Исследователи из Университета Дрекселя сделали открытие, которое может создавать дороги, которые не обледеневают во время зимних штормов. Их секрет? - Добавление небольшого количества парафина в дорожную бетонную смесь.
В статье, недавно опубликованной в журнале Cement and Concrete Composites, исследователи под руководством Ягуба Фарнама, доктора философии, доцента Инженерного колледжа Дрекселя, объясняют, как такие вещества, как парафиновое масло, известные в химии как «материалы с фазовым переходом». - может использоваться в бетоне для хранения энергии и выделения ее в виде тепла, когда дорога нуждается в расплавлении.
Поддержание дорог открытыми для движения является постоянной проблемой в зимние месяцы, но попытки сделать их безопасными для проезда, в том числе постоянное использование снегоочистителей, противогололедных химикатов и дорожной соли, приводят к ухудшению состояния поверхности. Химические вещества и дорожная соль, которые в настоящее время используются для таяния снега и льда, также могут оказывать пагубное воздействие на окружающую среду, когда поверхностные стоки переносят их в близлежащие экосистемы, что весьма вероятно, учитывая, что один только штат Пенсильвания сбрасывает более 900 000 тонн соли на дороги каждый. зима. Поэтому исследователи какое-то время искали лучший вариант на зиму, чем соление и вспашка.
Группа Фарнама в сотрудничестве с исследователями из Университета Пердью и Университета штата Орегон одной из первых продемонстрировала, что использование материалов с фазовым переходом в качестве экологически чистой альтернативы может быть столь же эффективным, как и стандартные методы соления и соскабливания.
«Материалы с фазовым переходом могут быть включены в бетон с использованием пористого легкого заполнителя или встроенных труб, и когда PCM превращается из жидкого в твердое во время охлаждения, он может выделять тепло, которое можно использовать для таяния льда и снега», Фарнам. сказал.«Предотвращая образование льда и снега на тротуаре или поверхности моста, использование PCM может уменьшить или устранить потребность в химикатах/солях против обледенения, уборке снега или в том и другом, тем самым экономя деньги и положительно влияя на воздействие таких операций на окружающую среду».
Парафиновое масло, распространенный ингредиент в свечах, восковых полиролях, косметике и гидроизоляционных смесях, было выбрано ими для этой цели, потому что оно органическое, широкодоступное, химически стабильное и относительно недорогое. Как и все материалы с фазовым переходом, он выделяет тепловую энергию, когда меняет свое физическое состояние, что означает, что когда температура падает и масло начинает затвердевать, оно высвобождает энергию за счет скрытой теплоты плавления. Это означает, что парафиновое масло может быть адаптировано для использования в дорожном покрытии с противообледенительными свойствами, чтобы оно становилось термически активным во время снегопадов или когда требуется противообледенительная обработка.
Чтобы проверить его способность к таянию снега и льда, команда создала набор бетонных плит: одна с заполненными парафином трубами внутри, другая с пористым легким заполнителем, пропитанным парафином, и третья эталонная плита без парафин. Каждый был запечатан в изолированном контейнере, а затем покрыт примерно пятью дюймами лабораторного «снега».
При температуре внутри боксов, поддерживаемой в пределах 35-44 градусов по Фаренгейту, обе плиты, обработанные парафином, смогли полностью растопить снег в течение первых 25 часов испытаний, в то время как снег на эталонном образце оставался замороженным. Плита с трубками, заполненными парафином, растапливала снег несколько быстрее, чем плита, состоящая из обработанного парафином заполнителя. Фарнам предполагает, что это связано с тем, что парафин внутри трубок способен быстрее затвердевать, высвобождая таким образом свою энергию, из-за постоянного диаметра трубок. При этом диаметр пор заполнителя различается по размеру.
Но во втором эксперименте группы, в котором температура окружающего воздуха в боксе была снижена до точки замерзания перед добавлением снега, обработанный парафином заполнитель оказался более эффективным, чем встроенные трубы. Это связано с тем, что капиллярное поровое давление задерживает замерзание парафина, что позволяет ему выделять свою тепловую энергию в течение более длительного периода времени.
«Постепенное выделение тепла из-за различных размеров пор в пористом легком заполнителе более полезно при таянии снега, когда бетон подвергается воздействию различных температурных изменений, когда требуется таяние снега или удаление льда», - сказал Фарнам. «Мы считаем, что использование пористого легкого заполнителя может быть потенциальным способом включения материалов с фазовым переходом в бетон, поскольку его легко реализовать на практике и он может охватывать условия окружающей среды в различных местах США, связанные со снегом, особенно с таянием снега или удалением льда на дорогах. и мосты на северо-востоке."
Одно из первых применений этой инфраструктурной технологии может быть в аэропортах, где поддержание чистоты взлетно-посадочных полос от снега и льда жизненно важно и является постоянной проблемой зимой. Федеральное авиационное управление поддержало это исследование в рамках своего проекта «Обогрев тротуаров аэропорта» в рамках своей программы «Партнерство для повышения безопасности, доступности и устойчивости авиации общего назначения».
«Необходимы дополнительные исследования, чтобы лучше понять другие факторы, влияющие на технологичность бетона, в том числе характеристики свежего и затвердевшего бетона, когда бетон содержит материалы с фазовым переходом, а также тепловые характеристики материала с фазовым переходом в различных местах в США», - сказал Фарнам.. «В конечном итоге это может быть использовано для уменьшения количества используемых нами противогололедных химикатов или может быть использовано в качестве нового метода против обледенения для повышения безопасности дорог и мостов. Но прежде чем его можно будет внедрить, нам нужно лучше понять, как это влияет на долговечность. бетонного покрытия, сопротивление скольжению и долговременная стабильность."