На территории кампуса университета Дрекселя есть квадратный участок из бетона, который может предвещать незамерзающее будущее для тротуаров и шоссе. Две плиты размером 75 на 75 дюймов, незаметно расположенные рядом со стоянкой для служебного транспорта университета, уже более трёх лет самостоятельно защищаются от снега и ледяного дождя — без лопат, соли и скребков. Исследователи из Инженерного колледжа Дрекселя недавно рассказали о науке, лежащей в основе специального бетона, который может согревать сам себя, когда идёт снег или температура приближается к нулю.
Самонагревающийся бетон, который используют в Дрекселе, является последним примером постоянных усилий по созданию более экологичной и устойчивой инфраструктуры, особенно в северных регионах США, где, по оценкам Национального управления шоссейных дорог, штаты ежегодно тратят $2,3 миллиарда на уборку снега и льда и миллионы на ремонт дорог, повреждённых зимней погодой.
«Один из способов продлить срок службы бетонных поверхностей, таких как дороги, — это помочь им поддерживать температуру поверхности выше нуля в зимний период», — говорит Амир Фарнам, доктор философии, доцент Инженерного колледжа, чья лаборатория материалов для перспективных инфраструктур возглавляла исследование. «Предотвращение замерзания и оттаивания и сокращение необходимости их уборки и посыпки солью — это хорошие способы предотвратить ухудшение состояния поверхности. Поэтому мы работаем над тем, как включить в бетон специальные материалы, которые помогут ему поддерживать более высокую температуру поверхности, когда температура окружающей среды вокруг него падает».
Команда Дрекселя разрабатывала свою устойчивую к холодным погодным условиям бетонную смесь в течение последних пяти лет с целью уменьшить воздействие замораживания, оттаивания и соли, 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 работе, недавно опубликованной в журнале Американского общества гражданского строительства Journal of Materials in Civil Engineering, группа предприняла важный шаг — доказала жизнеспособность этого метода в естественных условиях.
«Мы продемонстрировали, что наш самонагревающийся бетон способен самостоятельно растапливать снег, используя только дневную тепловую энергию окружающей среды, и делать это без помощи соли, лопат или систем отопления», — говорит Фарнам. «Этот самонагревающийся бетон подходит для горных и северных регионов США, таких как северо-восточная Пенсильвания и Филадельфия, где есть подходящие циклы отопления и охлаждения в зимний период».
Тёплый приём
Секрет разогрева бетона заключается в низкотемпературном жидком парафине, который выделяет тепло при переходе между агрегатными состояниями (phase-change material, PCM), то есть он выделяет тепло, когда переходит из состояния комнатной температуры — жидкости — в твёрдое состояние при понижении температуры. В предыдущей работе группа исследователей сообщила, что добавление жидкого парафина в бетон вызывает его нагрев при падении температуры. В своём последнем исследовании группа рассматривает два метода включения PCM в бетонные плиты и то, как каждый из них ведёт себя на улице в холодное время года.
Один из методов предполагает обработку парафином пористого лёгкого заполнителя — гальки и мелких каменных фрагментов, входящих в состав бетона. Заполнитель впитывает жидкий парафин перед тем, как его смешивают с бетоном. Другая стратегия заключается в перемешивании микрокапсул парафина непосредственно в бетон.
Испытание стихиями
Исследователи залили одну плиту, используя каждый метод, и третью, без PCM, в качестве контроля. Все три плиты находились под открытым небом с декабря 2021 года. За первые два года они пережили в общей сложности 32 заморозки-оттаивания — случаи, когда температура опускалась ниже нуля, независимо от осадков, — и пять снегопадов c высотой снежного покрова более 2 см.
Используя камеры и тепловые датчики, исследователи следили за температурой и поведением плит при снегопаде и таянии льда. По их данным, PCM плиты поддерживали температуру поверхности между 5°C и 12°C в течение 10 часов, когда температура воздуха опускалась ниже нуля.
Такого нагрева достаточно, чтобы растопить пяток сантиметров снега, со скоростью примерно 6 мм в час. И хотя такого тепла недостаточно для того, чтобы растопить обильный снегопад до того, как потребуются снегоуборочные машины, оно может помочь очистить дорожное покрытие ото льда и повысить безопасность движения даже при сильном снегопаде.
Достаточно тепло
По словам исследователей, простое предотвращение опускания температуры поверхности ниже уровня замерзания также играет важную роль в предотвращении износа.
«Циклы замораживания-оттаивания, периоды экстремального охлаждения — ниже нуля — и потепления, могут привести к расширению и сжатию поверхности, что создаёт нагрузку на её структурную целостность и со временем может вызвать разрушительные трещины и сколы», — говорит Робин Деб, докторант Инженерного колледжа, который помогал руководить исследованием. И хотя само по себе это не может привести к разрушению конструкции, оно создаёт уязвимость, которая приведёт к проблематичному разрушению внутренней части, которого нам нужно избежать». Одним из многообещающих результатов стало то, что плиты с PCM смогли стабилизировать свою температуру выше нуля при понижении температуры окружающей среды».
Медленно и стабильно
В целом, плита из обработанного лёгкого заполнителя лучше справлялась с нагревом — поддерживала температуру выше нуля в течение 10 часов, — в то время как плита с микрокапсулированным PCM нагревалась быстрее, но поддерживала температуру в два раза дольше. Исследователи предполагают, что это связано с относительной дисперсностью PCM в порах заполнителя по сравнению с концентрацией PCM внутри микрокапсул — явление, которое было подробно изучено.
Они также отметили, что пористость заполнителя, вероятно, способствует тому, что парафин остаётся жидким ниже своей обычной температуры замерзания в 5°С. Это оказалось полезным для характеристик плиты, поскольку материал не сразу высвобождал свою тепловую энергию, когда температура начала падать, — он удерживал её до достижения 4°С. В отличие от этого, микрокапсулированный парафин начинал высвобождать свою тепловую энергию, как только его температура достигала 5°, что способствовало его относительно более короткому периоду активации.
«Наши результаты свидетельствуют о том, что обработанный PCM лёгкий бетон с заполнителем больше подходит для применения в качестве антиобледенителя при отрицательных температурах благодаря постепенному высвобождению тепла в более широком диапазоне температур», — сказал Фарнам.
Возможности для совершенствования
Несмотря на то, что оба способа применения смогли поднять температуру бетона до 12-13°С, что более чем достаточно для растапливания снега. На их эффективность влияла температура окружающего воздуха перед снегопадом и скорость снегопада.
«Мы обнаружили, что тротуары с добавлением PCM не могут полностью растопить большие скопления снега — более 5 см», — сказал Деб. «Однако они могут достаточно эффективно растапливать снежные массы менее 5 см. Плиты с добавлением PCM начинают растапливать снег, как только тот начинает накапливаться. А постепенное выделение тепла может эффективно удалять лёд с поверхности тротуара, что избавит от необходимости предварительного подсыпания соли перед сильным снегопадом».
Они также отметили, что если у PCM нет времени на «перезарядку», когда он нагревается настолько, что возвращается в жидкое состояние между замораживанием и оттаиванием или снегопадом, то его эффективность может снизиться.
«Проведение этого исследования стало для нас важным шагом к пониманию того, как бетон, содержащий PCM, ведёт себя в природе», — сказал Деб. «Благодаря полученным результатам мы сможем продолжать совершенствовать систему, чтобы в будущем оптимизировать её для более длительного нагрева и более интенсивного таяния. Но отрадно видеть свидетельства значительного сокращения циклов замораживания-оттаивания, что свидетельствует о том, что бетон из PCM более морозоустойчив по сравнению с традиционным бетоном».
Команда планирует продолжить сбор данных о плитах, чтобы понять долгосрочную эффективность PCM и изучить, как этот метод может продлить срок службы бетона.
