Ciência dos materiais
Concreto Autocalentável 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‑descongelamento são bastante comuns durante as estações de inverno. Isso resulta no acúmulo de neve em estradas de concreto e superfícies planas e em danos por congelamento‑descongelamento ao concreto.
Entretanto, no campus da Drexel University, há uma seção de concreto que demonstra o futuro de calçadas e rodovias livres de gelo. Essa seção está localizada bem ao lado do estacionamento da universidade.
Ela envolve duas lajes de 30 polegadas por 30 polegadas que têm limpado neve e chuva congelante por conta própria, sem que ninguém precise usar pá, sal ou raspador, por até três anos. Mas não é um milagre; o que é, na verdade, é concreto autocalentável.
Então, na semana passada, pesquisadores da College of Engineering da Drexel relataram como criaram esse concreto especial que pode aquecer a si mesmo quando a temperatura cai para o ponto de congelamento ou quando neva.
Publicado no Journal of Materials in Civil Engineering, o artigo discute o desenvolvimento de concreto autocalentável usando materiais de mudança de fase de baixa temperatura, ou PCM.
Esses experimentos foram realizados no Laboratório de Materiais de Infraestrutura Avançada (AIM) da Drexel University. Para conduzir esses experimentos, a Compass Minerals, dos EUA, forneceu apoio financeiro, enquanto a MicroTek Laboratories forneceu os materiais para fins de pesquisa.
O estudo foi conduzido por Amir Farnam, Ph.D., professor associado; a estudante de doutorado Robin Deb; os graduandos Nishant Shrestha, Kham Phan e Mohamed Cissao; e os candidatos a doutorado Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai e Parsa Namakiaraghi, todos pertencentes à College of Engineering.
Com esse concreto autocalentável, o objetivo, como explica Farnam, é prolongar a vida operacional de rodovias e diversas superfícies. Especificamente, ele ajuda essas superfícies de concreto a manter temperaturas acima de zero durante climas frios. A ideia aqui é promover infraestrutura resiliente nas regiões setentrionais dos EUA, onde os estados investem anualmente cerca de US$ 2,3 bilhões em operações de remoção de neve e gelo.
Portanto, para impedir o congelamento e o descongelamento, bem como reduzir a necessidade de limpeza e salgação para evitar que a superfície se desintegre, o novo experimento introduz metais especiais no concreto que ajudam a manter uma temperatura de superfície mais alta quando o clima muda.
Esse material está em desenvolvimento há cerca de meio década com o objetivo de reduzir o congelamento, descongelamento e a salgação que impactam negativamente estradas e outras superfícies de concreto. O concreto autocalentável tem a capacidade de derreter neve e retardar ou impedir a formação de gelo por um período prolongado.
Até agora, o concreto autocalentável mostrou grande potencial e sucesso em ambiente de laboratório controlado, mas agora sua viabilidade também foi demonstrada no mundo real, ao ar livre. E mostrou que o concreto autocalentável pode realmente derreter neve sem necessidade de assistência humana ou sistemas de aquecimento. Ele pode fazer isso por conta própria usando apenas a energia térmica diurna do ambiente.
“Este concreto autocalentável é adequado para regiões montanhosas e setentrionais dos EUA, como o nordeste da Pensilvânia e Filadélfia, onde há ciclos adequados de aquecimento e resfriamento no inverno.”
– Farnam
O Material de Mudança de Fase de Baixa Temperatura
O material em questão, que ajudou o estudo a alcançar concreto autocalentável, 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 ao passar de seu estado líquido em temperatura ambiente para sólido. Isso leva ao derretimento gradual da neve e gelo acumulados.
Embora o grupo já tenha relatado anteriormente que a incorporação do material ao concreto ativa o aquecimento assim que há queda de temperatura, a pesquisa mais recente envolveu a avaliação do desempenho do concreto autocalentável tanto em condições térmicas de laboratório quanto em condições reais ao ar livre durante as estações de outono e inverno.
O objetivo do programa foi otimizar as formulações de mistura de concreto para máxima incorporação de PCM e caracterizar as propriedades térmicas de exemplos de argamassa com PCM usando LGCC. LGCC, ou calorimetria comparativa longitudinal guardada, é um dispositivo de teste usado para quantificar as propriedades térmicas e o fluxo de calor de espécimes de concreto.
Além disso, a ideia foi tratar lajes de concreto em grande escala com material de mudança de fase fora do laboratório, em condições naturais, para avaliar quão eficientes elas são em derreter neve e seu desempenho térmico em tempo real contra eventos de congelamento‑descongelamento. Os eventos referem‑se a quando as temperaturas caem o suficiente para congelar a água, o que ocorre a 32 °F ou 0 °C, e depois sobem o bastante para descongelar novamente.
Agora, para integrar o material ao concreto, a equipe utilizou dois métodos. Isso incluiu PCM microencapsulado (MPCM), onde microcápsulas de parafina são misturadas diretamente ao concreto. A outra abordagem foi submergir o material de mudança de fase líquido em agregados leves porosos (PCM‑LWA), nos 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 incorporados ao concreto.
Em seu experimento, os pesquisadores usaram três lajes: uma fundida usando o método MPCM, a segunda usando o PCM‑LWA e a terceira sem material de mudança de fase como controle.
Essas lajes foram expostas ao clima natural desde dezembro de 2021. Durante esse período, todas as três vivenciaram 32 eventos de congelamento‑descongelamento, com temperaturas caindo abaixo de zero. Nos primeiros dois anos, também enfrentaram cinco nevascas de uma polegada ou mais. Para monitorar a temperatura e o comportamento das lajes, a equipe utilizou câmeras e sensores térmicos.
Quando as temperaturas do ar caíram abaixo de zero, os pesquisadores descobriram que as lajes com PCM mantiveram uma temperatura de superfície entre 42 e 55 °F (5,56 e 12,78 °C) por até 10 horas. Isso é suficiente para derreter alguns centímetros de neve. Contudo, isso ocorre a uma velocidade lenta, cerca de um quarto de polegada de neve por hora. Embora não seja quente o bastante para derreter neve pesada, pode ajudar a manter a superfície da estrada livre de gelo e aumentar a segurança no transporte.
Isso é benéfico para prevenir a deterioração das estradas, pois períodos de resfriamento extremo seguidos de aquecimento fazem a superfície expandir e contrair, colocando tensão em sua integridade estrutural e potencialmente levando a fissuras e descamações ao longo do tempo. Tudo isso cria vulnerabilidades que, em última análise, conduzem à falha da estrutura por dentro, algo que deve ser evitado.
“Uma das descobertas promissoras é que as lajes com materiais de mudança de fase foram capazes de estabilizar sua temperatura acima de zero quando expostas a quedas de temperatura ambiente.”
– Deb
Além de ajudar a prolongar a vida da infraestrutura, isso também pode economizar dinheiro em manutenção de estradas. Segundo estimativas da National Highway Administration, milhões de dólares são gastos na reparação de estradas danificadas pelo clima de inverno. Além disso, ao eliminar a necessidade de salgação, os estados podem economizar não apenas em mão‑de‑obra e custos de sal, mas também impedir que os carros enferrujem. Essa abordagem também ajuda a evitar a poluição de aquíferos com excesso de sal, garantindo que permaneçam seguros para uso humano.
Progresso Gradual, Potencial de Crescimento
O grupo examinou o concreto autocalentável em diferentes escalas e constatou que o PCM apresenta superresfriamento satisfatório, estabilidade térmica a longo prazo e alta entalpia de fusão. No geral, ambas as lajes de concreto com o material demonstraram capacidades positivas de derretimento de neve enquanto reduziam o número de ciclos de congelamento‑descongelamento no inverno, conforme os resultados do estudo.
A laje tratada com agregados leves porosos (PCM‑LWA) mostrou-se melhor na diminuição do número de ciclos de congelamento‑descongelamento (F‑T). Isso se deve à distribuição relativa do PCM dentro dos poros e ao fenômeno de sub‑resfriamento criado pela pressão de confinamento da rede de poros do LWA.
Consequentemente, 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, de 3,94 °C a −13,04 °C (39,09 °F a 8,52 °F). Portanto, o método PCM‑LWA mostrou-se mais eficaz em derreter neve nessa faixa de baixa temperatura.
Enquanto isso, o fenômeno de liberação de calor “em um único disparo” do concreto MPCM ajuda a derreter neve rapidamente. A laje tratada com material de mudança de fase microencapsulado (MPCM), embora aqueça mais rapidamente, só conseguiu manter o aquecimento por metade do tempo que a LWA‑PCM.
Assim, enquanto as lajes PCM‑LWA foram capazes de manter a liberação de energia térmica até que o material atingisse 39 °F, o MPCM começou a liberar calor assim que a temperatura chegou a 42 °F, contribuindo para seu período de ativação 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 de ambas as aplicações elevarem a temperatura do concreto entre 53 e 55 °F, a taxa de queda de neve e a temperatura do ar ambiente antes da nevasca afetam tanto o desempenho do PCM‑LWA quanto do MPCM.
Pavimentos incorporados com PCM mostraram-se incapazes de derreter completamente acumulações de neve pesada (maiores que 2 polegadas), mas abaixo desse limite podem derreter a neve “bastante eficazmente”. Eles realmente começam a descongelar a neve no instante em que ela começa a se acumular.
Segundo Deb, a liberação gradual de calor pode descongelar com sucesso a superfície do concreto, eliminando a necessidade de pré‑salgação antes de nevascas intensas. Contudo, deve‑se observar que o material precisa de algum tempo de recarga entre eventos de neve ou congelamento‑descongelamento para funcionar efetivamente. Se não retornar ao estado líquido nesse intervalo, seu desempenho pode diminuir.
Agora que a equipe entende como o concreto que incorpora PCM se comporta na natureza, trabalhará na melhoria do sistema para otimizar um aquecimento mais prolongado e maior derretimento. Os pesquisadores precisam coletar mais dados para compreender a eficácia a longo prazo do material e conduzir um estudo para determinar como esse método pode prolongar a vida útil do concreto.
Este é apenas o avanço mais recente na melhoria da infraestrutura enquanto se protege o meio ambiente, à medida que organizações e governos buscam maneiras melhores de lidar com as estações fria e quente. Recentemente, relatamos como cientistas da University of California detalharam como reduzir custos de aquecimento e refrigeração por meio de telhas de telhado adaptativas. As telhas apresentam um interruptor radiativo ou um dispositivo de termorregulação passiva para responder a uma variedade de temperaturas.
Outra solução tem sido um revestimento inteligente para telhados de todas as estações desenvolvido na Divisão de Ciências dos Materiais do Berkeley Lab, que mantém as casas aquecidas no inverno e frescas no verão sem exigir gás natural ou eletricidade. Ele utiliza um novo material chamado revestimento radiativo adaptativo à temperatura (TARC) que desliga automaticamente o resfriamento radiativo no inverno para garantir que não haja superresfriamento e desperdício de energia. Tudo isso indica um futuro mais promissor para nós e para o nosso planeta.
Trabalhando na Manutenção de Inverno
Agora, vamos observar alguns dos nomes da indústria que oferecem soluções de degelo e estão envolvidos na busca por opções mais inovadoras:
#1. Clear Roads
Este programa reúne profissionais de transporte e pesquisadores de todo o país para impulsionar a inovação na manutenção de inverno. Clear Roads avalia materiais, equipamentos e métodos em condições reais para encontrar as melhores tecnologias e soluções que ajudem a economizar dinheiro, aumentar a eficiência e melhorar a segurança.
Em seu Encontro Anual TRB 2024, o programa focou em tópicos como a implementação de inventário de sal usando medições LiDAR, sustentabilidade do sal, inteligência artificial e modelagem de atrito de pavimento. Também abordou a previsão de condições de superfície de estradas no inverno usando abordagem baseada em dados, um modelo de previsão de temperatura de pavimento de inverno baseado em aprendizado por transferência e redes neurais de memória de longo e curto prazo, desenvolvimento de um protótipo de gêmeo digital para manutenção de estradas no inverno, o futuro do clima rodoviário e muito mais.
#2. Cargill
A empresa fornece soluções de degelo para estradas e rodovias. As soluções de manutenção de inverno eficazes da Cargill minimizam o impacto ambiental, bem como os custos associados. A ampla gama de produtos da empresa inclui desgelantes granulares, anti‑gelantes, sistemas automatizados de produção de salmoura e aditivos, e soluções para sobreposição de pavimentos.
Na segunda metade do ano passado, foi relatado que a empresa estava buscando vender parte de seus negócios de sal de degelo nos EUA, que na época geravam aproximadamente US$ 40 milhões de EBITDA sobre cerca de US$ 375 milhões em receita.
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 uso em vias durante tempestades de inverno. Isso ocorreu depois que a Cargill fechou sua terceira mina de sal em Avery Island, LA, em 2022.
#3. Clariant
Esta empresa oferece degelo de aeronaves, um setor em crescimento projetado para crescer até US$ 1,83 bilhão nos próximos sete anos a um CAGR de 5 %. A América do Norte lidera esse crescimento graças à robusta indústria de aviação da região. Sistemas de degelo de aeronaves são críticos para decolagens e pousos seguros.
Além do degelo de aeronaves, a Clariant oferece soluções de reciclagem e assistência a clientes para superar dificuldades operacionais em condições climáticas adversas nas pistas. Para isso, desenvolveu fluidos de degelo extremamente eficazes que mantêm as superfícies das aeronaves livres de neve e gelo. A empresa também se especializa em degelo de pistas e produtos anti‑gel.
Conclusão
Portanto, como vimos, o concreto autocalentável é uma grande invenção que pode ser usada para construir pavimentos, calçadas, decks de pontes e muitos outros tipos de superfícies 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 prevenir a corrosão de veículos e a poluição excessiva de sais nos aquíferos. Pesquisas como esta são boas não apenas para os seres humanos, mas também para o meio ambiente, ajudando a melhorar nossas vidas enquanto protegemos o ecossistema.
