Agham ng Materyales
Ang Self-Heating Concrete Ay Maaaring Makatulong sa ating Mga Daan, Aquifers, at Bulsa
Sa mga rehiyon ng Hilagang Amerika na may malamig na klima, ang pag-ulan ng niyebe at ang mga siklo ng pag-yelo at pag-tawid ay medyo karaniwan sa panahon ng taglamig. Ito ay nagreresulta sa pagkakumpiska ng niyebe sa mga kongkretong daan at flatwork at pagkakaroon ng frost damage sa kongkreto.
Gayunpaman, sa campus ng Drexel University, may isang bahagi ng kongkreto na nagpapakita ng hinaharap ng mga sidewalk at highway na walang yelo. Ang bahaging ito ay matatagpuan sa tabi ng parking lot ng unibersidad.
Ito ay tumutukoy sa dalawang 30-pulgada-by-30-pulgada na mga slab na naglilinis ng niyebe at freezing rain sa kanilang sarili, nang walang sinuman na naghuhukay, nagpapakulo, o nagpapalit ng hanggang sa tatlong taon. Ngunit ito ay hindi isang himala; kung ano ito ay self-heating concrete.
Kaya noong nakaraang linggo, ang mga mananaliksik sa Drexel’s College of Engineering ay nag-ulat kung paano nila nilikha ang espesyal na kongkreto na maaaring mainitan ang sarili nito kapag ang temperatura ay bumaba sa punto ng pag-yelo o pag-ulan ng niyebe.
Naipublika sa Journal of Materials in Civil Engineering, ang papel ay tumatalakay sa pagbuo ng self-heating concrete gamit ang low-temperature phase change materials, o PCM.
Ang mga eksperimentong ito ay isinagawa sa Drexel University’s Advanced Infrastructure Materials (AIM) Lab. Upang isagawa ang mga eksperimentong ito, ang US-based Compass Minerals ay nagbigay ng pinansyal na suporta, habang ang MicroTek Laboratories ay nagbigay ng mga materyales para sa mga layunin ng pananaliksik.
Ang pag-aaral ay isinagawa ni Amir Farnam, Ph.D., isang associate professor; doctoral student Robin Deb; undergraduates Nishant Shrestha, Kham Phan, at Mohamed Cissao; at doctoral candidates Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai, at Parsa Namakiaraghi, lahat ay kabilang sa College of Engineering.
Sa self-heating concrete na ito, ang layunin, ayon kay Farnam, ay upang palawakin ang buhay ng mga daan at iba’t ibang mga surface. Partikular, ito ay tumutulong sa mga kongkretong surface na panatilihin ang mga temperatura sa itaas ng punto ng pag-yelo sa malamig na klima. Ang ideya dito ay upang palakihin ang mga matatag na impraestruktura sa mga hilagang rehiyon ng US, kung saan ang mga estado ay naglaan ng humigit-kumulang $2.3 bilyon sa mga gawain ng pag-alis ng niyebe at yelo taun-taon.
Kaya upang maiwasan ang pag-yelo at pag-tawid pati na rin ang pangangailangan ng paghuhukay at pagpapakulo upang mapanatili ang surface na hindi bumaha, ang bagong eksperimento ay nagtataguyod ng mga espesyal na metal sa kongkreto na tumutulong sa pagpanatili ng mas mataas na temperatura ng surface kapag nagbabago ang klima.
Ang materyal na ito ay nasa pagbuo ng halos kalahating dekada na may layuning pagbawas ng pag-yelo, pag-tawid, at pagpapakulo na nakakapinsala sa mga daan at iba’t ibang mga kongkretong surface. Ang self-heating concrete ay iniulat na may kakayahan na magtunaw ng niyebe at magpabagal o maiwasan ang pagbuo ng yelo sa loob ng mahabang panahon.
Hanggang ngayon, ang self-heating concrete ay nagpapakita ng malaking potensyal at tagumpay sa isang kontroladong laboratoryo, ngunit ngayon ang kahusayan nito ay napatunayan na rin sa tunay na mundo, sa labas ng natural na kapaligiran. At ito ay nagpapakita na ang self-heating concrete ay maaaring magtunaw ng niyebe nang walang anumang tulong ng tao o sistema ng pag-init. Maaari itong gawin nang mag-isa gamit ang environmental daytime thermal energy.
“Ang self-heating concrete na ito ay angkop para sa mga bundok at hilagang rehiyon ng US, tulad ng Northeast Pennsylvania at Philadelphia, kung saan may mga angkop na siklo ng pag-init at paglamig sa taglamig.”
– Farnam
Ang Low-Temperature Phase Changes Material
Ang materyal na ito, na tumutulong sa pag-aaral na makamit ang self-heating concrete, ay low-temperature liquid paraffin. Ito ay isang phase-change material (PCM), na kapag ang temperatura ng kapaligiran ay bumaba sa punto ng pag-yelo o 32 °Fahrenheit, ito ay nagpapakita ng mga angkop na halaga ng init nang ito ay nagbabago mula sa likidong estado nito sa isang solido. Ito ay nagreresulta sa pagtunaw ng niyebe at yelo.
Habang ang grupo ay nag-ulat na ang pagkakasama ng materyal sa kongkreto ay nag-activate ng pag-init kapag ang temperatura ay bumaba, ang pinakabagong pananaliksik ay tumatalakay sa pagtataya ng pagganap ng self-heating concrete sa ilalim ng mga kondisyon ng laboratoryo at sa labas ng tunay na kapaligiran sa panahon ng taglagas at taglamig.
Ang layunin ng programa ay upang mapabuti ang mga disenyo ng kongkreto para sa maximum PCM incorporation at karakterisahin ang mga thermal na katangian ng PCM-mortar na mga halimbawa gamit ang LGCC. Ang LGCC, o longitudinal guarded comparative calorimetry, ay isang device na ginagamit upang quantiy ang mga thermal na katangian at heat flow ng mga kongkretong specimen.
Bilang karagdagan, ang ideya ay upang magkaroon ng mga malalaking kongkretong slab na na-tratong phase-change material sa labas ng laboratoryo sa mga natural na kondisyon upang masubukan kung gaano kahusay ang mga ito sa pagtunaw ng niyebe at ang kanilang thermal na pagganap sa tunay na oras laban sa mga pagbabago ng temperatura.
Ngayon, upang isama ang materyal sa kongkreto, ang grupo ay gumamit ng dalawang mga pamamaraan. Ito ay kinabibilangan ng microencapsulated PCM (MPCM), kung saan ang mga micro-capsules ng paraffin ay direktang na-halo sa kongkreto. Ang iba pang approach ay ang paglubog ng liquid phase-change material sa porous lightweight aggregates (PCM-LWA), kung saan ang mga fragmen ng maliliit na bato na bumubuo sa kongkreto ay na-tratong paraffin. Ang mga maliliit na bato at pebbles ay sumasabsorb ng liquid paraffin bago sila isinama sa kongkreto.
Sa kanilang eksperimento, ang mga mananaliksik ay gumamit ng tatlong slab: isa na na-halo gamit ang MPCM method, ang pangalawa gamit ang PCM-LWA, at ang pangatlo na walang phase-change material bilang control.
Ang mga slab na ito ay nakaharap sa natural na klima mula noong Disyembre 2021. Sa panahong ito, ang lahat ng tatlo ay nakaranas ng 32 mga pagbabago ng temperatura. Sa unang dalawang taon, sila rin ay nakaranas ng limang pag-ulan ng niyebe na isang pulgada o higit pa. Upang bantayan ang temperatura at ang pagganap ng mga slab, ang grupo ay gumamit ng mga kamera at thermal na sensor.
Kapag ang temperatura ng hangin ay bumaba sa ibaba ng punto ng pag-yelo, ang mga mananaliksik ay nakita na ang mga PCM slab ay nagpanatili ng temperatura ng surface sa pagitan ng 42 at 55 digri Fahrenheit para sa hanggang sa 10 oras. Ito ay sapat upang matunaw ang ilang pulgada ng niyebe. Ngunit ito ay nangyayari sa isang mabagal na bilis, tungkol sa isang quarter ng pulgada ng niyebe bawat oras. Bagaman hindi sapat upang matunaw ang maraming niyebe, maaari itong tumulong upang panatilihin ang surface ng daan na walang yelo at pagtaas ng seguridad sa transportasyon.
Ito ay nakakatulong sa pag-iwas sa pagkawasak ng mga daan dahil sa mga panahon ng pagbabago ng temperatura na nagdudulot ng pagpapalaki at pagpapaikli ng surface, na nagpapataw ng pagkakaroon ng di-pangkaraniwang pagbabago sa structural na integridad nito at posibleng nagreresulta sa pagkakaroon ng mga cracks at spalling sa paglipas ng panahon. Ang lahat ng ito ay lumilikha ng isang vulnerability na sa huli ay nagreresulta sa pagkabigo ng estruktura mula sa loob, na dapat iwasan.
“Isa sa mga nakakaginhawa na paghahanap ay na ang mga slab na may phase-change materials ay nakakapagpanatili ng kanilang temperatura sa itaas ng punto ng pag-yelo kapag naharap sa pagbaba ng temperatura ng kapaligiran.”
– Deb
Bilang karagdagan sa pagtulong na palawakin ang buhay ng mga impraestruktura, maaari rin itong makatulong sa pag-iwas sa mga gastos sa pagpapanatili ng mga daan. Ayon sa mga pagtataya ng National Highway Administration, milyun-milyong dolyar ang ginagasta sa pagkukumpuni ng mga daan na nasira ng mga bagyo sa taglamig. Bukod dito, sa pamamagitan ng pag-alis ng pangangailangan ng pagpapakulo, ang mga estado ay maaaring makatipid sa mga gastos sa paggawa at pagpapakulo, pati na rin sa pag-iwas sa pagkakaroon ng mga sasakyan na naruruba. Ang approach na ito ay tumutulong rin sa pag-iwas sa pagkakaroon ng mga polusyon sa mga aquifer, na nagtutulungan sa pagpanatili ng kanilang kaligtasan para sa paggamit ng tao.
Paghahanda sa Taglamig
Ang grupo ay tinignan ang self-heating concrete sa iba’t ibang sukat at nakita na ang PCM ay nagpapakita ng mga nakakaginhawa na supercooling, long-term thermal na estabilidad, at mataas na enthalpy ng fusion. Sa kabuuan, ang mga kongkretong slab na may materyal ay nagpapakita ng mga positibong kakayahan sa pagtunaw ng niyebe habang nagpapababa ng bilang ng mga pagbabago ng temperatura sa taglamig, ayon sa mga resulta ng pag-aaral.
Ang slab na na-tratong porous lightweight aggregates (PCM-LWA) ay nakita na mas mahusay sa pagbawas ng bilang ng mga pagbabago ng temperatura (F-T). Ito ay dahil sa relatibong disbursal ng PCM sa loob ng mga butas at sa phenomenon ng undercooling na nilikha ng confinement pressure ng LWA pore network.
Sa pagbabalik, ito ay nagpapahintulot sa pagpapalabas ng latent heat nang unti-unting. Ang undercooling na ito ay lumilikha ng phase transformation sa isang mas malawak na hanay ng mababang temperatura, o 3.94°C hanggang -13.04°C o 39.09°F hanggang 8.52°F. Kaya ang PCM-LWA method ay mas mahusay sa pagtunaw ng niyebe sa mababang temperatura na hanay na ito.
Samantala, ang “one-shot” heat release phenomenon ng MPCM concrete ay tumutulong sa pagtunaw ng niyebe nang mabilis. Ang slab na na-tratong microencapsulated phase-change material (MPCM) habang nakakapag-init nang mabilis, ay hindi nakakapagpanatili ng pag-init nito sa loob ng mahabang panahon kaysa sa LWA-PCM.
Kaya ang PCM-LWA slabs ay nakakapagpanatili ng pagpapalabas ng kanilang heat energy hanggang sa matunaw ang materyal sa 39 digri Fahrenheit, habang ang MPCM ay nagsisimulang magpalabas ng init nang ang temperatura ay umabot sa 42 digri, na nagreresulta sa mas maikling panahon ng pag-activate nito.
Ang grupo ay nakita na ang PCM-LWA method ay mas angkop para sa mga aplikasyon ng de-icing sa sub-zero na temperatura.
Bagaman ang parehong aplikasyon ay nakakapagtaas ng temperatura ng kongkreto sa pagitan ng 53 at 55 digri Fahrenheit, ang bilis ng pag-ulan ng niyebe at ang temperatura ng hangin bago ang isang pag-ulan ng niyebe ay nakakaapekto sa pagganap ng parehong PCM-LWA at MPCM.
Ang mga kongkretong slab na may PCM ay hindi nakakapagtunaw ng mga malalaking pag-akumula ng niyebe (higit sa 2 pulgada), ngunit sa ibaba nito, maaari itong magtunaw ng niyebe nang “mahusay”. Sila ay nagtatrabaho sa pagtunaw ng niyebe mula sa simula.
Ayon kay Deb, ang unti-unting pagpapalabas ng init ay maaaring magtunaw ng surface ng kongkreto, na nag-aalis ng pangangailangan ng pre-salting bago ang mga malalakas na pag-ulan ng niyebe. Ngunit dapat tandaan na ang materyal ay nangangailangan ng ilang oras ng recharge sa pagitan ng mga pag-ulan ng niyebe o mga pagbabago ng temperatura upang magtrabaho nang maayos. Kung hindi ito babalik sa likidong estado sa oras na ito, ang pagganap nito ay maaaring bumaba.
Ngayon na ang grupo ay nakaintindi kung paano ang kongkreto na may PCM ay nagtratrabaho sa kalikasan, ito ay magtatrabaho sa pagpapabuti ng sistema upang mapabuti ito para sa mas mahabang pag-init at mas malaking pagtunaw. Ang mga mananaliksik ay nangangailangan ng mas maraming data upang maunawaan ang long-term na kahusayan ng materyal at magtatrabaho sa isang pag-aaral upang malaman kung paano ang pamamaraan na ito ay maaaring mapalawak ang buhay ng kongkreto.
Ito ay isa sa mga pinakabagong pag-unlad sa pagpapabuti ng mga impraestruktura habang nagpapanatili ng kalikasan, habang ang mga organisasyon at gobyerno ay nagtatrabaho sa paghahanap ng mga mas mahusay na paraan upang makitungo sa mga malamig at mainit na panahon. Kamakailan, iniulat namin kung paano ang mga siyentipiko sa University of California ay nagdetalye kung paano mapabababa ang gastos sa pag-init at pagpapalamig sa pamamagitan ng mga adaptive roof tiles. Ang mga tile ay nagtatampok ng isang radiative switch o isang passive thermoregulation device upang tumugon sa isang hanay ng mga temperatura.
Isa pang solusyon ay isang all-season smart-roof coating na binuo sa Berkeley Lab’s Materials Sciences Division na nagpapanatili ng mga bahay na mainit sa panahon ng taglamig at malamig sa panahon ng tag-init nang walang paggamit ng natural gas o kuryente. Ito ay gumagamit ng isang bagong materyal na tinatawag na temperature-adaptive radiative coating (TARC) na awtomatikong nagpapahinto sa radiative cooling sa taglamig upang siguruhin na walang overcooling at pag-aaksaya ng enerhiya. Ang lahat ng ito ay nagpapakita ng isang mas mahusay na kinabukasan sa ating harapan at sa ating planeta.
Pagtatrabaho sa Pagpapanatili ng Taglamig
Ngayon, titingnan natin ang ilang mga pangalan sa industriya na nag-aalok ng mga solusyon sa de-icing at kasangkot sa paghahanap ng mga mas inobasyon na mga solusyon:
#1. Clear Roads
Ang programa ay nagtutulungan sa mga propesyonal sa transportasyon at mga mananaliksik mula sa buong bansa upang magtulak ng inobasyon sa pagpapanatili ng taglamig. Ang Clear Roads ay nag-evaluate ng mga materyales, kagamitan, at mga pamamaraan sa mga tunay na kondisyon upang makahanap ng mga pinakamahusay na teknolohiya at mga solusyon upang makatipid ng salapi, magtaas ng efisiyensiya, at pagbutihin ang seguridad.
Sa 2024 TRB Annual Meeting, ang programa ay tumuon sa mga paksa tulad ng pagpapatupad ng salt stockpile inventory gamit ang LiDAR measurements, salt sustainability, artificial intelligence, at roadway friction modeling. Ito ay tumakbo rin sa paghula ng mga kondisyon ng surface ng daan sa taglamig gamit ang isang data-driven approach, isang modelo ng paghula ng temperatura ng daan sa panahon ng taglamig batay sa transfer learning at long at short-term memory neural networks, pagbuo ng isang prototype ng digital twin para sa pagpapanatili ng taglamig, ang kinabukasan ng mga kondisyon ng panahon, at marami pa.
#2. Cargill
Ang kompanya ay nag-aalok ng mga solusyon sa de-icing para sa mga daan at highway. Ang mga solusyon sa pagpapanatili ng taglamig ng Cargill ay minimisa ang epekto sa kapaligiran at ang mga kaugnay na gastos. Ang kompanya ay may malawak na hanay ng mga produkto, kabilang ang granular deicers, anti-icers, automated brine-making systems at additives, at mga solusyon para sa overlay ng daan.
Noong huling bahagi ng nakaraang taon, ito ay iniulat na ang kompanya ay nagtatanong kung paano magbenta ng ilang mga de-icing salt businesses nito sa US, na noon ay naglilikha ng humigit-kumulang $40 milyon ng EBITDA sa mga $375 milyon ng revenue.
Ang mga assets na ito ay binubuo ng mga pasilidad na nagmimina, nagpoproseso, at nagtatransporta ng de-icing salts sa mga munisipyo, ahensiya ng gobyerno, at mga pribadong komersyal na negosyo sa buong bansa para sa paggamit sa mga daan sa panahon ng mga bagyo sa taglamig. Ito ay nangyari matapos ang Cargill ay sarado ang ikatlong salt mine nito sa Avery Island, La. noong 2022.
#3. Clariant
Ito ay nag-aalok ng de-icing para sa eroplano, isang lumalagong sektor na inaasahang lumago sa $1.83 bilyon sa loob ng susunod na pitong taon sa isang CAGR ng 5%. Ang Hilagang Amerika ay nangunguna sa paglago na ito dahil sa malakas na industriya ng avyasyon sa rehiyon. Ang mga sistema ng de-icing ng eroplano ay kritikal para sa ligtas na paglipad at pagdating.
Bukod sa de-icing ng eroplano, ang Clariant ay nag-aalok ng mga solusyon sa recycling at tulong sa mga customer upang malampasan ang mga operational na kahinaan sa mga kondisyon ng panahon sa runway. Sa ganito, ito ay nagbuo ng mga Deicing Fluids na tumutulong sa pagpanatili ng mga surface ng eroplano na walang niyebe at yelo. Ang kompanya ay may espesyalidad rin sa de-icing ng runway at anti-icing chemicals.
Kahapusan
Kaya, tulad ng nakita natin, ang self-heating concrete ay isang malaking imbensyon na maaaring gamitin upang magtayo ng mga daan, driveway, bridge deck, at marami pang ibang uri ng flatworks. Ang produktong ito ay tumutulong rin sa pagpapabuti ng durability at buhay ng kongkreto, pagtitipid ng salapi sa pagpapanatili ng mga daan, paggawa, at paggamit ng mga produkto, pati na rin sa pag-iwas sa pagkakaroon ng mga sasakyan na naruruba at excess salt na nagpapollute sa mga aquifer. Ang mga pag-aaral tulad nito ay hindi lamang mahusay para sa mga tao kundi rin para sa kapaligiran, na tumutulong sa pagpapabuti ng ating buhay habang nagpapanatili ng ekosistema.
