Agham ng Materyales
Ang Self-Heating Concrete ay Maaaring Tumulong sa Ating mga Kalsada, Aquifer, at Pitaka
Sa mga rehiyon ng Hilagang Amerika na may malamig na klima, karaniwan ang pag-ulan ng niyebe at mga siklo ng pagyeyelo‑pagkatunaw tuwing taglamig. Nagdudulot ito ng pag-ipon ng niyebe sa mga konkretong kalsada at patag na gawa, pati na rin ng pinsala dulot ng pagyeyelo‑pagkatunaw ng konkreto.
Gayunpaman, sa kampus ng Drexel University, may isang bahagi ng konkreto na nagpapakita ng hinaharap ng mga bangketa at highway na walang nagyeyelong niyebe. Ang bahaging ito ay matatagpuan katabi ng paradahan ng unibersidad.
Binubuo ito ng dalawang slab na 30 pulgada x 30 pulgada na naglilinis ng niyebe at nagyeyelong ulan nang mag-isa, nang walang sinumang naggagapas, naglalagay ng asin, o nag-scrap, sa loob ng hanggang tatlong taon. Ngunit hindi ito isang himala; ito ay tinatawag na self-heating concrete.
Kaya, noong nakaraang linggo, iniulat ng mga mananaliksik sa College of Engineering ng Drexel kung paano nila nilikha ang espesyal na konkreto na ito na kayang magpainit ng sarili kapag bumababa ang temperatura sa punto ng pagyeyelo o kapag umuulan ng niyebe.
Inilathala sa Journal of Materials in Civil Engineering, tinatalakay ng papel ang pag-unlad ng self-heating concrete gamit ang low-temperature phase change materials, o PCM.
Isinagawa ang mga eksperimento sa Advanced Infrastructure Materials (AIM) Lab ng Drexel University. Upang maisagawa ang mga ito, nagbigay ng pinansyal na suporta ang US-based na Compass Minerals, habang nagbigay ng mga materyales para sa pananaliksik ang MicroTek Laboratories.
Ang pag-aaral ay isinagawa nina Amir Farnam, Ph.D., isang associate professor; doctoral student na si Robin Deb; mga undergraduate na sina Nishant Shrestha, Kham Phan, at Mohamed Cissao; at mga doctoral candidate na sina Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai, at Parsa Namakiaraghi, na lahat ay kabilang sa College of Engineering.
Sa self-heating concrete na ito, ang layunin, ayon kay Farnam, ay pahabain ang operational na buhay ng mga kalsada at iba pang mga ibabaw. Partikular, tumutulong ito sa mga konkretong ibabaw na mapanatili ang temperatura na higit sa pagyeyelo sa malamig na klima. Ang ideyang ito ay magtaguyod ng matibay na imprastruktura sa mga hilagang rehiyon ng US, kung saan taun-taon ang mga estado ay naglalaan ng humigit-kumulang $2.3 bilyon para sa operasyon ng pag-alis ng niyebe at yelo.
Kaya, upang maiwasan ang pagyeyelo at pagkatunaw pati na rin mabawasan ang pangangailangan sa pagwawalis at paglalagay ng asin upang hindi masira ang ibabaw, ipinakilala ng bagong eksperimento ang mga espesyal na metal sa konkreto na tumutulong nitong mapanatili ang mas mataas na temperatura ng ibabaw kapag nagbabago ang klima.
Ang materyal na ito ay nasa pag-unlad nang halos kalahating dekada na may layuning bawasan ang pagyeyelo, pagkatunaw, at paglalagay ng asin na negatibong nakakaapekto sa mga kalsada at iba pang konkretong ibabaw. Iniulat na ang self-heating concrete ay may kakayahang tunawin ang niyebe at pabagalin o pigilan ang pagbuo ng yelo sa mahabang panahon.
Hanggang ngayon, ang self-heating concrete ay nagpakita ng malaking potensyal at tagumpay sa isang kontroladong laboratoryo, ngunit ngayon napatunayan na rin ang pagiging epektibo nito sa totoong mundo, sa labas na natural na kapaligiran. Ipinakita nito na ang self-heating concrete ay tunay na makapagtunaw ng niyebe nang hindi nangangailangan ng tulong ng tao o mga sistema ng pag-init. Kaya nitong gawin ito nang mag-isa gamit lamang ang thermal na enerhiya ng kapaligiran sa araw.
“Ang self-heating concrete na ito ay angkop para sa mga kabundukan at hilagang rehiyon sa US, tulad ng Northeast Pennsylvania at Philadelphia, kung saan may angkop na siklo ng pag-init at paglamig tuwing taglamig.”
– Farnam
Ang Low-Temperature Phase Change Material
Ang materyal na tinutukoy, na tumulong sa pag-aaral na makamit ang self-heating concrete, ay low-temperature liquid paraffin. Ito ay isang phase-change material (PCM), na nangangahulugang kapag bumaba ang ambient na temperatura sa ∼0°C o 32°F, naglalabas ito ng kanais-nais na dami ng init kapag nagbabago mula sa likidong estado sa room temperature patungo sa solid. Ito ay nagdudulot ng unti-unting pagkatunaw ng naipong niyebe at yelo.
Habang dati nang iniulat ng grupo na ang pag-incorporate ng materyal sa konkreto ay nag-aactivate ng pag-init kapag bumaba ang temperatura, ang pinakabagong pananaliksik ay nagsama ng pagsusuri sa performance ng self-heating concrete sa parehong laboratory thermal conditions at outdoor real-time conditions sa panahon ng taglagas at taglamig.
Layunin ng programa na i-optimize ang mga disenyo ng halo ng konkreto para sa pinakamataas na pag-incorporate ng PCM at ilarawan ang mga thermal na katangian ng mga halimbawa ng PCM-mortar gamit ang LGCC. Ang LGCC, o longitudinal guarded comparative calorimetry, ay isang testing device na ginagamit upang sukatin ang mga thermal na katangian at daloy ng init ng mga konkretong specimen.
Dagdag pa rito, layunin na magkaroon ng malakihang mga slab ng konkreto na tinrato ng phase-change material sa labas ng laboratoryo sa natural na kondisyon upang tasahin kung gaano sila kaepektibo sa pagkatunaw ng niyebe at ang kanilang thermal performance sa real-time laban sa mga freeze-thaw na pangyayari. Ang mga pangyayaring ito ay tumutukoy sa kapag ang temperatura ay bumaba nang sapat upang magyelo ang tubig, na nangyayari sa 32°F o 0°C, at pagkatapos ay tumaas nang sapat upang matunaw muli.
Ngayon, upang isama ang materyal sa konkreto, gumamit ang koponan ng dalawang paraan. Kabilang dito ang microencapsulated PCM (MPCM), kung saan ang mga micro-capsule ng paraffin ay direktang hinahalo sa konkreto. Ang isa pang pamamaraan ay ang pag-submerge ng liquid phase-change material sa porous lightweight aggregates (PCM-LWA), kung saan ang mga fragment ng maliliit na bato na bumubuo sa konkreto ay tinatrato ng paraffin. Ang mga maliliit na bato at pebbles ay sumisipsip ng liquid paraffin bago isama sa konkreto.
Sa kanilang eksperimento, gumamit ang mga mananaliksik ng tatlong slab: isang ibinuhos gamit ang metodong MPCM, ang ikalawa gamit ang PCM-LWA, at ang ikatlo na walang phase-change material bilang kontrol.
Ang mga slab na ito ay hinarap ang natural na klima mula pa noong Dis. 2021. Sa panahong iyon, ang lahat ng tatlo ay nakaranas ng 32 freeze-thaw na pangyayari, kung saan bumaba ang temperatura sa ibaba ng pagyeyelo. Sa unang dalawang taon, naranasan din nila ang limang pag-ulan ng niyebe na isang pulgada o higit pa. Upang subaybayan ang temperatura at pag-uugali ng mga slab, gumamit ang koponan ng mga kamera at thermal sensor.
Kapag bumaba ang temperatura ng hangin sa ibaba ng pagyeyelo, natuklasan ng mga mananaliksik na ang mga PCM slab ay nagpapanatili ng surface temperature sa pagitan ng 42 at 55 degrees Fahrenheit (5.56 at 12.78 degrees Celsius) sa loob ng hanggang 10 oras. Sapat ito upang tunawin ang ilang pulgada ng niyebe. Gayunpaman, nangyayari ito nang mabagal, mga isang-kapat ng pulgada ng niyebe bawat oras. Bagaman hindi sapat ang init upang tunawin ang mabigat na niyebe, makakatulong ito upang panatilihing walang yelo ang ibabaw ng kalsada at mapabuti ang kaligtasan sa transportasyon.
Ito ay kapaki-pakinabang sa pag-iwas sa pagkasira ng mga kalsada dahil ang mga panahon ng matinding paglamig at pagkatapos pag-init ay nagdudulot ng pag-uunat at pag-urong ng ibabaw, na naglalagay ng strain sa integridad ng estruktura at maaaring magdulot ng pag-crack at spalling sa paglipas ng panahon. Lahat ng ito ay lumilikha ng kahinaan na sa huli ay nagdudulot ng pagkabigo ng estruktura mula sa loob, na dapat iwasan.
“Isa sa mga magagarang natuklasan ay na ang mga slab na may phase-change materials ay nagawang panatilihin ang kanilang temperatura sa itaas ng pagyeyelo kapag humaharap sa pagbaba ng ambient na temperatura.”
– Deb
Bukod sa pagtulong na pahabain ang buhay ng imprastruktura, makakatipid din ito sa gastusin sa pagpapanatili ng kalsada. Ayon sa mga pagtatantiya ng National Highway Administration, milyun-milyong dolyar ang ginagastos sa pag-aayos ng mga kalsadang nasira ng panahon ng taglamig. Higit pa rito, sa pag-alis ng pangangailangan sa paglalagay ng asin, makakatipid ang mga estado hindi lamang sa paggawa at gastos sa asin kundi pati na rin sa pag-iwas sa pagkakalawang ng mga sasakyan. Ang pamamaraan na ito ay tumutulong din na maiwasan ang polusyon ng mga aquifer sa sobrang asin, na tinitiyak na mananatiling ligtas para sa paggamit ng tao.
Unti-unting Pag-unlad, Potensyal para sa Paglago
Sinuri ng grupo ang self-heating concrete sa iba’t ibang sukat at natuklasan na ang PCM ay nagpapakita ng kasiya-siyang supercooling, pangmatagalang thermal stability, at mataas na enthalpy ng fusion. Sa pangkalahatan, parehong ang mga concrete slab na may materyal ay nagpakita ng positibong kakayahan sa pagkatunaw ng niyebe habang binabawasan ang bilang ng freeze-thaw cycles sa taglamig, ayon sa mga resulta ng pag-aaral.
Ang slab na tinrato ng porous lightweight aggregates (PCM-LWA) ay natuklasang mas mahusay sa pagbawas ng bilang ng freeze-thaw (F-T) cycles. Ito ay dahil sa relatibong pamamahagi ng PCM sa loob ng mga pores at ang undercooling phenomenon na nilikha ng confinement pressure ng LWA pore network.
Bilang resulta, pinahintulutan nito ang unti-unting paglabas ng latent heat. Ang undercooling dito ay nagbubuo ng phase transformation sa mas malawak na saklaw ng mababang temperatura, iyon ay mula 3.94°C hanggang −13.04°C o 39.09°F hanggang 8.52°F. Kaya, natuklasan na ang PCM-LWA na pamamaraan ay mas epektibo sa pagkatunaw ng niyebe sa saklaw na ito ng mababang temperatura.
Samantala, ang “one-shot” heat release phenomenon ng MPCM concrete ay tumutulong na tunawin ang niyebe nang mabilis. Ang slab na tinrato ng microencapsulated phase-change material (MPCM) bagaman mas mabilis mag-init, ay maaaring mapanatili lamang ang pag-init ng kalahati ng oras kumpara sa LWA-PCM.
Kaya, habang ang mga PCM-LWA slab ay nakayanan na panatilihin ang paglabas ng init hanggang umabot ang materyal sa 39 degrees Fahrenheit, ang MPCM ay nagsimulang maglabas ng init nang umabot na ang temperatura sa 42 degrees, na nag-aambag sa mas maikling activation period nito.
Bilang resulta, sinabi ng koponan na ang PCM-LWA na pamamaraan ay mas angkop para sa mga de-icing application sa sub-zero na temperatura.
Sa kabila ng kakayahan ng parehong aplikasyon na itaas ang temperatura ng konkreto sa pagitan ng 53 at 55 degrees Fahrenheit, ang dami ng pag-ulan ng niyebe at ang ambient na temperatura ng hangin bago ang pag-ulan ay nakakaapekto sa performance ng parehong PCM-LWA at MPCM.
Natuklasan na ang mga pavement na may PCM ay hindi kayang ganap na tunawin ang mabigat na pag-accumulate ng niyebe (higit sa 2 pulgada), ngunit sa ibaba nito, maaari nilang tunawin ang pag-ulan ng niyebe “medyo epektibo.” Totoong nagsisimula silang mag-defrost ng niyebe sa sandaling ito ay magsimulang mag-ipon.
Ayon kay Deb, ang unti-unting paglabas ng init ay maaaring matagumpay na mag-thaw sa ibabaw ng konkreto, na nag-aalis ng pangangailangan para sa pre-salting bago ang mabigat na pag-ulan ng niyebe. Gayunpaman, dapat tandaan na ang materyal ay nangangailangan ng ilang oras na recharge sa pagitan ng mga pangyayaring niyebe o freeze-thaw upang epektibong gumana. Kung hindi ito bumalik sa likidong estado sa panahong iyon, maaaring bumaba ang performance.
Ngayon na nauunawaan na ng koponan kung paano kumikilos ang konkreto na may PSM sa kalikasan, magtatrabaho sila sa pagpapabuti ng sistema upang i-optimize ito para sa mas mahabang pag-init at mas malaking pagkatunaw. Kailangan ng mga mananaliksik na mangolekta ng karagdagang datos upang maunawaan ang pangmatagalang bisa ng materyal at magsagawa ng pag-aaral upang matukoy kung paano maaaring pahabain ng pamamaraang ito ang buhay ng konkreto.
Isa pang solusyon ay ang all-season smart-roof coating na binuo ng Materials Sciences Division ng Berkeley Lab na nagpapanatiling mainit ang mga tahanan sa taglamig at malamig sa tag-init nang hindi nangangailangan ng natural gas o kuryente. Ginagamit nito ang bagong materyal na tinatawag na temperature-adaptive radiative coating (TARC) na awtomatikong nag-ooff ng radiative cooling sa taglamig upang matiyak na walang overcooling at pag-aaksaya ng enerhiya. Ipinapakita ng lahat ng ito ang mas maliwanag na kinabukasan para sa atin at sa ating planeta.
Pagtatrabaho sa Pagpapanatili sa Taglamig
Ngayon, tingnan natin ang ilang pangalan sa industriya na nag-aalok ng mga solusyon sa deicing at kasangkot sa paghahanap ng mas makabago pang mga opsyon:
#1. Clear Roads
Ang programang ito ay nagtitipon ng mga propesyonal sa transportasyon at mga mananaliksik mula sa buong bansa upang pasiglahin ang inobasyon sa winter maintenance. Sinusuri ng Clear Roads ang mga materyales, kagamitan, at pamamaraan sa totoong kondisyon upang mahanap ang pinakamahusay na teknolohiya at solusyon na makakatulong magtipid, magpataas ng kahusayan, at mapabuti ang kaligtasan.
, nakatuon ang programa sa mga paksa tulad ng pagpapatupad ng inventory ng salt stockpile gamit ang mga sukat ng LiDAR, sustainability ng asin, artificial intelligence, at modeling ng friction ng kalsada. Tinatalakay din nito ang pag-predict ng kondisyon ng winter road surface gamit ang data-driven na pamamaraan, isang modelo ng prediksyon ng temperatura ng winter pavement batay sa transfer learning at long at short-term memory neural networks, pag-develop ng prototype ng digital twin para sa winter road maintenance, ang hinaharap ng road weather, at iba pa.
#2. Cargill
Nagbibigay ang kumpanya ng mga solusyon sa deicing para sa mga kalsada at highway. Ang epektibong winter maintenance solutions ng Cargill ay nagbabawas ng epekto sa kapaligiran pati na rin ng mga kaugnay na gastos. Ang malawak na hanay ng mga produkto ng kumpanya ay kinabibilangan ng granular deicers, anti-icers, automated brine-making systems at additives, at mga solusyon para sa pavement overlay.
Sa ikalawang kalahati ng nakaraang taon, iniulat na ang kumpanya ay naghahanap na ibenta ang ilang bahagi ng mga US deicing salt business nito, na noong panahong iyon ay kumikita ng humigit-kumulang $40 milyon ng EBITDA mula sa halos $375 milyon na kita.
Ang mga asset na nais ibenta ng kumpanya ay binubuo ng mga pasilidad na nagmimina, nagpoproseso, at naglilipat ng deicing salts sa mga munisipalidad, ahensya ng gobyerno, at pribadong komersyal na negosyo sa buong bansa para magamit sa mga kalsada tuwing winter storms. Ito ay nangyari matapos isara ng Cargill ang ikatlong salt mine nito sa Avery Island, La., noong 2022.
#3. Clariant
Nag-aalok ito ng aircraft deicing, isang lumalagong sektor na inaasahan na aabot sa $1.83 bilyon sa susunod na pitong taon sa CAGR na 5%. Ang North America ang nangunguna sa paglago na ito salamat sa matatag na industriya ng aviation sa rehiyon. Ang mga aircraft deicing system ay kritikal para sa ligtas na paglipad at paglapag.
Bukod sa aircraft deicing, nag-aalok ang Clariant ng mga solusyon sa recycling at tulong sa mga customer upang malampasan ang mga operational na kahirapan sa masamang kondisyon ng panahon sa runway. Para dito, nakabuo ito ng napakaepektibong Deicing Fluids na nagpapanatiling malaya ang mga ibabaw ng eroplano mula sa niyebe at yelo. Ang kumpanya ay dalubhasa rin sa de-icing ng runway at mga anti-icing chemicals.
Konklusyon
Kaya, tulad ng nakita natin, ang self-heating concrete ay isang malaking imbensyon na maaaring gamitin sa pagtatayo ng mga pavement, driveway, bridge deck, at marami pang ibang uri ng patag na gawa. Ang produktong ito ay tumutulong din na mapabuti ang tibay at buhay ng serbisyo ng konkreto, nakakatipid sa gastusin sa pagpapanatili ng kalsada, paggawa, at paggamit ng produkto habang tumutulong maiwasan ang pagkakalawang ng mga sasakyan at ang sobrang asin na nagdudulot ng polusyon sa mga aquifer. Ang ganitong uri ng pananaliksik ay hindi lamang kapaki-pakinabang para sa tao kundi pati na rin sa kapaligiran, na tumutulong mapabuti ang ating buhay habang pinoprotektahan ang ekosistema.
