuro das calçadas e rodovias sem congelamento. Esta seção fica bem ao lado do estacionamento da universidade.
Trata-se de duas lajes de 30 cm x 30 cm que vêm limpando neve e chuva congelante sozinhas, sem que ninguém precise usar pá, sal ou raspar, há três anos. Mas não é um milagre; é concreto autoaquecido.
Então, na semana passada, pesquisadores da Faculdade de Engenharia de Drexel relataram como eles criaram este concreto especial que pode se aquecer quando a temperatura cai para zero ou neva.
Publicado no Journal of Materials in Civil Engineering, o artigo discute o desenvolvimento de concreto autoaquecido usando materiais de mudança de fase de baixa temperatura, ou PCM.
Esses experimentos foram conduzidos no Laboratório de Materiais de Infraestrutura Avançada (AIM) da Universidade Drexel. Para a realização desses experimentos, a Compass Minerals, com sede nos EUA, forneceu o apoio financeiro, enquanto os Laboratórios MicroTek forneceram os materiais para fins de pesquisa.
O estudo foi conduzido por Amir Farnam, Ph.D., professor associado; estudante de doutorado Robin Deb; os alunos de graduação Nishant Shrestha, Kham Phan e Mohamed Cissao; e os doutorandos Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai e Parsa Namakiarhi, todos pertencentes à Faculdade de Engenharia.
Com esse concreto autoaquecido, o objetivo, como explica Farnam, é prolongar a vida útil de rodovias e diversas superfícies. Especificamente, ele auxilia essas superfícies de concreto a manter temperaturas acima de zero em climas frios. A ideia aqui é promover infraestrutura resiliente nas regiões do norte dos EUA, onde os estados investem anualmente cerca de US$ 2.3 bilhões em operações de remoção de neve e gelo.
Assim, para evitar o congelamento e o descongelamento, bem como reduzir a necessidade de aragem e salga para evitar que a superfície se desintegre, a nova experiência introduz metais especiais no betão que o ajudam a manter uma temperatura superficial mais elevada quando o clima muda.
Este material está em desenvolvimento há cerca de meia década com o objetivo de reduzir o congelamento, o descongelamento e a salga que afetam negativamente as estradas e outras superfícies de concreto. É relatado que o concreto autoaquecido tem a capacidade de derreter a neve e retardar ou impedir a formação de gelo por um longo período de tempo.
Até agora, o concreto autoaquecível mostrou grande potencial e sucesso em um ambiente controlado de laboratório, mas agora sua viabilidade também foi demonstrada no mundo real, no ambiente natural externo. E mostrou que o concreto autoaquecido pode realmente derreter a neve sem a necessidade de qualquer assistência humana ou sistemas de aquecimento. Na verdade, ele pode fazer isso sozinho, usando apenas a energia térmica diurna ambiental.
“Este concreto com autoaquecimento é adequado para regiões montanhosas e ao norte dos EUA, como o nordeste da Pensilvânia e a Filadélfia, onde há ciclos adequados de aquecimento e resfriamento no inverno.”
– Farnam
A fase de baixa temperatura muda o material
O material em questão, que ajudou o estudo a conseguir o concreto com autoaquecimento, é a parafina líquida de baixa temperatura. Este é um material de mudança de fase (PCM), o que significa que quando a temperatura ambiente cai para ~0°C ou 32°Fahrenheit, ele libera quantidades desejáveis de calor quando passa do estado líquido à temperatura ambiente para sólido. Isto leva ao derretimento gradual da neve e do gelo acumulados.
Embora o grupo tenha relatado anteriormente que a incorporação do material ao concreto ativa o aquecimento assim que ocorre uma queda na temperatura, as últimas pesquisa envolveu a avaliação do desempenho do concreto autoaquecido sob condições térmicas de laboratório e condições externas em tempo real durante o outono e inverno.
O objetivo do programa era otimizar os projetos de mistura de concreto para máxima incorporação de PCM e caracterizar as propriedades térmicas de amostras de PCM-argamassa usando LGCC. LGCC, ou calorimetria comparativa longitudinal controlada, é um dispositivo de teste usado para quantificar as propriedades térmicas e o fluxo de calor de corpos de prova de concreto.
Além disso, a ideia tem sido ter lajes de concreto em grande escala tratadas com material de mudança de fase fora do laboratório, em condições naturais, para avaliar quão eficientes são no derretimento da neve e seu desempenho térmico em tempo real contra eventos de congelamento e degelo. Os eventos referem-se a quando as temperaturas caem o suficiente para congelar a água, o que acontece a 32°F ou 0°C, e depois aumentam o suficiente para que ela descongele novamente.
Agora, para integrar o material ao concreto, a equipe utilizou dois métodos. Isto incluiu PCM microencapsulado (MPCM), onde microcápsulas de parafina são misturadas diretamente no concreto. A outra abordagem foi submergir o material líquido de mudança de fase em agregados leves porosos (PCM-LWA), sob os quais fragmentos de pequenas pedras que compõem o concreto foram tratados com parafina. Essas pequenas pedras e seixos absorvem a parafina líquida antes de serem incorporadas ao concreto.
Em seu experimento, os pesquisadores utilizaram três lajes: uma vazada pelo método MPCM, a segunda pelo método PCM-LWA e a terceira sem material de mudança de fase como controle.
Essas placas têm sido expostas ao clima natural desde dezembro de 2021. Durante esse período, todas as três placas sofreram 32 eventos de congelamento e degelo, com temperaturas caindo abaixo de zero. Nesses dois primeiros anos, elas também enfrentaram cinco nevascas de XNUMX cm ou mais. Para monitorar a temperatura e o comportamento das placas, a equipe utilizou câmeras e sensores térmicos.
Quando a temperatura do ar caiu abaixo de zero, os pesquisadores descobriram que as placas de PCM mantinham uma temperatura superficial entre 42 e 55 graus Celsius (5.56 e 12.78 graus Fahrenheit) por até 10 horas. Isso é suficiente para derreter alguns centímetros de neve. No entanto, isso acontece a uma velocidade lenta, cerca de um quarto de polegada de neve por hora. Embora não seja quente o suficiente para derreter neve pesada, pode ajudar a manter a superfície da estrada livre de gelo e aumentar a segurança do transporte.
Isto é benéfico na prevenção da deterioração das estradas, uma vez que períodos de arrefecimento extremo e depois aquecimento fazem com que a superfície se expanda e contraia em tamanho, colocando uma pressão sobre a sua integridade estrutural e potencialmente levando a fissuras e lascas ao longo do tempo. Tudo isso cria uma vulnerabilidade que acaba levando à falha da estrutura por dentro, o que deve ser evitado.
“Uma das descobertas promissoras é que as placas com materiais de mudança de fase foram capazes de estabilizar sua temperatura acima de zero quando confrontadas com a queda da temperatura ambiente.”
– Débora
Além de ajudar a prolongar a vida útil da infraestrutura, também pode poupar dinheiro na manutenção de estradas. De acordo com estimativas da Administração Rodoviária Nacional, milhões de dólares são gastos na reparação de estradas danificadas pelo inverno. Além disso, ao eliminar a necessidade de salga, os estados podem não só poupar em mão-de-obra e custos de sal, mas também evitar que os carros enferrujem. Esta abordagem também ajuda a evitar a poluição dos aquíferos com excesso de sal, garantindo que permanecem seguros para uso humano.
Progresso gradual, potencial de crescimento
O grupo examinou o concreto autoaquecível em diferentes escalas e descobriu que o PCM apresentava super-resfriamento satisfatório, estabilidade térmica a longo prazo e alta entalpia de fusão. No geral, ambas as lajes de concreto com o material mostraram capacidades positivas de derretimento de neve, ao mesmo tempo que reduziram o número de ciclos de congelamento e degelo no inverno, de acordo com os resultados do estudo.
A laje tratada com agregados leves porosos (PCM-LWA) foi melhor na diminuição do número de ciclos de congelamento-descongelamento (FT). Isto ocorreu devido ao relativo desembolso do PCM dentro dos poros e ao fenômeno de sub-resfriamento criado pela pressão de confinamento da rede de poros LWA.
Por sua vez, isso permitiu a liberação gradual de calor latente. O sub-resfriamento aqui gera transformação de fase em uma faixa maior de baixa temperatura, ou seja, 3.94°C a -13.04°C ou 39.09°F a 8.52°F. Conseqüentemente, o método PCM-LWA foi considerado mais eficaz no derretimento da neve nesta faixa de baixa temperatura.
Enquanto isso, o fenômeno de liberação de calor “one-shot” do concreto MPCM ajuda a derreter a neve em um ritmo rápido. A laje tratada com material de mudança de fase microencapsulado (MPCM), embora capaz de aquecer mais rapidamente, só conseguiu manter o aquecimento pela metade do tempo que o LWA-PCM.
Assim, enquanto as placas PCM-LWA foram capazes de reter a libertação da sua energia térmica até o material atingir os 39 graus Fahrenheit, o MPCM começou a libertar o seu calor assim que a temperatura atingiu os 42 graus, contribuindo para o seu período de activação relativamente mais curto.
Como resultado, a equipe afirmou que o método PCM-LWA é mais adequado para aplicações de degelo em temperaturas abaixo de zero.
Apesar da capacidade de ambos os aplicativos de aumentar a temperatura do concreto entre 53 e 55 graus Fahrenheit, a taxa de queda de neve e a temperatura do ar ambiente antes da queda de neve afetam o desempenho do PCM-LWA e do MPCM.
Descobriu-se que os pavimentos incorporados com PCM são incapazes de derreter completamente o acúmulo de neve pesada (maior que 2 polegadas), mas abaixo disso, eles podem derreter a neve “com bastante eficácia”. Na verdade, eles começam a descongelar a neve no instante em que ela começa a se acumular.
Segundo Deb, a liberação gradual de calor pode descongelar a superfície do concreto com sucesso, eliminando a necessidade de pré-sal antes de nevascas intensas. No entanto, é importante ressaltar que o material precisa de um tempo de recarga entre eventos de neve ou congelamento e degelo para funcionar de forma eficaz. Se não retornar ao estado líquido nesse período, o desempenho poderá ser prejudicado.
Agora que a equipe compreende como o concreto com incorporação de PSM se comporta na natureza, trabalhará para aprimorar o sistema e otimizá-lo para aquecimento mais prolongado e maior tempo de fusão. Os pesquisadores precisam coletar mais dados para entender a eficácia do material a longo prazo e conduzir um estudo para determinar como esse método pode prolongar a vida útil do concreto.
Este é apenas o mais recente avanço na melhoria da infra-estrutura e, ao mesmo tempo, na preservação do ambiente, à medida que as organizações e os governos trabalham para encontrar melhores formas de lidar com as estações frias e quentes. Recentemente, relatamos como cientistas da Universidade da Califórnia detalhou como reduzir custos de aquecimento e resfriamento por meio de telhas adaptativas. As telhas apresentam um interruptor radiativo ou um dispositivo de termorregulação passiva para responder a uma variedade de temperaturas.
Outra solução foi um revestimento inteligente para telhados, desenvolvido pela Divisão de Ciências dos Materiais do Berkeley Lab, que mantém as casas aquecidas no inverno e frescas no verão, sem a necessidade de gás natural ou eletricidade. Ele utiliza um novo material chamado revestimento radiativo adaptável à temperatura (TARC), que desliga automaticamente o resfriamento radiativo no inverno para garantir que não haja super-resfriamento nem desperdício de energia. Tudo isso demonstra um futuro mais promissor para nós e para o nosso planeta.
Trabalhando na manutenção de inverno
Agora, vamos dar uma olhada em alguns nomes do setor que oferecem soluções de degelo e estão envolvidos na busca de opções mais inovadoras:
# 1. Estradas limpas
Este programa reúne profissionais de transporte e pesquisadores de todo o país para impulsionar a inovação na manutenção de inverno. A Clear Roads avalia materiais, equipamentos e métodos em condições reais para encontrar as melhores tecnologias e soluções para ajudar a economizar dinheiro, aumentar a eficiência e melhorar a segurança.
Na sua Reunião Anual TRB 2024, o programa concentrou-se em tópicos como a implementação de inventário de estoques de sal usando medições LiDAR, sustentabilidade do sal, inteligência artificial e modelagem de atrito rodoviário. Também abordou a previsão das condições da superfície das estradas no inverno usando uma abordagem baseada em dados, um modelo de previsão da temperatura do pavimento no inverno baseado em aprendizagem de transferência e redes neurais de memória de longo e curto prazo, o desenvolvimento de um protótipo de um gêmeo digital para manutenção de estradas no inverno, o futuro da clima da estrada e muito mais.
# 2. Cargill
A empresa fornece soluções de degelo para estradas e rodovias. As soluções eficazes de manutenção de inverno da Cargill minimizam o impacto ambiental e os custos associados. A ampla gama de produtos da empresa inclui degelos granulares, anticongelantes, sistemas automatizados de produção de salmoura e aditivos, além de soluções para revestimento de pavimentos.
No segundo semestre do ano passado, foi relatado que a empresa tem procurado se desfazer de uma seleção de seus negócios de sal para degelo nos EUA, que na época geravam cerca de US$ 40 milhões de EBITDA e cerca de US$ 375 milhões em receitas.
Os ativos que a empresa pretende vender consistem em instalações que extraem, processam e transportam sais de degelo para municípios, agências governamentais e empresas comerciais privadas em todo o país para utilização em estradas durante as tempestades de inverno. Isso aconteceu depois que a Cargill fechou sua terceira mina de sal em Avery Island, Louisiana, em 2022.
# 3. Clariant
Este oferece degelo de aeronaves, um setor em crescimento projetado Crescerá para US$ 1.83 bilhão nos próximos sete anos, com uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de 5%. A América do Norte lidera esse crescimento graças à robusta indústria de aviação da região. Os sistemas de degelo de aeronaves são essenciais para decolagens e pousos seguros.
Além do degelo de aeronaves, a Clariant oferece soluções de reciclagem e assistência aos clientes para superar dificuldades operacionais em condições climáticas adversas na pista. Para isso, desenvolveu Fluidos Degelo extremamente eficazes que mantêm as superfícies das aeronaves livres de neve e gelo. A empresa também é especializada em descongelamento de pistas e produtos químicos antigelo.
Conclusão
Então, como vimos, o concreto autoaquecível é uma grande invenção que pode ser usada para construir pavimentos, calçadas, tabuleiros de pontes e muitos outros tipos de obras planas. O produto desenvolvido também ajuda a melhorar a durabilidade e a vida útil do concreto, economizando dinheiro em manutenção de estradas, mão de obra e uso de produtos, ao mesmo tempo que ajuda a evitar que os carros enferrujem e o excesso de sal polua os aquíferos. Investigação como esta não é boa apenas para os seres humanos, mas também para o ambiente, ajudando a melhorar as nossas vidas e ao mesmo tempo protegendo o ecossistema.
