Бетон с фазовым переходом растапливает снег и лед без соли и лопат

В странах с холодным климатом вопросы уборки снега и льда с транспортных магистралей — это постоянная и крайне дорогостоящая проблема. В США на очистку дорог зимой ежегодно тратится свыше $2,3 млрд. И это не считая последствий аварий, часто с трагическим исходом. Учёные из Пенсильвании создали незамерзающее дорожное покрытие, которое с помощью эффекта фазового перехода могло бы самостоятельно разогреваться и высвобождаться от снега и гололеда.

В качестве присадки к бетону для заливки дорог исследователи из Дрексельского университета (Drexel University) использовали парафин. Это получаемое из нефти органическое соединение способно выделять тепло при переходе из жидкого состояния в твёрдое. Тем самым парафин в составе бетона должен разогревать дорожное покрытие в процессе отвердевания при охлаждении окружающей среды ниже определённой температуры. В идеале — при достижении температуры замерзания воды.

Рядом с парковкой университета учёные залили три плиты со сторонами 76 × 76 см каждая: одну без каких-либо добавок, вторую с микрокапсулами парафина и третью с пористым естественным наполнителем (типа щебня), предварительно выдержанным в парафине. За плитами было установлено видеонаблюдение и слежение с помощью датчиков. Их состояние и состояние снежного покрытия на плитах отслеживалось три года, что позволило сделать далеко идущие выводы.

Выяснилось, что самым эффективным оказалось покрытие с наполнителем, предварительно выдержанным в парафине. Температура такого покрытия плавно снижалась в течение 10 часов, поддерживая в материале плюсовую температуру (от 5,6 °C до 12,8 °C) и не давая образовываться на нём льду и собираться слою снега. Затем материал «перезаряжался» на следующие сутки во время дневного повышения температуры и снова начинал работать после снижения температуры ночью. При затяжном снижении температуры всё это не работает, но в межсезонье и оттепели — вполне, что лучше, чем ничего, когда бетон промерзает, а вода в трещинах начинает разрушать покрытие.

Бетон с микрогранулами парафина показал себя хуже. Он выделял тепло в два раза быстрее — примерно за пять часов. Учёные объяснили это тем, что в пористых присадках парафин медленнее переходил из жидкой фазы в твёрдую и дольше отдавал тепло покрытию. Так, переход в твёрдую фазу у парафина в пористых присадках начинался при охлаждении до 3,9 °C, тогда как в виде микрогранул фазовый переход начинался при охлаждении до 5,6 °C. Позже начал работать — отдавал тепло дольше. Это правило позволит повысить эффективность саморазогрева бетона простым способом.

"Мы продемонстрировали, что наш самонагревающийся бетон способен растапливать снег самостоятельно, используя только дневную энергию тепла окружающей среды — и делать это без помощи соли, лопат или систем подогрева, — говорят авторы исследования. — Этот самонагревающийся бетон подходит для горных и северных регионов США, таких как Северо-Восточная Пенсильвания и Филадельфия, где зимой имеют место аналогичные циклы нагрева и охлаждения".

Исследователи отметили, что плиты были менее эффективны при большом скоплении снега, превышающем два дюйма. Кроме того, если у фазосдвигающего материала не было возможности "перезарядиться", нагревшись настолько, чтобы вернуться в жидкое состояние между замораживанием и оттаиванием или снегопадом, его эффективность могла снизиться.

Они планируют продолжить сбор данных для оценки долгосрочной эффективности плит и изучить, как использование фазообменных материалов может продлить срок службы бетона.

"Благодаря полученным данным мы сможем продолжать совершенствовать систему, чтобы однажды оптимизировать ее. "Но обнадеживает тот факт, что мы видим свидетельства значительного сокращения циклов замораживания-оттаивания, что свидетельствует о том, что бетон из фазообменного материала более морозоустойчив по сравнению с традиционным".

Из исследования неясно, был ли используемый парафин синтетическим. Проблема с использованием несинтетического парафина заключается в том, что парафин является побочным продуктом нефти (сырой нефти) - невозобновляемого ресурса, требующего оборудования для добычи и переработки. А будучи невозобновляемым ресурсом, парафин не является устойчивым, биоразлагаемым или экологически чистым.

Источник