Istraživači sa Koledža za inženjering Drexel Univerziteta nedavno su obelodanili naučnu pozadinu svog posebnog betona, koji ima sposobnost da se sam zagreje u slučaju snega ili kada temperature padnu blizu tačke zamrzavanja. Uvođenjem materijala koji menja fazu u mešavinu betona, uspeli su da kreiraju ploče koje se same zagrevaju i tope sneg i led.
Kontrolna ploča i dve ploče obogaćenje tečnim parafinom (Foto: Drexel University)
Na samom kampusu Drexel Univerziteta, pored parkinga namenjenog za vozila univerziteta, već više od tri godine nalaze se dve ploče dimenzija 76x76cm koje odbijaju sneg, susnežicu i ledenu kišu, sve to bez potrebe za čišćenjem, soljenjem ili struganjem.
Ovaj beton, poznat kao samozagrevajući, predstavlja najnoviji korak u nastojanju da se stvori infrastruktura koja je sposobna da odgovori na ekološke promene, naročito u severnim regijama Sjedinjenih Američkih Država. Nacionalna uprava za auto-puteve procenjuje da SAD godišnje izdvajaju 2,3 milijarde dolara samo za uklanjanje snega i leda, te milione za popravke puteva oštećenih zimskim uslovima.
Oglas
Dr Amir Farnam, vanredni profesor na Koledžu za inženjering čija laboratorija za napredne infrastrukturne materijale predvodi ovo istraživanje, naglasio je značaj održavanja temperature površine betona iznad tačke smrzavanja tokom zimskih meseci. Ovo ne samo da sprečava ciklus zamrzavanja i odmrzavanja već i smanjuje potrebu za čišćenjem i soljenjem, čime se produžava vek trajanja betonskih površina.
Naučnici razvijaju ovu mešavinu betona otpornu na hladnoću već pet godina kako bi smanjili posledice zamrzavanja, odmrzavanja i soljenja koje nagriza puteve i druge betonske površine. Njihov rad do sada je prikazivan samo u laboratorijskim uslovima, a nedavno su u radu objavljenom u časopisu Journal of Materials in Civil Engineering dokazali efikasnost u realnim uslovima.
Ključ zagrevanja betona leži u korišćenju tečnog parafina niske temperature, materijala koji menja fazu, što znači da oslobađa toplotu prilikom prelaska iz tečnog stanja, na sobnoj temperaturi, u čvrsto, kada temperature padnu. Najnovije istraživanje ovog tima bavilo se dvema metodama ugradnje materijala koji menja fazu u betonske ploče i kako se svaka od njih pokazala na hladnoći.
Kako bi se unapredila otpornost betona na hladne uslove, istraživači su razvili dve strategije. Prva se oslanja na impregnaciju poroznog i laganog agregata, poput šljunka i sitnih kamenčića koji se koriste u proizvodnji betona, tečnim parafinom. Agregat upija parafin pre nego što se integriše u betonsku smešu. Alternativna metoda uključuje direktno dodavanje mikrokapsula parafina u beton.
Nakon implementacije ovih metoda, tim je kreirao tri betonske ploče - po jednu za svaku metodu i dodatnu kao kontrolnu grupu bez dodatih materijala. Sve ploče su bile izložene vremenskim uslovima od decembra 2021, suočavajući se sa 32 ciklusa zamrzavanja i odmrzavanja, a pet puta su bile prekrivene snegom debljine veće od 2,5cm.
Praćenjem ponašanja ploča putem kamera i termalnih senzora, utvrđeno je da su ploče s dodatim materijalom uspešno održavale svoju površinsku temperaturu između 5,5 i 12,8 stepeni Celzijusa do 10 sati u uslovima kada su temperature padale ispod nule. Ovakva temperatura omogućava topljenje snega brzinom od oko 6mm na sat, čime se doprinosi odleđivanju površina i povećanju sigurnosti na putevima u zimskim uslovima.
Robin Deb, doktorant koji je učestvovao u istraživanju, istakao je kako stabilizacija temperature iznad nule pomaže u sprečavanju unutrašnjeg propadanja materijala. Ciklusi zamrzavanja i odmrzavanja mogu izazvati širenje i skupljanje materijala, što dovodi do naprezanja i potencijalnog pucanja.
Detaljnije analizirajući, pokazalo se da beton sa tretiranim laganim agregatom duže zadržava toplotu, dok beton sa mikrokapsulama brže dostiže željenu temperaturu ali je ne zadržava duže vreme. Razlog za ovo leži u načinu raspodele materijala unutar betona. Takođe, poroznost agregata omogućava da parafin ostane tečan ispod svoje uobičajene tačke zamrzavanja, omogućavajući postepeno oslobađanje toplote, za razliku od mikrokapsula koje brzo otpuštaju toplotu.
Rezultati pokazuju da je beton sa tretiranim agregatom pogodniji za aplikacije odleđivanja na niskim temperaturama zbog svoje sposobnosti da postepeno otpušta toplotu. Iako oba pristupa uspešno povećavaju temperaturu betona dovoljno za topljenje snega, njihova efikasnost varira u zavisnosti od spoljašnje temperature i intenziteta snega.
Dodatno, istraživači su uočili da ako materijal ne dobije dovoljno vremena da se "napuni" između ciklusa, njegova efikasnost može biti smanjena. Ovo otkriće je ključni korak u razumevanju ponašanja betona sa dodatim materijalom u realnim uslovima, što otvara put za dalje unapređenje i optimizaciju sistema za bolje performanse u budućnosti.
Istraživači će nastaviti da prikupljaju podatke o dugoročnoj efikasnosti materijala i razmotriće kako bi njihovo otkriće moglo da produži život betona. U istraživanju su pored Farnama i Deba učestvovali i studenti osnovnih i doktorskih studija sa Koledža za inženjering, ukazujući na značaj multidisciplinarnog pristupa u rešavanju složenih inženjerskih problema.
