Самонагревающийся бетон, подобный бетону Drexel, является последним в продолжающихся усилиях по созданию более экологичной и устойчивой инфраструктуры, особенно в северных регионах Соединенных Штатов, где, по оценкам Национальной администрации автомобильных дорог, штаты ежегодно тратят 2,3 миллиарда долларов на операции по уборке снега и льда и миллионы на ремонт поврежденных дорог по зимней погоде.

"Один из способов продлить срок службы бетонных поверхностей, таких как проезжие части, - это помочь им поддерживать температуру поверхности выше нуля в течение зимы", - сказал Амир Фарнам, доктор философии, доцент Инженерного колледжа, чья лаборатория передовых инфраструктурных материалов руководила исследованиями. "Предотвращение замерзания и оттаивания, а также сокращение необходимости в вспашке и засолке - это хорошие способы уберечь поверхность от разрушения. Итак, наша работа направлена на изучение того, как мы можем включить в бетон специальные материалы, которые помогают ему поддерживать более высокую температуру поверхности, когда температура окружающей среды вокруг него падает".

Команда Drexel в течение последних пяти лет разрабатывала свою устойчивую к холодным погодным условиям бетонную смесь с целью уменьшения замерзания, оттаивания и засоления, которые разъедают дороги и другие бетонные поверхности. До сих пор успех их самонагревающегося бетона, который, как они ранее сообщали, может растапливать снег и предотвращать или замедлять образование льда в течение длительного периода времени, был достигнут только в контролируемых лабораторных условиях. В статье, недавно опубликованной в журнале Американского общества гражданского строительства "Материалы в гражданском строительстве", группа сделала важный шаг, доказав свою жизнеспособность в естественной среде.

"Мы продемонстрировали, что наш самонагревающийся бетон способен самостоятельно растапливать снег, используя только дневную тепловую энергию окружающей среды - и делая это без помощи соли, лопат или систем отопления", - сказал Фарнам. "Этот самонагревающийся бетон подходит для горных и северных регионов США, таких как Северо-Восточная Пенсильвания и Филадельфия, где зимой существуют подходящие циклы нагрева и охлаждения".

Теплый прием

Секрет прогревания бетона заключается в низкотемпературном жидком парафине, который является материалом с фазовым переходом, что означает, что он выделяет тепло, когда переходит из состояния комнатной температуры - в виде жидкости - в твердое состояние при понижении температуры. В предыдущей статье группа сообщала, что введение жидкого парафина в бетон вызывает нагрев при понижении температуры. В их последнем исследовании рассматриваются два метода включения материала с фазовым переходом в бетонные плиты и то, как каждый из них работает на улице в холодное время.

Один из методов включает обработку пористого легкого заполнителя - гальки и мелких каменных осколков, которые входят в состав бетона, - парафином. Заполнитель впитывает жидкий парафин перед смешиванием с бетоном. Другая стратегия заключается в смешивании микрокапсул парафина непосредственно с бетоном.

Испытание в стихиях

Исследователи отлили по одной плите, используя каждый метод, и третью без какого-либо материала с фазовым переходом, в качестве контроля. Все трое находятся на улице в условиях стихии с декабря 2021 года. За первые два года они столкнулись в общей сложности с 32 случаями замораживания-оттаивания - случаями, когда температура опускалась ниже нуля, независимо от количества осадков, - и пятью выпадениями снега толщиной в дюйм и более.

Используя камеры и тепловые датчики, исследователи отслеживали температуру и таяние снега и льда на плитах. Они сообщили, что плиты с фазовым переходом поддерживали температуру поверхности между 42 и 55 градусами по Фаренгейту в течение 10 часов, когда температура воздуха опускалась ниже нуля.

Этого нагрева достаточно, чтобы растопить пару дюймов снега со скоростью около четверти дюйма снега в час. И хотя этого может быть недостаточно, чтобы растопить сильный снегопад до того, как понадобятся плуги, это может помочь очистить дорожное покрытие от льда и повысить безопасность перевозок даже при сильном снегопаде.

Оставаясь достаточно теплым

По мнению исследователей, простое предотвращение падения температуры поверхности ниже точки замерзания также имеет большое значение, когда дело доходит до предотвращения износа.

"Циклы замораживания-оттаивания, периоды экстремального охлаждения - ниже точки замерзания - и потепления могут привести к расширению и сжатию поверхности в размерах, что создает нагрузку на ее структурную целостность и со временем может привести к разрушительному растрескиванию и откалыванию", - сказал Робин Деб, докторант Инженерного колледжа, кто помогал руководить исследованием. "И хотя само по себе это может не привести к разрушению конструкции до предела, это создает уязвимость, которая приведет к проблемному внутреннему износу, которого нам необходимо избегать. Одним из многообещающих результатов является то, что плиты из материалов с фазовым переходом смогли стабилизировать свою температуру выше точки замерзания при снижении температуры окружающей среды".

Медленно и уверенно

В целом, обработанная плита из легкого заполнителя лучше выдерживала нагрев - поддерживала температуру выше точки замерзания до 10 часов, - в то время как плита с микрокапсулированным материалом с фазовым переходом нагревалась быстрее, но сохраняла нагрев в два раза дольше. Исследователи предполагают, что это связано с относительным распределением материала с фазовым переходом внутри пор заполнителя по сравнению с концентрацией материала с фазовым переходом внутри микрокапсул - явление, которое было тщательно изучено.

Они также отметили, что пористость заполнителя, вероятно, способствует тому, что парафин остается жидким при температуре ниже его обычной температуры замерзания в 42 градуса по Фаренгейту. Это положительно сказалось на эксплуатационных характеристиках плиты, поскольку материал не сразу выделял свою тепловую энергию, когда температура начинала падать, а удерживал ее выделение до тех пор, пока температура материала не достигала 39 градусов по Фаренгейту. Напротив, микрокапсулированный парафин начал выделять свою энергию разогрева, как только его температура достигла 42 градусов, что способствовало его относительно более короткому периоду активации.

"Наши результаты свидетельствуют о том, что обработанный легким заполнителем бетон с фазовым переходом больше подходил для противогололедных работ при минусовых температурах из-за постепенного выделения тепла в более широком диапазоне температур", - сказал Фарнам.

Возможности для совершенствования

В то время как оба варианта применения смогли повысить температуру бетона между 53 и 55 градусами по Фаренгейту, чего более чем достаточно для таяния снега. На их работу влияла температура окружающего воздуха перед снегопадом и интенсивность снегопада.

"Мы обнаружили, что тротуары с использованием PCM не могут полностью растопить большие скопления снега - более 2 дюймов", - сказала Деб. "Однако он может довольно эффективно растапливать снегопады толщиной менее двух дюймов. Плиты, в состав которых входит PCM, начинают растапливать снег, как только он начинает скапливаться. А постепенное выделение тепла может эффективно обеззараживать поверхность дорожного покрытия, что избавит от необходимости предварительно посыпать солью перед обильным снегопадом".

Они также отметили, что если у материала с фазовым переходом нет некоторого времени для "перезарядки", нагреваясь настолько, чтобы вернуться в жидкое состояние между заморозками-оттаиваниями или выпадением снега, то его эксплуатационные характеристики могут снизиться.

"Проведение этого исследования стало для нас важным шагом к пониманию того, как бетон, содержащий материал с фазовым переходом, ведет себя в природе", - сказала Деб. "Благодаря этим выводам мы сможем продолжать совершенствовать систему, чтобы в один прекрасный день оптимизировать ее для более длительного нагрева и лучшего плавления. Но отрадно видеть свидетельства значительного сокращения циклов замораживания-оттаивания, которые демонстрируют, что PCM-бетон более долговечен при замораживании-оттаивании по сравнению с традиционным бетоном".

Команда планирует продолжить сбор данных о плитах, чтобы понять долгосрочную эффективность материалов с фазовым переходом и изучить, как этот метод может продлить срок службы бетона.