Откриена е тајната на бетонот што ги топи снегот и мразот

Во кампусот на Универзитетот Drexel, веднаш до паркингот наменет за универзитетски возила, повеќе од три години има две плочи со димензии 76 на 76 сантиметри кои одбиваат снег, лапавица и замрзнат дожд, сето тоа без потреба од чистење, солење или стругање.

Овој бетон, познат како самозагревачки, претставува најнов чекор во напорите да се создаде инфраструктура која е способна да одговори на еколошките промени, особено во северните региони на Соединетите Американски Држави. Националната управа за автопати проценува дека САД трошат 2,3 милијарди долари годишно само за отстранување на снегот и мразот, а милиони за поправка на патишта оштетени од зимските услови.

Д-р Амир Фарнан, вонреден професор на колеџот за инженеринг, чија лабораторија за напредни инфраструктурни материјали го предводи ова истражување, го нагласи значењето на одржување на температурата на површината на бетонот над точката на замрзнување во текот на зимските месеци.  Ова не само што го спречува циклусот на замрзнување и одмрзнување, туку и ја намалува потребата за чистење и солење, со што се продолжува животниот век на бетонските површини.

Научниците веќе пет години ја развиваат оваа бетонска мешавина отпорна на студ за да ги намалат ефектите од замрзнување, одмрзнување и солење што ги еродира патиштата и другите бетонски површини. Досега нивната работа се прикажуваше само во лабораториски услови, а неодамна во труд објавен во Journal of Materials in Civil Engineering ја докажаа ефикасноста во реални услови.

Клучот на загревањето на бетонот лежи во употребата на течен парафин со ниска температура, материјал кој ја менува фазата, што значи дека ослободува топлина при преминувањ од течна состојба, на собна температура, во цврста состојба кога температурите паѓаат. Најновото истражување на тимот разгледувало две методи за вградување на материјал кој ја менува фазата во бетонски плочи и како секој од нив се покажал на студ.

Со цел да се подобри отпорноста на бетонот на студени услови, истражувачите развиле две стратегии. Првата се потпира на импрегнација на порозни и лесни агрегати, како што се чакал и ситни камења што се користат во производството на бетон, со течен парафин. Агрегатот го апсорбира парафинот пред да се интегрира во бетонската мешавина. Алтернативната метода вклучува директно додавање микрокапсули на парафин во бетонот.

По имплементација на овие методи, тимот креирал три бетонски плочи – по една за секој метод и дополнителна како контролна група без додадени материјали. Сите плочи биле изложени на временските услови од декември 2021 година, соочувајќи се со 32 циклуси на замрзнување и одмрзнување, а пет пати биле покриени со снег со дебелина поголема од 2,5 сантиметри.

Со следење на однесувањето на плочите со помош на камери и термички сензори, утврдено е дека плочите со додадениот материјал успешно ја одржувале својата површинска температура помеѓу 5,5 и 12,8 степени Целзиусови до 10 часа во услови кога температурите паѓале под нулата.

Ваква температура овозможува топење на снегот со брзина од околу 6 mm на час, што придонесува за одмрзнување на површините и зголемена безбедност на патиштата во зимски услови.

Робин Деб, докторант кој учествувал во истражувањето, истакнува како стабилизирањето на температурата над нулата помага да се спречи внатрешно пропаѓање на материјалот. Циклусите на замрзнување и одмрзнување може да предизвикаат ширење и собирање на материјалот, што доведува до напрегање и потенцијално пукање.

Со подетална анализа, се покажало дека бетонот со третиран лесен агрегат ја задржува топлината подолго, додека бетонот со микрокапсули побрзо ја достигнува саканата температура, но не ја задржува долго време. Причината за ова лежи во начинот на кој материјалот е распределен во бетонот. Исто така, порозноста на агрегатот му овозможува на парафинот да остане течен под неговата нормална точка на замрзнување, овозможувајќи постепено ослободување на топлина, за разлика од микрокапсулите кои брзо ослободуваат топлина.

Резултатите покажуваат дека бетонот со третиран агрегат е попогоден за апликации за одмрзнување на ниски температури поради неговата способност постепено да ослободува топлина. Иако и двата пристапи успешно ја зголемуваат температурата на бетонот доволно за да се стопи снегот, нивната ефикасност варира во зависност од надворешната температура и интензитетот на снегот.

Дополнително, истражувачите забележале дека ако на материјалот не му се даде доволно време да се „наполни“ помеѓу циклусите, неговата ефикасност може да се намали. Ова откритие е клучен чекор во разбирањето на однесувањето на бетонот со додаден материјал во реални услови, што го отвора патот за понатамошно подобрување и оптимизација на системот за подобри перформанси во иднина.

Истражувачите ќе продолжат да собираат податоци за долгорочната ефективност на материјалот и ќе разгледаат како нивното откритие би можело да го продолжи животниот век на бетонот. Покрај Фарнам и Деб, во истражувањето учествувале и студенти на додипломски и докторски студии од Колеџот за инженерство, укажувајќи на важноста на мултидисциплинарниот пристап во решавањето на сложените инженерски проблеми.