Malzeme Bilimi
Kendiliğinden Isınan Beton, Yollarımıza, Yeraltı Sularına ve Cüzdanlarımıza Yardımcı Olabilir
Kuzey Amerika’da soğuk iklimli bölgelerde, kış mevsimlerinde kar yağışı ve donma-çözülme döngüleri oldukça yaygındır. Bu durum, beton yollar ve düz yüzeylerde kar birikimine ve betonun donma-çözülme hasarına yol açar.
Bununla birlikte, Drexel Üniversitesi kampüsünde, donmaya dayanıklı kaldırımlar ve otoyolların geleceğini gösteren bir beton bölümü bulunmaktadır. Bu bölüm, üniversitenin otoparkının hemen yanında yer alıyor.
Bu, 30 inç x 30 inç boyutundaki iki levhayı içeriyor ve bu levhalar, üç yıl boyunca kimsenin kürek, tuz ya da kazı yapmasına gerek kalmadan kendi başlarına kar ve donmuş yağmuru temizliyor. Ancak bu bir mucize değil; aslında kendiliğinden ısınan betondur.
Geçen hafta, Drexel Mühendislik Fakültesi araştırmacıları, bu özel betonu nasıl yarattıklarını rapor ettiler ve bu beton, sıcaklık sıfıra düştüğünde ya da kar yağdığında kendini ısıtabilir.
Journal of Materials in Civil Engineering dergisinde yayımlanan bu makale, düşük sıcaklık faz değişim malzemeleri (PCM) kullanılarak kendiliğinden ısınan betonun geliştirilmesini ele alıyor.
Bu deneyler, Drexel Üniversitesi’nin Advanced Infrastructure Materials (AIM) Laboratuvarı’nda gerçekleştirildi. Deneyleri yürütmek için ABD merkezli Compass Minerals finansal destek sağladı, MicroTek Laboratories ise araştırma amaçlı malzemeleri temin etti.
Araştırma, Amir Farnam, Ph.D., doçent; doktora öğrencisi Robin Deb; lisans öğrencileri Nishant Shrestha, Kham Phan ve Mohamed Cissao; ve doktora adayları Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua, Yousif Alqenai ve Parsa Namakiaraghi tarafından, hepsi Mühendislik Fakültesi’ne bağlı olarak yürütülmüştür.
Bu kendiliğinden ısınan betonla, Farnam’ın açıkladığı gibi, yol ve çeşitli yüzeylerin hizmet ömrünü uzatmak hedefleniyor. Özellikle, bu beton yüzeylerin soğuk iklimlerde donma noktasının üzerindeki sıcaklıkları korumasına yardımcı oluyor. Buradaki fikir, ABD’nin kuzey bölgelerinde dayanıklı altyapıyı teşvik etmek; bu bölgelerde eyaletler yılda yaklaşık 2,3 milyar dolar kar ve buz temizleme operasyonlarına harcıyor.
Bu nedenle, donma ve çözülmeyi önlemek ve yüzeyin çökmesini engellemek için karla temizleme ve tuzlama ihtiyacını azaltmak amacıyla, yeni deney, iklim değiştiğinde yüzey sıcaklığını daha yüksek tutmaya yardımcı olan özel metaller içeren betonu tanıtıyor.
Bu malzeme, yol ve diğer beton yüzeyleri olumsuz etkileyen donma, çözülme ve tuzlamayı azaltma amacıyla yaklaşık beş yıldır geliştiriliyor. Kendiliğinden ısınan betonun, karı eritme ve buz oluşumunu uzun bir süre yavaşlatma ya da önleme yeteneğine sahip olduğu bildiriliyor.
Şimdiye kadar, kendiliğinden ısınan beton, kontrollü laboratuvar ortamında büyük potansiyel ve başarı gösterdi, ancak artık gerçek dünyada, dış doğal ortamda da uygulanabilirliği kanıtlandı. Ve bu betonun, insan müdahalesi veya ısıtma sistemleri olmadan karı eritebildiği gösterildi. Sadece çevresel gündüz termal enerjisini kullanarak kendi kendine bunu yapabiliyor.
“Bu kendiliğinden ısınan beton, ABD’nin dağlık ve kuzey bölgeleri için uygundur; örneğin Kuzeydoğu Pennsylvania ve Philadelphia gibi bölgelerde kışın uygun ısıtma ve soğutma döngüleri vardır.”
– Farnam
Düşük Sıcaklık Faz Değişim Malzemesi
Araştırmanın kendiliğinden ısınan beton elde etmesini sağlayan malzeme, düşük sıcaklıkta sıvı parafindir. Bu, bir faz değişim malzemesidir (PCM); ortam sıcaklığı ∼0°C ya da 32°F’ye düştüğünde, sıvı halinden katı hale geçerken istenen miktarda ısı yayar. Bu, birikmiş kar ve buzun yavaş yavaş erimesine yol açar.
Grup, malzemenin betona eklenmesinin sıcaklık düşüşüyle birlikte ısıtmayı tetiklediğini daha önce rapor etmişken, son araştırma laboratuvar termal koşullarında ve sonbahar ve kış mevsimlerinde dış ortam gerçek zamanlı koşullarında kendiliğinden ısınan betonun performansını değerlendirmeyi içeriyordu.
Programın amacı, maksimum PCM entegrasyonu için beton karışımı tasarımlarını optimize etmek ve LGCC kullanarak PCM-mort örneklerinin termal özelliklerini karakterize etmektir. LGCC, yani longitudinal guarded comparative calorimetry, beton örneklerinin termal özelliklerini ve ısı akışını ölçmek için kullanılan bir test cihazıdır.
Ayrıca, büyük ölçekli beton levhaların laboratuvar dışındaki doğal koşullarda faz değişim malzemesiyle muamele edilerek kar eritmedeki verimlilikleri ve gerçek zamanlı olarak donma-çözülme olaylarına karşı termal performansları değerlendirilmek istenmiştir. Bu olaylar, sıcaklıkların suyu donduracak kadar düşmesi (32°F ya da 0°C) ve ardından tekrar eritecek kadar yükselmesi anlamına gelir.
Şimdi, malzemeyi betona entegre etmek için ekip iki yöntem kullandı. Bunlar, parafinin mikro kapsüllerinin doğrudan betona karıştırıldığı mikro kapsüllü PCM (MPCM) yöntemini içeriyor. Diğer yaklaşım ise sıvı faz değişim malzemesinin gözenekli hafif agrega (PCM-LWA) içinde daldırılmasıydı; bu yöntemde betonu oluşturan küçük taş parçacıkları parafinle muamele edildi. Bu küçük taş ve çakıllar, betona eklenmeden önce sıvı parafini emer.
Deneylerinde araştırmacılar üç levha kullandı: biri MPCM yöntemiyle dökülmüş, ikincisi PCM-LWA yöntemiyle, ve üçüncüsü kontrol olarak faz değişim malzemesi içermeyen bir levha.
Bu levhalar, Aralık 2021’den beri doğal iklimle karşı karşıya. Bu süre zarfında üçü de 32 donma-çözülme olayı yaşadı ve sıcaklıklar donma noktasının altına düştü. İlk iki yılda ayrıca bir inçten fazla beş kar yağışıyla karşılaştılar. Sıcaklığı ve levhaların davranışını izlemek için ekip kameralar ve termal sensörler kullandı.
Hava sıcaklıkları donma noktasının altına düştüğünde, araştırmacılar PCM levhaların yüzey sıcaklığını 42 ila 55 Fahrenheit (5,56 ve 12,78 Celsius) arasında 10 saate kadar koruduklarını buldu. Bu, birkaç inç karı eritmek için yeterli. Ancak bu, saat başına yaklaşık çeyrek inç kar eriyen yavaş bir hızda gerçekleşiyor. Ağır karı eritmek için yeterince sıcak olmasa da, yol yüzeyinin buzdan arındırılmasına ve ulaşım güvenliğinin artırılmasına yardımcı olabilir.
Bu, yolların bozulmasını önlemede faydalıdır; çünkü aşırı soğuma ve ardından ısınma dönemleri, yüzeyin genişlemesine ve büzülmesine neden olarak yapısal bütünlüğüne yük bindirir ve zamanla çatlak ve dökülmelere yol açabilir. Tüm bu durum, içten bir zayıflığa ve nihayetinde yapının çökmesine sebep olur; bu da önlenmesi gereken bir durumdur.
“Ümit verici bulgulardan biri, faz değişim malzemeli levhaların, ortam sıcaklığı düştüğünde bile sıcaklıklarını donma noktasının üzerinde stabilize edebilmesiydi.”
– Deb
Altyapının ömrünü uzatmaya yardımcı olmasının yanı sıra, yol bakım maliyetlerini de azaltabilir. Ulusal Karayolu İdaresi’nin tahminlerine göre, kış hava koşulları nedeniyle hasar gören yolların onarımına milyonlarca dolar harcanıyor. Ayrıca, tuzlama ihtiyacının ortadan kalkmasıyla, eyaletler sadece işçilik ve tuz maliyetlerinden tasarruf etmekle kalmayıp, araçların paslanmasını da önleyebilir. Bu yaklaşım, aşırı tuzun yeraltı sularını kirletmesini engelleyerek, suyun insan kullanımı için güvenli kalmasını sağlar.
Kademeli İlerleme, Büyüme Potansiyeli
Grup, kendiliğinden ısınan betonu farklı ölçeklerde inceledi ve PCM’nin tatmin edici süper soğutma, uzun vadeli termal stabilite ve yüksek erime entalpisi gösterdiğini buldu. Genel olarak, malzeme içeren her iki beton levha da kar eritme yetenekleriyle olumlu sonuçlar verdi ve kışın donma-çözülme döngülerinin sayısını azalttı, çalışma sonuçlarına göre.
PCM-LWA ile muamele edilen levha, donma-çözülme (F-T) döngülerinin sayısını azaltmada daha etkili bulundu. Bu, PCM’nin gözenekler içinde göreceli dağılımı ve LWA gözenek ağının sıkıştırma basıncının yarattığı düşük sıcaklık fenomeni sayesinde oldu.
Bu da gizli ısının kademeli olarak salınmasını sağladı. Buradaki düşük sıcaklık, 3,94°C ile -13,04°C (39,09°F ile 8,52°F) arasında daha geniş bir düşük sıcaklık aralığında faz dönüşümüne yol açıyor. Bu nedenle, PCM-LWA yöntemi bu düşük sıcaklık aralığında kar eritmede daha etkili bulundu.
Bu arada, MPCM betonunun “tek seferlik” ısı salınımı fenomeni, karı hızlı bir şekilde eritmesine yardımcı olur. Mikro kapsüllü faz değişim malzemesi (MPCM) ile muamele edilen levha daha çabuk ısınabilse de, ısıyı LWA-PCM kadar uzun süre sürdüremez; sadece yarı kadar süre koruyabilir.
Dolayısıyla, PCM-LWA levhaları, malzeme 39 Fahrenheit’e ulaşana kadar ısı enerjisini tutabiliyorken, MPCM ısıyı 42 Fahrenheit’e ulaştığında serbest bırakmaya başlar ve bu da daha kısa bir aktivasyon süresine yol açar.
Sonuç olarak, ekip PCM-LWA yönteminin sıfırın altındaki sıcaklıklarda buz çözme uygulamaları için daha uygun olduğunu belirtti.
Her iki uygulamanın da beton sıcaklığını 53 ila 55 Fahrenheit arasında yükseltme yeteneğine rağmen, kar yağışı hızı ve kar yağmadan önceki ortam hava sıcaklığı, PCM-LWA ve MPCM performansını etkiler.
PCM içeren kaldırımlar, 2 inçten fazla ağır kar birikimini tamamen eritemedi, ancak bu seviyenin altında kar yağışını “oldukça etkili” bir şekilde eritebilir. Kar birikmeye başladığı anda erimeye başlarlar.
Deb’e göre, ısının kademeli salınımı beton yüzeyini başarılı bir şekilde çözdürerek yoğun kar yağışı öncesinde ön tuzlama ihtiyacını ortadan kaldırabilir. Ancak, malzemenin kar veya donma-çözülme olayları arasında bir şarj süresine ihtiyacı olduğu unutulmamalıdır. Bu süre içinde sıvı hâline dönmezse, performans azalabilir.
Ekip, PSM içeren betonun doğada nasıl davrandığını anladıktan sonra, sistemi daha uzun ısıtma ve daha fazla erime için optimize etmeye çalışacak. Araştırmacıların, malzemenin uzun vadeli etkinliğini anlamak için daha fazla veri toplaması ve bu yöntemin betonun ömrünü nasıl uzatabileceğini belirlemek üzere bir çalışma yapması gerekiyor.
Bu, altyapıyı iyileştirirken çevreyi korumak için organizasyonların ve hükümetlerin soğuk ve sıcak mevsimlerle başa çıkmanın daha iyi yollarını bulmak için çalıştığı en yeni gelişmedir. Yakın zamanda, Kaliforniya Üniversitesi bilim insanlarının, uyarlanabilir çatı kiremitleri aracılığıyla ısı ve soğutma maliyetlerini nasıl azalttıklarını detaylandırdı. uyarlanabilir çatı kiremitleri aracılığıyla ısı ve soğutma maliyetlerini nasıl azalttıklarını detaylandırdı. Bu kiremitler, bir radyatif anahtar veya pasif termoregülasyon cihazı içerir ve çeşitli sıcaklıklara yanıt verir.
Başka bir çözüm ise Berkeley Lab’ın Malzeme Bilimleri Bölümü’nde geliştirilen, kışın evleri ısıtırken yazın serin tutan ve doğal gaz ya da elektrik gerektirmeyen dört mevsim akıllı çatı kaplamasıdır. Bu, sıcaklığa uyumlu radyatif kaplama (TARC) adı verilen yeni bir malzeme kullanır; kışın radyatif soğutmayı otomatik olarak devre dışı bırakarak aşırı soğuma ve enerji israfını önler. Tüm bunlar, bizim ve gezegenimizin daha parlak bir geleceğe sahip olacağını gösteriyor.
Kış Bakımı Üzerine Çalışmalar
Şimdi, buz çözme çözümleri sunan ve daha yenilikçi seçenekler bulmak için çalışan sektördeki bazı isimlere bir göz atalım:
#1. Clear Roads
Bu program, ülke genelindeki ulaşım profesyonelleri ve araştırmacıları bir araya getirerek kış bakımında yenilikçiliği teşvik ediyor. Clear Roads, gerçek dünya koşullarında malzemeleri, ekipmanları ve yöntemleri değerlendirerek para tasarrufu, verimlilik artışı ve güvenliğin iyileştirilmesine yardımcı olacak en iyi teknolojileri ve çözümleri bulur.
2024 TRB Yıllık Toplantısında, program tuz stok envanterinin LiDAR ölçümleriyle uygulanması, tuz sürdürülebilirliği, yapay zeka ve yol sürtünme modellemesi gibi konulara odaklandı. Ayrıca, veri odaklı bir yaklaşım kullanarak kış yol yüzeyi koşullarının tahmini, transfer öğrenme ve uzun ve kısa vadeli bellek sinir ağlarına dayalı bir kış yol yüzeyi sıcaklık tahmin modeli, kış yol bakımı için dijital ikiz prototipinin geliştirilmesi, yol hava durumu geleceği ve daha fazlası ele alındı.
#2. Cargill
Şirket, yollar ve otoyollar için buz çözme çözümleri sunar. Cargill’ın etkili kış bakım çözümleri, çevresel etkiyi ve ilgili maliyetleri en aza indirir. Şirketin geniş ürün yelpazesi, granüler buz çözücüler, anti-icer’lar, otomatik tuzlu su üretim sistemleri ve katkı maddeleri, ayrıca yol kaplaması için çözümler içerir.
Geçen yılın ikinci yarısında, şirketin ABD’deki buz çözücü tuz işlerinden bir seçkiyi elden çıkarmayı düşündüğü rapor edildi; o dönemde bu işlerin yaklaşık 40 milyon dolar EBITDA ve yaklaşık 375 milyon dolar gelir sağladığı belirtilmişti.
Şirketin satmayı düşündüğü varlıklar, ülke genelindeki belediyelere, devlet kurumlarına ve özel ticari işletmelere kış fırtınalarında yol bakımında kullanılmak üzere buz çözücü tuzları çıkaran, işleyen ve taşıyan tesislerden oluşmaktadır. Bu, Cargill’ın 2022’de Louisiana’daki Avery Island’daki üçüncü tuz madenini kapatmasının ardından gerçekleşti.
#3. Clariant
Bu şirket, havacılık sektöründe büyüyen bir alan olan uçak buz çözme hizmeti sunuyor; önümüzdeki yedi yılda %5 yıllık bileşik büyüme oranı (CAGR) ile 1,83 milyar dolara ulaşması öngörülüyor. Kuzey Amerika, bölgenin güçlü havacılık endüstrisi sayesinde bu büyümenin öncüsü. Uçak buz çözme sistemleri, güvenli kalkış ve inişler için kritik öneme sahiptir.
Uçak buz çözmenin yanı sıra, Clariant, pistteki olumsuz hava koşullarında operasyonel zorlukları aşmak için müşterilere geri dönüşüm çözümleri ve destek sunar. Bunun için, uçak yüzeylerini kar ve buzdan koruyan son derece etkili Deicing Fluid’lar geliştirmiştir. Şirket ayrıca pist buz çözme ve anti-icing kimyasallarında da uzmanlaşmıştır.
Sonuç
Gördüğümüz gibi, kendiliğinden ısınan beton, kaldırımlar, sürüş yolları, köprü güverteleri ve birçok diğer düz yüzeyin inşasında kullanılabilecek büyük bir icattır. Geliştirilen ürün, beton dayanıklılığını ve hizmet ömrünü artırarak yol bakım, işçilik ve ürün kullanım maliyetlerinden tasarruf sağlarken, araçların paslanmasını ve aşırı tuzun yeraltı sularını kirletmesini önlemeye de yardımcı olur. Bu tür araştırmalar sadece insanlar için değil, aynı zamanda çevre için de faydalıdır; hayatımızı iyileştirirken ekosistemi korur.
