|
Бетон с фазовым переходом плавит снег и лед без соли
|
|
|
|
Добавив в бетон материал с фазовым переходом, исследователи создали самонагревающийся материал, который может таять снег и лед в течение 10 часов без использования соли и лопат. Новый материал может сократить необходимость в вспашке и засолке почвы и поможет сохранить целостность дорожного покрытия. По данным Министерства транспорта США (DOT), более 70% дорог находятся в заснеженных регионах. Скопление снега и льда снижает сцепление с дорогой и маневренность транспортных средств, заставляя водителей снижать скорость и повышая риск аварий. Заснеженные полосы движения и дороги также снижают пропускную способность проезжей части и увеличивают время в пути.
|
|
|
|
В DOT говорится, что местные и государственные учреждения ежегодно тратят более 2,3 миллиардов долларов США на операции по борьбе со снегом и гололедом, в дополнение к миллионам долларов, потраченным на ремонт инфраструктуры, поврежденной снегом и льдом. Для предотвращения обледенения перед снегопадом часто используется солевая обработка, но высококонцентрированный раствор соли может испортить бетон или асфальт. Кроме того, когда вода попадает на дорогу и замерзает, она расширяется, вызывая внутреннее давление и повреждая дорогу. В новом исследовании исследователи из Университета Дрексел в Пенсильвании, США, известном как "холодный штат", представили свой самонагревающийся бетон: потенциальное решение проблемы занесенных снегом дорог и затрат, связанных с их расчисткой и обслуживанием.
|
|
|
“Один из способов продлить срок службы бетонных покрытий, таких как дороги, - это помочь им поддерживать температуру поверхности выше нуля в течение зимы”, - сказал Амир Фарнам, главный исследователь лаборатории передовых инфраструктурных материалов (AIM) компании Drexel и один из авторов исследования. “Предотвращение замерзания и оттаивания, а также сокращение необходимости в вспашке и засолке - это хорошие способы предохранить поверхность от разрушения. Итак, наша работа заключается в том, чтобы найти способы применения в бетоне специальных материалов, которые помогают ему поддерживать более высокую температуру поверхности при понижении температуры окружающей среды”.
|
|
|
|
"Особым материалом" исследователей является парафин, так называемый материал с фазовым переходом, поскольку он выделяет тепло, когда переходит из жидкого состояния при комнатной температуре в твердое при понижении температуры. В предыдущем исследовании они тестировали бетон с фазовым переходом в лабораторных условиях с терморегуляцией, но в текущем исследовании они тестировали его в режиме реального времени, в реальных условиях. Для добавления парафина в бетонные плиты были использованы два метода. В первом случае пористый легкий заполнитель – мелкие камни и галька, добавляемые для придания бетону прочности, – был погружен в жидкий парафин и впитался в него перед тем, как его смешали с бетоном. Во втором случае микрокапсулы с парафином были подмешаны непосредственно в бетон.
|
|
|
|
Исследователи залили три плиты: две из них с использованием различных методов нанесения парафина, а третья не содержит материала с фазовым переходом. Все три плиты находятся на улице, рядом с парковкой в кампусе университета Дрексел, с декабря 2021 года. За первые два года они подверглись воздействию 32 заморозков и оттаивания, при которых температура опускалась ниже нуля, независимо от осадков (то есть дождя, мороси, снега, мокрого снега со снегом или града), и пяти снегопадов толщиной в один дюйм и более. За способностью плит размером 30 на 30 дюймов (76 на 76 см) плавить снег и лед следили с помощью камер и тепловых датчиков. Исследователи обнаружили, что бетон с фазовым переходом поддерживал температуру поверхности от 42 °F до 55 °F (от 5,6 ° C до 12,8 °C) в течение 10 часов, когда температура воздуха опускалась ниже нуля. Выделяемого тепла было достаточно, чтобы растопить пару дюймов снега со скоростью около четверти дюйма в час.
|
|
|
|
“Мы продемонстрировали, что наш самонагревающийся бетон способен самостоятельно растапливать снег, используя только дневную тепловую энергию окружающей среды, и делает это без помощи соли, лопат или систем обогрева”, - сказал Фарнам. “Этот самонагревающийся бетон подходит для горных и северных регионов США, таких как Северо-восточная Пенсильвания и Филадельфия, где зимой предусмотрены подходящие циклы обогрева и охлаждения”. Плита из легкого заполнителя лучше выдерживала нагревание, поддерживая температуру выше точки замерзания в течение 10 часов, в то время как парафин в микрокапсулах нагревался быстрее, но сохранял тепло только половину этого времени. Исследователи отметили, что пористость заполнителя, вероятно, способствует тому, что парафин остается жидким при температуре ниже его обычной температуры замерзания 42 ° F, а это означает, что плита не сразу выделила свою тепловую энергию, когда температура начала падать, а удерживала ее до тех пор, пока температура материала не достигла 39 °F/3,9 ° C. Это отличается от микрокапсулированной парафиновой пластины, которая начала выделять свою тепловую энергию, когда ее температура достигла 42 °F.
|
|
|
|
“Наши результаты показывают, что легкий бетон с фазовым переходом, обработанный заполнителем, больше подходит для борьбы с обледенением при минусовых температурах из-за постепенного выделения тепла в более широком диапазоне температур”, - сказал Фарнам. Исследователи говорят, что способность предотвращать падение температуры бетонной поверхности ниже точки замерзания поможет предотвратить ее износ. “Циклы замораживания-оттаивания, периоды резкого похолодания – 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 разрушительным трещинам и отслоению”, - сказал Робин Деб, ведущий автор исследования и соавтор-корреспондент. “И хотя само по себе это не может привести к разрушению конструкции до предела, это создает уязвимость, которая приведет к проблемному внутреннему износу, которого нам необходимо избегать. Одно из многообещающих открытий заключается в том, что плиты из материалов с фазовым переходом смогли стабилизировать температуру выше точки замерзания в условиях понижения температуры окружающей среды”.
|
|
|
|
Исследователи отметили, что плиты были менее эффективны при сильном снегопаде толщиной более двух дюймов. И что если у материала с фазовым переходом не было возможности "подзарядиться", достаточно нагревшись, чтобы вернуться в жидкое состояние в период между заморозками и таянием снега, производительность может снизиться. Они планируют продолжить сбор данных для оценки долгосрочной эффективности плит и изучения того, как использование материалов с фазовым переходом может продлить срок службы бетона. “Благодаря этим результатам мы сможем продолжать совершенствовать систему, чтобы в один прекрасный день оптимизировать ее для более длительного нагрева и плавления”, - сказала Деб. “Но отрадно видеть свидетельства значительного сокращения циклов замораживания-оттаивания, что свидетельствует о том, что бетон PCM (материал с фазовым переходом) более долговечен при замораживании-оттаивании по сравнению с традиционным бетоном”. Из исследования неясно, был ли использованный парафин синтетическим. Проблема с использованием несинтетического парафина заключается в том, что парафин является побочным продуктом переработки нефти, невозобновляемым ресурсом, для добычи и переработки которого требуется интенсивное оборудование. Как невозобновляемый ресурс, парафин не является устойчивым, биоразлагаемым или безвредным для окружающей среды.
|
|
|
|
Источник
|
