Текст: Drexel University

Перевод: Ирина Шитикова

Фото: Tuomas A. Lehtinen/Getty Images

Исследователи Университета Дрекселя (США) разработали инновационную формулу для строительных материалов — созданный ими бетон способен естественным образом растапливать снег и лед. Использование такого материала позволит оставить в прошлом лопаты, соль и чистку дорог в зимний сезон. Подробнее о свойствах новой разработки рассказывает портал университета. Inc публикует перевод статьи.

Переход к более практичному и экономному обслуживанию инфраструктуры стал возможным благодаря свойству фазового перехода — материал выделяет тепло, когда переходит из жидкого состояния в твердое. Никакие дополнительные источники питания при этом не нужны.

Греет душу и кошелек

Чудо инженерии зародилось в лабораториях Университета Дрекселя в Пенсильвании. Ученые сообщили о революционном материале, который нагревается самостоятельно при приближении температуры к нулю или при выпадении осадков. Исследователи утверждают, что открытие позволит сделать инфраструктуру в холодных регионах более долговечной и экономичной в обслуживании. Ведь ежегодно Министерство транспорта США тратит более $2,3 млрд на борьбу со снегом и гололедом — и это не считая расходов на поврежденные дорожные участки. Ведь традиционные средства устранения наледи, такие как соль и химикаты, наносят ущерб асфальтовому и бетонному покрытию.

Сейчас возле кампуса Университета Дрекселя оборудован экспериментальный участок — образец будущих незамерзающих тротуаров и шоссе. Две плиты размером 30 на 30 дюймов рядом со стоянкой для служебного транспорта уже более трех лет самостоятельно очищаются от снега, наледи и ледяного дождя — без лопат и соли!

«Предотвращение замерзания и оттаивания, а также сокращение расчистки и обработки солью — хорошие способы уберечь поверхность. Наша работа направлена ​​на включение в бетон специальных материалов, которые помогут ему поддерживать поверхность теплой, когда температура окружающей среды падает», — рассказал доцент университета Амир Фарнам, чья лаборатория передовых материалов для инфраструктуры возглавляла исследование.

Полевые испытания

Разработки подобного соединения команда из Дрекселя вела в течение последних пяти лет. До сих пор успех их самонагревающегося бетона был достигнут лишь в контролируемых лабораторных условиях.

В статье, опубликованной в журнале SciTechDaily Американского общества гражданского строительства, исследователи опубликовали новый этап работы, доказывающий эффективность этого метода в естественных условиях.

«Мы доказали опытным путем, что наш самонагревающийся бетон способен растопить снег самостоятельно, используя только дневную тепловую энергию окружающей среды, — без помощи соли, лопат или систем отопления», — сказал Фарнам.

По словам ученого, это бетонное соединение прекрасно подойдет для горных и северных регионов США, таких как северо-восточная Пенсильвания и Филадельфия.

«Благодаря этим открытиям мы сможем продолжать совершенствовать систему, чтобы однажды оптимизировать ее для более длительного нагрева и большей плавки. Приятно видеть значительное сокращение циклов замораживания и оттаивания, которое показывает, что такой бетон более долговечен при замораживании-оттаивании по сравнению с традиционным бетоном», — прокомментировал результаты Робин Деб, аспирант инженерного колледжа, который помогал руководить исследованием.

Секретная формула

Секрет нагревания бетона заключается в низкотемпературном жидком парафине в его составе. Он представляет собой материал с фазовым переходом, то есть выделяет тепло, когда переходит из состояния комнатной температуры — жидкости — в твердое состояние при падении температуры.

В своем последнем исследовании инженеры представили два метода включения материала с фазовым переходом в бетонные плиты и проанализировали, как каждый из них ведет себя в условиях улицы в холодную погоду.

Исследователи отлили по одной плите, используя каждый метод, и третью, контрольную, — без какого-либо материала с фазовым переходом. Все три образца находились на улице с декабря 2021 года. За первые два года были зафиксированы 32 явления замерзания и оттаивания — случаи, когда температура опускалась ниже нуля, и пять снегопадов толщиной в дюйм и более.

Используя камеры и термодатчики, исследователи отслеживали температуру, а также реакцию плит при таянии снега и льда. По итогам исследования выяснилось, что плиты с фазовым переходом поддерживали температуру поверхности от 42 до 55 градусов по Фаренгейту в течение 10 часов, когда температура воздуха опускалась ниже нуля.

Война с самой стихией

По словам исследователей, простое предотвращение проседания поверхности под действием заморозков тоже будет играть важную роль в снижении износа.

«Циклы замораживания и оттаивания, периоды сильного охлаждения и потепления приводят к расширению и сжатию поверхности, создают нагрузку на ее структурную целостность и могут со временем вызвать разрушительные трещины и сколы», — объяснил Деб.

По его словам, испытания принесли многообещающие результаты — плиты из материалов с фазовым переходом смогли стабилизировать свою температуру, когда столкнулись с заморозками.

Из двух образцов лучше выдерживала нагрев обработанная плита из легкого заполнителя. Она сохраняла температуру выше точки замерзания до 10 часов. Плита с микрокапсулированным материалом с фазовым переходом нагревалась быстрее, но оставалась теплой лишь пять часов.

Исследователи предполагают, что это связано с относительным распределением. Они также отметили, что пористость заполнителя, вероятно, способствует тому, что парафин остается жидким при температуре ниже его обычной температуры замерзания в 42 градуса по Фаренгейту. Таким образом, материал выделял свою тепловую энергию не сразу, как температура начинала падать, а удерживал ее до тех пор, пока она не опустилась до 39 градусов. В свою очередь, микрокапсулированный парафин начал выделять свою согревающую энергию сразу же при падении температуры.

«Наши результаты показывают, что бетон с легким заполнителем, обработанный материалом с фазовым переходом, больше подходит для зимы из-за постепенного выделения тепла в более широком диапазоне температур», — сказал Фарнам.

В обоих случаях температура бетона была достаточной, чтобы растопить снег, однако на эффективность работы материала также влияли температура окружающего воздуха перед снегопадом и скорость снегопада.

«Мы обнаружили, что покрытия с применением фазообменного материала не могут полностью растопить большие скопления снега — более 2 дюймов», — признал Деб.