Materialvetenskap
Självvärmande betong kan hjälpa våra vägar, akviferer och plånböcker
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
I nordamerikanska regioner med kallt klimat är snöfall och frysnings‑töningscykler ganska vanliga under vintersäsongerna. Detta leder till ansamling av snö på betongvägar och plattbetong samt frost‑töningsskador på betong.
Men på Drexel Universitys campus finns ett betongavsnitt som visar framtiden för frostfria trottoarer och motorvägar. Detta avsnitt ligger precis intill universitetets parkeringsplats.
Det består av två 30 tum × 30 tum plattor som har rensat snö och frysningsregn på egen hand, utan att någon har skottat, saltat eller skrapat i upp till tre år. Men det är ingen mirakel; det är självuppvärmande betong.
Så, förra veckan rapporterade forskare vid Drexel’s College of Engineering om hur de skapade detta speciella betong som kan värma sig själv när temperaturen sjunker till fryspunkten eller det snöar.
Publicerad i Journal of Materials in Civil Engineering diskuterar artikeln utvecklingen av självuppvärmande betong med hjälp av lågtemperaturfasändringsmaterial, eller PCM.
Dessa experiment utfördes i Drexel Universitys Advanced Infrastructure Materials (AIM) Lab. För att genomföra experimenten bidrog det amerikanska företaget Compass Minerals med finansiellt stöd, medan MicroTek Laboratories levererade material för forskningsändamål.
Studien utfördes av Amir Farnam, Ph.D., lektor; doktorand Robin Deb; studenterna Nishant Shrestha, Kham Phan och Mohamed Cissao; samt doktoranderna Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai och Parsa Namakiaraghi, alla tillhörande College of Engineering.
Med denna självuppvärmande betong är målet, enligt Farnam, att förlänga den operativa livslängden för vägar och olika ytor. Specifikt hjälper den dessa betongytor att hålla temperaturer över fryspunkten under kalla klimat. Idén är att främja motståndskraftig infrastruktur i USA:s norra regioner, där staterna årligen investerar cirka 2,3 miljarder dollar i snö‑ och isborttagningsarbete.
Så, för att förhindra frysnings‑töning samt minska behovet av plogning och saltning för att hålla ytan från att brytas ner, introducerar det nya experimentet speciella metaller i betongen som hjälper den att hålla en högre yttemperatur när klimatet förändras.
Detta material har utvecklats i ungefär ett halvt decennium med målet att minska frysnings‑töning och saltning som negativt påverkar vägar och andra betongytor. Självuppvärmande betong sägs kunna smälta snö och bromsa eller förhindra isbildning under en längre period.
Hittills har självuppvärmande betong visat stor potential och framgång i kontrollerade laboratorieförhållanden, men nu har dess livskraft också demonstrerats i den verkliga världen, den naturliga utomhusmiljön. Och den visade att betongen faktiskt kan smälta snö utan mänsklig hjälp eller värmesystem. Den kan göra det på egen hand med endast den dagliga termiska energin från omgivningen.
“Denna självuppvärmande betong är lämplig för bergiga och norra regioner i USA, såsom nordöstra Pennsylvania och Philadelphia, där det finns lämpliga värme‑ och kylcykler på vintern.”
– Farnam
Det lågtemperaturfasändringsmaterialet
Materialet i fråga, som hjälpte studien att uppnå självuppvärmande betong, är lågtemperaturflytande paraffin. Detta är ett fasändringsmaterial (PCM), vilket betyder att när omgivningstemperaturen sjunker till ca 0 °C eller 32 °F, frigör det önskad mängd värme när det övergår från sin rumstemperaturflytande form till fast form. Detta leder till gradvis smältning av den ansamlade snön och isen.
Medan gruppen tidigare rapporterat att införlivandet av materialet i betongen aktiverar uppvärmning så snart temperaturen sjunker, involverade den senaste forskningen att utvärdera prestandan hos självuppvärmande betong under både laboratorietermiska förhållanden och utomhus i realtid under höst‑ och vintersäsongerna.
Programmets syfte var att optimera betongblandningsdesign för maximal PCM‑införlivning och karakterisera de termiska egenskaperna hos PCM‑mörtelprover med hjälp av LGCC. LGCC, eller longitudinell skyddad komparativ kalorimetri, är en testapparat som används för att kvantifiera de termiska egenskaperna och värmeflödet i betongprover.
Dessutom har idén varit att behandla stora betongplattor med fasändringsmaterial utanför laboratoriet i naturliga förhållanden för att bedöma hur effektiva de är i att smälta snö och deras termiska prestanda i realtid mot frysnings‑töningshändelser. Händelserna avser när temperaturer sjunker tillräckligt för att frysa vatten, vilket sker vid 32 °F eller 0 °C, och sedan stiger tillräckligt för att tina igen.
Nu, för att integrera materialet i betongen, använde teamet två metoder. Detta inkluderade mikroinkapslad PCM (MPCM), där mikro‑kapslar av paraffin blandas direkt i betongen. Den andra metoden var att sänka ner den flytande fasändringsmaterialet i porösa lätta aggregat (PCM‑LWA), där fragment av små stenar som utgör betongen behandlades med paraffin. Dessa små stenar och grus absorberar den flytande paraffinen innan de införlivas i betongen.
I deras experiment använde forskarna tre plattor: en gjuten med MPCM‑metoden, den andra med PCM‑LWA, och den tredje utan fasändringsmaterial som kontroll.
Dessa plattor har utsatts för det naturliga klimatet sedan december 2021. Under denna tid upplevde alla tre 32 frysnings‑töningshändelser, med temperaturer under fryspunkten. Under de första två åren mötte de också fem snöfall på en tum eller mer. För att övervaka temperatur och plattornas beteende använde teamet kameror och termiska sensorer.
När lufttemperaturen sjönk under fryspunkten fann forskarna att PCM‑plattorna behöll en yttemperatur mellan 42 och 55 grader Fahrenheit (5,56 och 12,78 grader Celsius) i upp till 10 timmar. Detta räcker för att smälta ett par tum snö. Detta sker dock i en långsam takt, cirka en fjärdedels tum snö per timme. Även om det inte är tillräckligt varmt för att smälta tung snö, kan det hjälpa till att hålla vägytan fri från is och öka transportsäkerheten.
Detta är fördelaktigt för att förhindra förfall av vägar eftersom perioder av extrem kylning och sedan uppvärmning får en yta att expandera och kontrahera, vilket belastar dess strukturella integritet och potentiellt leder till sprickor och spalling över tid. Allt detta skapar en sårbarhet som i slutändan leder till strukturellt fel från insidan, vilket måste undvikas.
“En av de lovande fynden är att plattorna med fasändringsmaterial kunde stabilisera sin temperatur över fryspunkten när de mötte fallande omgivningstemperaturer.”
– Deb
Förutom att hjälpa till att förlänga infrastrukturens livslängd kan det också spara pengar på väghållning. Enligt uppskattningar från National Highway Administration spenderas miljontals dollar på reparation av vägar som skadats av vinterväder. Dessutom, genom att eliminera behovet av saltning, kan stater både spara på arbetskraft och saltskostnader samt förhindra att bilar rostar. Detta tillvägagångssätt hjälper också till att undvika förorening av akviferer med överskott av salt, vilket säkerställer att de förblir säkra för mänsklig användning.
Gradvis framsteg, potential för tillväxt
Gruppen undersökte självuppvärmande betong i olika skala och fann att PCM visar tillfredsställande superkylning, långsiktig termisk stabilitet och hög fusionsentalpi. Sammantaget visade båda betongplattorna med materialet positiva snösmältande egenskaper samtidigt som antalet frysnings‑töningscykler minskade under vintern, enligt studiens resultat.
Plattan behandlad med porösa lätta aggregat (PCM‑LWA) visade sig vara bättre på att minska antalet frysnings‑töningscykler (F‑T). Detta berodde på den relativa fördelningen av PCM inom porerna och underkylningsfenomenet som skapades av konfineringstrycket i LWA‑pornätverket.
Detta möjliggjorde en gradvis frisättning av latent värme. Underkylningen här genererar fasomvandling i ett bredare lågtemperaturområde, det vill säga 3,94 °C till −13,04 °C eller 39,09 °F till 8,52 °F. Därför visade sig PCM‑LWA‑metoden vara mer effektiv för att smälta snö i detta lågtemperaturområde.
Samtidigt hjälper fenomenet med “en‑skotts” värmefrigöring i MPCM‑betong den att smälta snö i snabb takt. Plattan behandlad med mikroinkapslad fasändringsmaterial (MPCM) kunde värmas upp snabbare, men kunde bara hålla värmen hälften så länge som LWA‑PCM.
Så, medan PCM‑LWA‑plattor kunde hålla sin värmeenergi frigjord tills materialet nådde 39 grader Fahrenheit, började MPCM frigöra sin värme redan när temperaturen nådde 42 grader, vilket bidrog till dess relativt kortare aktiveringsperiod.
Som ett resultat uttalade teamet att PCM‑LWA‑metoden är bättre lämpad för avfrostningsapplikationer vid under nollgrader.
Trots att båda applikationerna kan höja betongens temperatur mellan 53 och 55 grader Fahrenheit, påverkar snöfallshastigheten och den omgivande lufttemperaturen före ett snöfall både PCM‑LWA‑ och MPCM‑prestanda.
Parkerade med PCM kunde inte helt smälta kraftiga snöansamlingar (större än 2 tum), men under detta kan de smälta snöfall “ganska effektivt”. De börjar faktiskt avfrosta snön så snart den börjar samlas.
Enligt Deb kan den gradvisa värmefrigöringen framgångsrikt tina betongens yta, vilket eliminerar behovet av försaltning inför kraftigt snöfall. Dock måste det noteras att materialet behöver viss återuppladdningstid mellan snö‑ eller frysnings‑töningshändelser för att fungera effektivt. Om det inte återgår till sin flytande form under denna tid kan prestandan minska.
Nu när teamet förstår hur betong som innehåller PCM beter sig i naturen, kommer de att arbeta med att förbättra systemet för att optimera det för längre uppvärmning och större smältning. Forskare behöver samla in mer data för att förstå materialets långsiktiga effektivitet och genomföra en studie för att avgöra hur denna metod kan förlänga betongens livslängd.
Detta är bara det senaste framsteget i att förbättra infrastrukturen samtidigt som miljön skyddas, då organisationer och regeringar arbetar med att hitta bättre sätt att hantera kalla och varma årstider. Nyligen rapporterade vi hur forskare vid University of California detaljerade hur man kan minska värme‑ och kylkostnader genom adaptiva takplattor. Plattorna har en strålningsbrytare eller en passiv termoreguleringsanordning för att svara på ett brett temperaturspann.
En annan lösning har varit en helårig smart‑takbeläggning utvecklad i Berkeley Labs Materials Sciences Division som håller hus varma under vintern och svala under sommaren utan att kräva naturgas eller el. Den använder ett nytt material kallat temperatur‑adaptiv strålningsbeläggning (TARC) som automatiskt stänger av den strålningskyldiga kylningen på vintern för att säkerställa att det inte blir överkylning och energiförlust. Allt detta visar en ljusare framtid för oss och vår planet.
Arbete med vinterunderhåll
Låt oss nu titta på några av namnen i branschen som erbjuder avisningslösningar och är involverade i att hitta mer innovativa alternativ:
#1. Clear Roads
Detta program samlar transportproffs och forskare från hela landet för att driva innovation inom vinterunderhåll. Clear Roads utvärderar material, utrustning och metoder i verkliga förhållanden för att hitta de bästa teknologierna och lösningarna som hjälper till att spara pengar, öka effektiviteten och förbättra säkerheten.
I sin 2024 TRB Annual Meeting fokuserade programmet på ämnen som implementering av lager av saltskattning med hjälp av LiDAR‑mätningar, salts hållbarhet, artificiell intelligens och vägbeläggningsfriktionsmodellering. Det täckte också förutsägelse av vintervägytans förhållanden med en datadriven metod, en vintervägstemperatur‑förutsägelsemodell baserad på transfer learning och LSTM‑nätverk, utveckling av en prototyp av en digital tvilling för vintervägunderhåll, framtiden för väder på vägar och mer.
#2. Cargill
Företaget tillhandahåller avisningslösningar för vägar och motorvägar. Cargills effektiva vinterunderhållslösningar minimerar miljöpåverkan samt de associerade kostnaderna. Företagets breda produktutbud inkluderar granulära avisningsmedel, anti‑avisningsmedel, automatiserade saltlösningssystem och tillsatser samt lösningar för beläggningsöverskikt.
Under andra halvan av förra året rapporterades det att företaget har tittat på att avyttra ett urval av sina amerikanska avisningssaltverksamheter, som då genererade ungefär 40 miljoner dollar i EBITDA på cirka 375 miljoner dollar i intäkter.
Tillgångarna som företaget vill sälja består av anläggningar som bryter, bearbetar och transporterar avisningssalt till kommuner, myndigheter och privata kommersiella företag över hela landet för användning på vägar under vinterstormar. Detta kom efter att Cargill stängde sin tredje saltsgruva på Avery Island, LA, år 2022.
#3. Clariant
Detta erbjuder flygplansavisning, en växande sektor projected att växa till 1,83 miljarder dollar under de kommande sju åren med en CAGR på 5 %. Nordamerika leder tillväxten tack vare regionens robusta flygindustri. Flygplansavisningssystem är kritiska för säkra start- och landningsförfaranden.
Förutom flygplansavisning erbjuder Clariant återvinningslösningar och hjälp till kunder för att övervinna operativa svårigheter i ogynnsamma väderförhållanden på landningsbanan. För detta har de utvecklat extremt effektiva avisningsvätskor som håller flygplanens ytor fria från snö och is. Företaget specialiserar sig också på avisning av landningsbanor och anti‑avisningskemikalier.
Slutsats
Så, som vi har sett, är självuppvärmande betong en stor uppfinning som kan användas för att konstruera trottoarer, uppfarter, brodäck och många andra typer av plattytor. Den utvecklade produkten hjälper också till att förbättra betongens hållbarhet och livslängd, sparar pengar på väghållning, arbetskraft och materialanvändning samtidigt som den hjälper till att förhindra att bilar rostar och att överskottssalt förorenar akviferer. Forskning som denna är inte bara bra för människor utan också för miljön, den förbättrar våra liv samtidigt som den skyddar ekosystemet.
