Onderzoekers van de Drexel University hebben een ontdekking gedaan die wegen zou kunnen creëren die zichzelf ijsvrij maken tijdens winterstormen. Hun geheim? - Een beetje paraffine toevoegen aan het betonmengsel van de weg.

In een paper onlangs gepubliceerd in tijdschrift Cement en betoncomposieten onderzoekers, onder leiding van Yaghoob Farnam, doctoraat, een assistent-professor in Drexel's College of Engineering, uitleggen hoe stoffen zoals paraffineolie - in de chemie bekend als 'faseovergangsmaterialen' - in beton kunnen worden gebruikt om energie op te slaan en als warmte vrij te geven wanneer een weg moet worden afgesmolten.

Het openhouden van wegen om te reizen is een aanhoudende uitdaging tijdens de wintermaanden, maar inspanningen om ze veilig berijdbaar te maken, inclusief het constant gebruik van sneeuwploegen, ontijzingschemicaliën en strooizout - hebben de neiging het oppervlak aan te tasten. De chemicaliën en strooizout die momenteel worden gebruikt om sneeuw en ijs te smelten, kunnen ook een nadelige invloed hebben op het milieu wanneer oppervlaktewater ze naar nabijgelegen ecosystemen voert - wat vrij waarschijnlijk is gezien de staat Pennsylvania alleen al meer dan 900 dumpt, 000 ton ervan op de wegen elke winter. Daarom zijn onderzoekers al een tijdje op zoek naar een betere winteroptie dan zouten en ploegen.

Farnam's groep in samenwerking met onderzoekers van Purdue University en Oregon State University, is een van de eersten die aantoont dat het gebruik van faseovergangsmaterialen als milieuvriendelijk alternatief net zo effectief kan zijn als de standaardmethoden voor zouten en schrapen.

"Faseveranderingsmaterialen kunnen in beton worden verwerkt met behulp van poreus lichtgewicht toeslagmateriaal of ingebedde buizen en wanneer PCM tijdens afkoelingsgebeurtenissen van vloeibaar naar vast verandert, het kan thermische warmte afgeven die kan worden gebruikt om ijs en sneeuw te smelten, " zei Farnam. "Door de vorming van ijs en sneeuw op de stoep of het brugoppervlak te remmen, het gebruik van PCM kan de noodzaak van ontijzingschemicaliën/zouten verminderen of elimineren, sneeuwploegen of beide, waardoor geld wordt bespaard en de milieu-impact van dergelijke operaties positief wordt beïnvloed."

Petroleum, een veelgebruikt ingrediënt in kaarsen, was poetsmiddelen, cosmetica en waterdichtmakende verbindingen, was hun materiaal bij uitstek voor dit streven omdat het organisch is, ruim beschikbaar, chemisch stabiel en relatief goedkoop. Zoals alle faseovergangsmaterialen, het geeft thermische energie af wanneer het zijn fysieke toestand verandert, wat betekent dat als de temperatuur daalt en de olie begint te stollen, er energie vrijkomt door latente smeltwarmte. Dit betekent dat paraffineolie kan worden aangepast om de-icing-mogelijkheden in een wegdek in te bedden, zodat het thermisch actief wordt tijdens sneeuwgebeurtenissen of wanneer de-icing nodig is.

Om zijn sneeuw- en ijssmeltvermogen te testen, het team creëerde een reeks betonnen platen - een met paraffine gevulde buizen erin, een met poreus lichtgewicht aggregaat dat was doordrenkt met paraffine, en een derde referentiemat zonder paraffine. Elk werd verzegeld in een geïsoleerde container en vervolgens bedekt met ongeveer vijf centimeter in het laboratorium gemaakte "sneeuw".

Met temperaturen in de dozen tussen 35-44 graden Fahrenheit, beide met paraffine behandelde platen waren in staat om de sneeuw binnen de eerste 25 uur van het testen volledig te smelten, terwijl de sneeuw op het referentiemonster bevroren bleef. De plaat met de met paraffine gevulde buizen smolt de sneeuw iets sneller dan de plaat die was samengesteld uit met paraffine behandeld aggregaat. Farnam suggereert dat dit komt omdat de paraffine in de buizen sneller kan stollen - waardoor zijn energie vrijkomt - vanwege de regelmatige diameter van de buizen. Terwijl de diameter van de poriën van het aggregaat in grootte variëren.

Maar in het tweede experiment van de groep, waarin de temperatuur van de omgevingslucht in de doos werd verlaagd tot het vriespunt voordat de sneeuw werd toegevoegd, het met paraffine behandelde aggregaat was effectiever dan de ingebedde buizen. Dit komt omdat de capillaire poriedruk het bevriezen van de paraffine vertraagde, waardoor het zijn warmte-energie over een langere periode kan afgeven.

"De geleidelijke warmteafgifte als gevolg van de verschillende poriegroottes in poreus lichtgewicht aggregaat is gunstiger bij smeltende sneeuw wanneer beton wordt blootgesteld aan verschillende temperatuurveranderingen wanneer sneeuw smelt of ijsvrij is, " zei Farnam. "Wij zijn van mening dat het gebruik van poreus lichtgewicht aggregaat een potentiële manier kan zijn om faseovergangsmaterialen in beton op te nemen, aangezien het gemakkelijk in de praktijk kan worden geïmplementeerd en de omgevingsomstandigheden van verschillende locaties in de VS die met sneeuw te maken hebben, kan dekken, vooral smeltende sneeuw of ijsvrij maken van wegen en bruggen in het noordoosten."

Een van de eerste toepassingen van deze infrastructuurtechnologie zou kunnen zijn op luchthavens, waar het sneeuw- en ijsvrij houden van start- en landingsbanen van vitaal belang is en een voortdurende uitdaging in de winter. De Federal Aviation Administration ondersteunde dit onderzoek als onderdeel van haar Heated Airport Pavements Project in haar Partnership to Enhance General Aviation Safety, Toegankelijkheids- en duurzaamheidsprogramma.

"Aanvullend onderzoek is nodig om meer inzicht te krijgen in andere factoren die van invloed zijn op de concrete maakbaarheid, inclusief beton verse en uitgeharde prestaties wanneer het beton faseovergangsmaterialen bevat, en de thermische prestaties van het faseovergangsmateriaal op verschillende locaties in de VS, " zei Farnam. "Uiteindelijk zou dit kunnen worden gebruikt om de hoeveelheid ontijzingschemicaliën die we gebruiken te verminderen of kan het worden gebruikt als een nieuwe ontijzingsmethode om de veiligheid van wegen en bruggen te verbeteren. Maar voordat het kan worden opgenomen, we zullen beter moeten begrijpen hoe het de duurzaamheid van betonverharding beïnvloedt, stroefheid en stabiliteit op lange termijn."