محققان دانشگاه درکسل (Drexel) بتن خود گرم شونده ای را توسعه دادند که دارای ماده ای است که با کاهش دما گرما آزاد می کند، آزمایش‌ها نشان داد که بتن می‌تواند تا 10 ساعت دمای بالاتر از نقطه انجماد را حفظ کند و برف های باریده شده تا 2 اینچ را ذوب کند.

محققان دانشگاه درکسل اخیراً در مورد نوعی بتن ویژه گزارش دادند که می تواند هنگام بارش برف یا با نزدیک شدن دما به انجماد خود را گرم کند.

در مقاله‌ای که در مجله American Society for Civil Engineering’s Journal of Materials in Engineering منتشر شد، این گروه گام مهمی برای اثبات قابلیت خود در محیط طبیعی برداشت.

تکه‌ای از بتن در محوطه دانشگاه درکسل وجود دارد که می‌تواند آینده‌ای بدون یخبندان را برای پیاده‌روها و بزرگراه‌ها به تصویر بکشد، دو تخته 30 در 30 اینچی که به طور نامحسوس در کنار پارکینگ وسایل نقلیه دانشگاه قرار گرفته اند، برای مدت کمی بیش از سه بار به تنهایی از برف و باران و یخ زدگی جلوگیری می کند، بدون بیل زدن، نمک پاشی یا خراشیدن.

بتن خودگرم شونده آخرین مورد در تلاش مداوم برای ایجاد زیرساخت های سازگارتر با محیط زیست و انعطاف پذیرتر است، به ویژه در مناطق شمالی ایالات متحده، جایی که اداره ملی بزرگراه تخمین می زند که ایالت ها 2.3 میلیارد دلار برای عملیات حذف برف و یخ هزینه کنند و هر سال میلیون ها نفر برای تعمیر جاده های آسیب دیده از آب و هوای زمستانی باید کار کنند.

دکتر امیر فرنام، دانشیار دانشکده مهندسی که آزمایشگاه مواد زیرساخت پیشرفته او این تحقیق را هدایت می‌کند، گفت: یکی از راه‌های افزایش عمر سطوح بتنی، مانند جاده‌ها، کمک به آنها برای حفظ دمای سطح است.

در زمستان بالاتر از انجماد جلوگیری از یخ زدگی و ذوب شدن و کاهش نیاز به شخم زدن و نمک پاشی راه های خوبی برای جلوگیری از خراب شدن سطح است، بنابراین کار ما به دنبال این است که چگونه می‌توانیم مواد ویژه‌ای را در بتن بگنجانیم که به آن کمک می‌کند تا زمانی که دمای محیط اطراف آن کاهش می‌یابد دمای سطح بالاتری را حفظ کند.

تیم Drexel در پنج سال گذشته مخلوط بتن مقاوم در برابر آب و هوای سرد را با هدف کاهش یخ زدگی، ذوب شدن و نمکی که جاده ها و سایر سطوح بتنی را می خورد، توسعه داده است.

تا به حال موفقیت بتن خودگرم شونده آنها - که قبلا گزارش کرده بودند می تواند برف را ذوب کند و از تشکیل یخ برای مدت طولانی جلوگیری کند یا کند کند، فقط در یک محیط آزمایشگاهی کنترل شده بوده است. (اما با انتشار مقاله گام مهم اثبات زنده بودن آن در محیط طبیعی تکمیل شد)

فرنام اظهار داشت: ما نشان داده‌ایم که بتن خودگرم شونده ما قادر است به تنهایی برف را ذوب کند و تنها از انرژی حرارتی محیطی در طول روز استفاده کند - و این کار را بدون کمک نمک، بیل‌زنی یا سیستم‌های گرمایش انجام دهد.

این بتن خودگرم شونده برای مناطق کوهستانی و شمالی در ایالات متحده مانند شمال شرقی پنسیلوانیا و فیلادلفیا مناسب است، جایی که چرخه های گرمایش و سرمایش مناسب در زمستان وجود دارد.

یک خوش آمدگویی گرم

راز گرم شدن بتن پارافین مایع با دمای پایین است که یک ماده تغییر فاز دهنده است، به این معنی که وقتی دما از دمای اتاق خود - به عنوان مایع - به جامد تبدیل می شود، گرما آزاد می کند. در مقاله قبلی، این گروه گزارش داد که ترکیب پارافین مایع در بتن باعث گرم شدن هنگام کاهش دما می شود.

آخرین تحقیقات آنها به دو روش برای ترکیب مواد تغییر فاز در دال‌های بتنی و نحوه عملکرد هر کدام در بیرون در سرما می‌پردازد.

یکی از روش ها شامل تصفیه سنگدانه های سبک متخلخل - سنگریزه ها و قطعات سنگی کوچکی است که از مواد تشکیل دهنده بتن هستند - با پارافین، سنگدانه پارافین مایع را قبل از مخلوط شدن با بتن جذب می کند، استراتژی دیگر مخلوط کردن میکرو کپسول های پارافین به طور مستقیم در بتن است.

آزمونی در عناصر

محققان با استفاده از هر روش یک اسلب و یک تخته سوم را بدون هیچ ماده تغییر فازی به عنوان کنترل ریختند، هر سه از دسامبر 2021 خارج از عناصر بودند. در دو سال اول، آنها در مجموع با 32 رویداد یخ زدگی و ذوب شدن مواجه شدند - مواردی که دما به زیر صفر رسید، بدون توجه به بارندگی - و پنج بار برف یک اینچ یا بیشتر.

محققان با استفاده از دوربین‌ها و حسگرهای حرارتی، دما و رفتار ذوب شدن برف و یخ را زیر نظر گرفتند. آنها گزارش دادند که صفحات تغییر فاز دمای سطح را بین 42 تا 55 درجه فارنهایت تا 10 ساعت حفظ کردند، زمانی که دمای هوا به زیر صفر رسید.

این گرما برای ذوب شدن چند اینچ برف با سرعت حدود یک چهارم اینچ برف در ساعت کافی است. و در حالی که ممکن است قبل از نیاز به گاوآهن به اندازه کافی گرم نباشد که یک برف سنگین را ذوب کند، اما می تواند به تخریب سطح جاده و افزایش ایمنی حمل و نقل حتی در حوادث برف سنگین کمک کند.

به اندازه کافی گرم ماندن

به گفته محققان، صرفاً جلوگیری از افتادن سطح به زیر نقطه انجماد در جلوگیری از خراب شدن نیز بسیار کمک می کند.

رابین دب گفت: چرخه های انجماد و ذوب، دوره های سرد شدن شدید - زیر نقطه انجماد - و گرم شدن، می توانند باعث انبساط و انقباض سطح یک سطح شوند که به یکپارچگی ساختاری آن فشار وارد می کند و می تواند باعث ترک خوردگی و پوسته پوسته شدن در طول زمان شود.

یک دانشجوی دکتری در دانشکده مهندسی، که به رهبری این تحقیق کمک کرد و اگرچه این به تنهایی ممکن است ساختار را تا حد شکست تخریب نکند، آسیب‌پذیری ایجاد می‌کند که منجر به خرابی داخلی مشکل‌ساز می‌شود که باید از آن اجتناب کنیم.

یکی از یافته‌های امیدوارکننده این است که دال‌های دارای مواد تغییر فاز می‌توانند در مواجهه با کاهش دمای محیط، دمای خود را بالای نقطه انجماد تثبیت کنند.

آهسته و پیوسته

به طور کلی، دال سنگ‌دانه سبک تیمار شده در حفظ گرمایش بهتر عمل می‌کند - دما را تا 10 ساعت در بالای صفر نگه می‌دارد - در حالی که دال با مواد تغییر فاز میکرو کپسول‌شده می‌توانست سریع‌تر گرم شود، اما گرم شدن را فقط تا نیمی از آن حفظ کرد.

طولانی محققان پیشنهاد می کنند که این به دلیل توزیع نسبی مواد تغییر فاز در منافذ سنگدانه است، در مقایسه با غلظت مواد تغییر فاز در داخل میکروکپسول ها - پدیده ای که به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است.

آنها همچنین خاطرنشان کردند که تخلخل سنگدانه به احتمال زیاد باعث می شود پارافین به صورت مایع در زیر دمای انجماد معمول 42 درجه فارنهایت باقی بماند، این برای عملکرد دال مفید بود زیرا مواد بلافاصله انرژی گرمایی خود را با شروع کاهش دما آزاد نکردند - آزاد شدن خود را تا زمانی که ماده به 39 درجه فارنهایت برسد نگه داشت.

در مقابل، پارافین ریز کپسوله شده به محض اینکه دمای آن به 42 درجه رسید، شروع به آزادسازی انرژی گرمایشی خود کرد که به دوره فعال سازی نسبتاً کوتاه آن کمک کرد.

فرنام خاطرنشان کرد: یافته‌های ما نشان می‌دهد که بتن سبک‌دانه‌ای که با تغییر فاز تیمار شده است، به دلیل انتشار تدریجی گرما در محدوده وسیع‌تر دما، برای کاربردهای یخ‌زدایی در دماهای زیر صفر مناسب‌تر است.

برای بهبود اتاق

در حالی که هر دو کاربرد توانستند دمای بتن را بین 53 تا 55 درجه فارنهایت افزایش دهند که برای ذوب برف کافی است، عملکرد آنها تحت تأثیر دمای هوای محیط قبل از بارش برف و میزان بارش برف بود.

 دب گفت: ما متوجه شدیم که روسازی های گنجانده شده با PCM نمی توانند تجمع برف سنگین - بزرگتر از 2 اینچ را به طور کامل ذوب کنند، با این حال می‌تواند بارش برف کمتر از دو اینچ را کاملاً مؤثر ذوب کند.

اسلب های گنجانده شده با PCM به محض شروع به انباشتن برف شروع به ذوب شدن می کنند و انتشار تدریجی گرما می تواند به طور موثری سطح روسازی را از بین ببرد، که نیاز به نمک قبل از بارش برف سنگین را از بین می برد و برای آب کردن برف کافی است عملکرد آنها تحت تأثیر دمای هوای محیط قبل از بارش برف و میزان بارش برف بود.

آنها همچنین خاطرنشان کردند که اگر ماده تغییر فاز مدتی برای شارژ شدن با گرم شدن کافی برای بازگشت به حالت مایع خود بین رویدادهای یخ-ذوب یا برف نداشته باشد، ممکن است عملکرد آن کاهش یابد.

این تیم قصد دارد به جمع آوری داده ها در مورد دال ها برای درک اثربخشی طولانی مدت مواد تغییر فاز و مطالعه چگونگی افزایش طول عمر بتن توسط این روش ادامه دهد.

خوب، این یک خبر فوق العاده است، ایده ذوب برف های 2 اینچی یک ایده بسیار بزرگ و شگفت انگیز است و علاوه بر این، آزمایشات در فضای باز نشان می دهد که این واقعی است.

مهم‌تر به احتمال زیاد پاک‌سازی بتن از یخ و برف آسان‌تر است و این نشان می‌دهد که می‌توان آن تپه‌های انباشته شده را به‌جای یخ زدن برای روزها یا هفته‌ها، به کناری شخم زد، این و کاهش مواد شیمیایی خورنده یخ و برف باعث صرفه جویی قابل توجهی در هزینه افراد می شود.

برای همه، هزینه های برف روبی به خوبی می تواند به همان شیوه کاهش یابد، نکته منفی این است که این گذار اگر چند قرن طول نکشد، ده ها سال طول می کشد.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است. سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد. ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست، و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.