בטון מהפכני מדרקסל ממיס שלג וקרח באופן טבעי

חוקרי דרקסל מראים שבטון עם חומר שינוי פאזה יכול לחמם את עצמו כאשר הטמפרטורות יורדות.

יש חלקת בטון בקמפוס של אוניברסיטת דרקסל שיכול לבשר על עתיד נטול כפור למדרכות ולכבישים מהירים בצפון מזרח. שני לוחות בגודל 30 אינץ' על 30 אינץ', תחובים בצורה לא בולטת ליד מגרש חניה לרכבי המתקנים של האוניברסיטה, מונעים בעצמם שלג, גשם שוטף וגשם קופא – בלי לגרוף, להמלח או לגרד – במשך קצת יותר משלוש. שנים. חוקרים מהמכללה להנדסה של דרקסל דיווחו לאחרונה על המדע מאחורי הבטון המיוחד, שיכול להתחמם כשיורד שלג, או כשהטמפרטורות מתקרבות לקפיא.

היתרונות של בטון המחמם את עצמו

בטון המחמם את עצמו, כמו זה של דרקסל, הוא האחרון במאמץ מתמשך ליצור תשתית מגיבה וגמישה יותר לסביבה, במיוחד באזורים הצפוניים של ארצות הברית, שם מעריך מינהל הכבישים הלאומי שמדינות מוציאות 2.3 מיליארד דולר על פעולות הסרת שלג וקרח כל שנה ומיליונים לתיקון כבישים שנפגעו ממזג האוויר החורפי.

"אחת הדרכים להאריך את חיי השירות של משטחי בטון, כמו כבישים, היא לעזור להם לשמור על טמפרטורת פני השטח מעל הקפיא במהלך החורף", אמר אמיר פרנם, PhD, פרופסור חבר במכללה להנדסה שמעבדה לחומרי תשתית מתקדמת שלו. הוביל את המחקר. "מניעת הקפאה והפשרה וצמצום הצורך בחריש והמלחה הן דרכים טובות לשמור על הידרדרות פני השטח. לכן, העבודה שלנו בוחנת כיצד אנו יכולים לשלב חומרים מיוחדים בבטון שעוזרים לו לשמור על טמפרטורת פני השטח גבוהה יותר כאשר טמפרטורת הסביבה סביבו יורדת".

צוות דרקסל פיתח את תערובת הבטון העמידה במזג אוויר קר בחמש השנים האחרונות במטרה להפחית את ההקפאה, ההפשרה וההמלחה שאוכלת כבישים ומשטחי בטון אחרים. עד כה, הצלחת הבטון המחמם העצמי שלהם – שעליו דיווחו בעבר יכול להמיס שלג ולמנוע או להאט היווצרות קרח למשך תקופה ממושכת – הייתה רק בתנאי מעבדה מבוקרת. במאמר שפורסם לאחרונה ב-American Society for Civil Engineering's כתב עת לחומרים בהנדסה אזרחית, הקבוצה עשתה את הצעד החשוב של הוכחת הכדאיות שלה בסביבה הטבעית.

"הוכחנו שהבטון המחמם העצמי שלנו מסוגל להמיס שלג בעצמו, תוך שימוש רק באנרגיה התרמית הסביבתית בשעות היום – ולעשות זאת ללא עזרת מלח, חפירה או מערכות חימום", אמר פרנם. "הבטון המחמם את עצמו מתאים לאזורים הרריים וצפוניים בארה"ב, כמו צפון מזרח פנסילבניה ופילדלפיה, שם יש מחזורי חימום וקירור מתאימים בחורף."

המכניקה של התחממות בטון

הסוד להתחממות הבטון הוא פרפין נוזלי בטמפרטורה נמוכה, שהוא חומר לשינוי פאזה, כלומר הוא משחרר חום כשהוא הופך ממצבו בטמפרטורת החדר – כנוזל – למוצק, כשהטמפרטורות יורדות. במאמר קודם, הקבוצה דיווחה כי שילוב פרפין נוזלי בבטון גורם לחימום כאשר הטמפרטורות יורדות. המחקר האחרון שלהם בוחן שתי שיטות לשילוב חומר שינוי השלב בלוחות בטון וכיצד כל אחד מסתדר בחוץ בקור.

שיטה אחת כוללת טיפול בצבר קל משקל נקבובי – חלוקי הנחל ושברי אבן קטנים שהם מרכיבים בבטון – עם הפרפין. האגרגט סופג את הפרפין הנוזלי לפני ערבוב בבטון. האסטרטגיה האחרת היא ערבוב מיקרו-קפסולות של פרפין ישירות לתוך הבטון.

מבחן באלמנטים

החוקרים יצקו לוח אחד בכל שיטה ושלישי ללא כל חומר לשינוי פאזה, כבקרה. שלושתם היו בחוץ לזולת מאז דצמבר 2021. בשנתיים הראשונות הם התמודדו עם סך של 32 אירועי הקפאה-הפשרה – מקרים שבהם הטמפרטורה ירדה מתחת לאפס, ללא קשר למשקעים – וחמישה שלג של סנטימטר או יותר.

באמצעות מצלמות וחיישנים תרמיים עקבו החוקרים אחר הטמפרטורה והתנהגות הפשרת השלג והקרח של הלוחות. הם דיווחו כי לוחות שינוי השלב שמרו על טמפרטורת פני השטח בין 42 ל-55 מעלות פרנהייט למשך עד 10 שעות, כאשר טמפרטורות האוויר צנחו מתחת לאפס.

חימום זה מספיק כדי להמיס כמה סנטימטרים של שלג, בקצב של כרבע סנטימטר של שלג לשעה. ולמרות שזה אולי לא חם מספיק כדי להמיס אירוע שלג כבד לפני שיהיה צורך במחרשות, זה יכול לעזור לקשט את פני הכביש ולהגביר את בטיחות התחבורה, אפילו באירועי שלג כבדים.

נשאר חם מספיק

עצם מניעת צניחה של פני השטח מתחת לקפיא עושה דרך ארוכה גם בכל הנוגע למניעת הידרדרות, לדברי החוקרים.

"מחזורי הקפאה-הפשרה, תקופות של התקררות קיצונית – מתחת לאפס – והתחממות, עלולים לגרום למשטח להתרחב ולהתכווץ בגודלו, מה שמכביד על שלמותו המבנית ועלול לגרום לסדקים ופירוטים מזיקים לאורך זמן", אמר רובין דב. , דוקטורנט במכללה להנדסה, שעזר להוביל את המחקר. "ובעוד שזה לבדו לא יכול לבזות את המבנה עד לכישלון, זה יוצר פגיעות שתוביל להידרדרות הפנימית הבעייתית שאנחנו צריכים להימנע ממנה. אחד הממצאים המבטיחים הוא שהלוחות עם חומרי שינוי פאזה הצליחו לייצב את הטמפרטורה שלהם מעל לקפיא כשהם מתמודדים עם ירידה בטמפרטורות הסביבה".

לאט ויציב

בסך הכל, לוח האגרגט הקל המטופל הפגין ביצועים טובים יותר בשמירה על החימום שלו – שמירה על הטמפרטורה מעל הקפיא למשך עד 10 שעות – בעוד הלוח עם חומר שינוי פאזה מכוסה במיקרו הצליח להתחמם מהר יותר, אך רק לשמור על ההתחממות למשך חצי. ארוך. החוקרים טוענים כי הדבר נובע מההוצאה היחסית של חומר שינוי הפאזה בתוך נקבוביות האגרגט, בהשוואה לריכוז חומר שינוי הפאזה בתוך המיקרוקפסולות – תופעה שנחקרה בהרחבה.

הם גם ציינו כי הנקבוביות של המאגר תורמת ככל הנראה לכך שהפרפין נשאר נוזל מתחת לטמפרטורת הקפאה הרגילה שלו של 42 מעלות פרנהייט. זה הוכיח את עצמו כמועיל לביצועי הלוח מכיוון שהחומר לא שיחרר מיד את אנרגיית החום שלו כשהטמפרטורה החלה לרדת – החזיק את שחרורו עד שהחומר הגיע ל-39 מעלות פרנהייט. לעומת זאת, הפרפין המוקפס במיקרו החל לשחרר את האנרגיה המחממת שלו ברגע שהטמפרטורה שלו הגיעה ל-42 מעלות, מה שתרם לתקופת ההפעלה הקצרה יחסית שלו.

"הממצאים שלנו מצביעים על כך שבטון מצרפי קל משקל שטופל בחומר שינוי פאזה היה מתאים יותר ליישומי הקרח בטמפרטורות מתחת לאפס בשל שחרור החום ההדרגתי שלו בטווח רחב יותר של טמפרטורות," אמר פארנם.

מקום לשיפור

בעוד ששני היישומים הצליחו להעלות את טמפרטורת הבטון בין 53 ל-55 מעלות פרנהייט, וזה די והותר כדי להמיס שלג. הביצועים שלהם הושפעו מטמפרטורת האוויר הסביבתית לפני ירידת שלג ומקצב ירידת השלג.

"מצאנו שמדרכות המשולבות ב-PCM לא יכולות להמיס לחלוטין הצטברות שלג כבד – יותר מ-2 אינץ'", אמר דב. "עם זאת, הוא יכול להמיס מפלי שלג פחות משני סנטימטרים בצורה יעילה למדי. הלוחות המשולבים ב-PCM מתחילים להמיס שלג ברגע שהוא מתחיל להצטבר. ושחרור החום ההדרגתי יכול למעשה להרוס את פני המדרכה, מה שיבטל את הצורך בהמלחה מוקדמת לפני השלג הכבד".

הם גם ציינו שאם לחומר שינוי הפאזה אין קצת זמן "להיטען" על ידי התחממות מספיק כדי לחזור למצבו הנוזלי בין אירועי הקפאה-הפשרה או שלג, אזי הביצועים שלו עלולים להיות מופחתים.

"ביצוע מחקר זה היה צעד חשוב עבורנו להבין כיצד מתנהג בטון המשלב חומר של שינוי שלב בטבע," אמר דב. "עם הממצאים הללו, נוכל להמשיך ולשפר את המערכת כדי לייעל אותה יום אחד לחימום ארוך יותר ולהתכה גדולה יותר. אבל זה מעודד לראות עדויות להפחתה משמעותית של מחזורי הקפאה-הפשרה, מה שמוכיח שבטון PCM עמיד יותר להקפאה-הפשרה בהשוואה לבטון מסורתי".

הצוות מתכנן להמשיך לאסוף נתונים על הלוחות כדי להבין את היעילות ארוכת הטווח של חומרי שינוי השלב ולחקור כיצד שיטה זו עשויה להאריך את תוחלת החיים של הבטון.

בנוסף לפארנם ודב, נישאנט שרתה, חאם פאן, מוחמד סיסו, בוגרי תואר ראשון במכללה להנדסה; ו-Parsa Namakiaraghi, Yousif Alqenai, Sharaniaya Visvalingam ו-Anga Mutua, מועמדות לדוקטורט במכללה להנדסה; תרם למחקר זה.