В рамках разработки, которая вскоре может сделать ненужными лопаты для снега и соль, исследователи Университета Дрекселя представили технологию самонагревающегося бетона, способную преобразовать зимнюю инфраструктуру в холодных регионах.
Этот инновационный бетон, наполненный материалами с фазовым переходом, может автономно сохранять тепло, эффективно защищая от снега, мокрого снега и ледяного дождя.
Это достижение обещает значительное сокращение как экологических, так и экономических затрат, связанных с управлением зимней погодой. Кроме того, он продлевает срок службы бетонных поверхностей, предотвращая износ, вызванный циклами замораживания-оттаивания и противообледенительными химикатами.
Доказательство в кампусе
Две экспериментальные бетонные плиты, расположенные на территории кампуса Университета Дрекселя, уже более трех лет успешно демонстрируют эту технологию.
Эти плиты размером 30 на 30 дюймов каждая устойчиво выдерживают суровые зимы без какого-либо ручного вмешательства. Они демонстрируют потенциал будущего, в котором обледеневшие тротуары и дороги останутся в прошлом.
Наука о самонагревающихся поверхностях
Движущей силой этого нововведения является желание создать инфраструктуру, которая была бы одновременно экологически чистой и устойчивой к суровым северным зимам.
Соединенные Штаты, особенно их северный регион, ежегодно тратят миллиарды долларов на уборку снега и льда, не говоря уже о значительных затратах на ремонт дорог, поврежденных зимой.
По словам доктора Амира Фарнама, доцента Инженерного колледжа Дрекселя, ключ к продлению срока службы бетонных поверхностей заключается в их способности сохранять температуру выше нуля в течение зимы, устраняя тем самым вредные циклы замерзания и оттаивания.
Самоусаживающийся бетон в реальном мире
За пять лет команда доктора Фарнама усовершенствовала самонагревающуюся бетонную смесь, чтобы уменьшить необходимость вспашки и соления. Их прорыв показал свою эффективность в реальных условиях благодаря низкотемпературному жидкому парафину.
Этот материал с фазовым переходом выделяет тепло во время перехода из жидкого состояния в твердое, позволяя бетону поддерживать температуру поверхности от 42 до 55 градусов по Фаренгейту в течение до 10 часов в условиях замерзания. Это предотвращает образование льда и эффективно растапливает снег.
Исследователи протестировали два метода добавления в бетон материала с фазовым переходом. Первый метод заключался в предварительной обработке легкого заполнителя парафином. Второй метод заключался в смешивании микрокапсул парафина непосредственно с бетоном.
За два года, несмотря на 32 замерзания и оттаивания, а также обильные снегопады, оба метода успешно поддерживали температуру поверхности выше нуля. Это предотвратило структурные повреждения, обычно вызываемые расширением и сжатием.
Сравнивая тепло
Исследование выявило два ключевых вывода о бетоне с материалами с фазовым переходом. Бетон, содержащий материал с фазовым переходом в легком заполнителе, дольше сохраняет тепло. И наоборот, бетон с микрокапсулированным парафином быстрее прогревался, но и быстрее охлаждался.
Это говорит о том, что первый лучше подходит для борьбы с обледенением, поскольку выделяет тепло медленно, особенно при минусовых температурах.
Однако эффективность варьируется в зависимости от таких факторов, как температура окружающей среды и интенсивность снегопада. Хотя самонагревающийся бетон не может полностью предотвратить накопление сильного снега, он очень эффективен при снегопадах размером менее двух дюймов, обеспечивая более зеленую альтернативу солению дорог.
Постоянное улучшение и долгосрочный эффект
Поскольку команда Drexel продолжает совершенствовать эту технологию, их исследования подчеркивают потенциал самонагревающегося бетона, позволяющий значительно сократить количество циклов замораживания-оттаивания, повышая долговечность бетонных поверхностей по сравнению с традиционными материалами.
Это многообещающее развитие знаменует собой значительный шаг на пути к более устойчивой и устойчивой инфраструктуре, способной противостоять вызовам зимней погоды.
Исследование опубликовано в журнале Materials in Civil Engineering.
