Voks på, smelte af

Drexel University-forskere har gjort en opdagelse, der kan skabe veje, der afviser sig selv under vinterstorme. Deres hemmelighed? - At tilføje lidt paraffin til vejens betonblanding.

I et papir, der for nylig er offentliggjort i tidsskriftet Cement- og betonkompositter forskere, ledet af Yaghoob Farnam, PhD, en assisterende professor i Drexel's College of Engineering, forklare, hvordan stoffer som paraffinolie - kendt som "faseændringsmaterialer" i kemi - kan bruges i beton til at lagre energi og frigive den som varme, når en vej trænger til en afsmeltning.

At holde vejene åbne for at rejse er en vedvarende udfordring i vintermånederne, men bestræbelser på at gøre dem sikkert fremkommelige - inklusive konstant brug af sneplove, afisningskemikalier og vejsalt - har tendens til at forringe overfladen. De kemikalier og vejsalte, der i øjeblikket bruges til at smelte sne og is, kan også have en skadelig miljøpåvirkning, når overfladeafstrømning fører dem ind i nærliggende økosystemer - hvilket er ret sandsynligt i betragtning af, at staten Pennsylvania alene dumper mere end 900, 000 tons af det på veje hver vinter. Så forskere har i nogen tid ledt efter en bedre vintermulighed end saltning og pløjning.

Farnams gruppe i samarbejde med forskere fra Purdue University og Oregon State University, er blandt de første til at demonstrere, at brug af faseskiftematerialer som et miljøvenligt alternativ kan være lige så effektivt som standard salte- og skrabemetoder.

"Faseændringsmaterialer kan inkorporeres i beton ved hjælp af porøst letvægtstilslag eller indstøbte rør, og når PCM forvandles fra flydende til fast stof under afkølingsbegivenheder, det kan frigive termisk varme, der kan bruges til at smelte is og sne, " sagde Farnam. "Ved at hæmme dannelsen af ​​is og sne på fortovet eller broens overflade, brugen af ​​PCM kan reducere eller eliminere behovet for afisningskemikalier/salte, sneplogning eller begge dele - og dermed spare penge og positivt påvirke miljøpåvirkningen af ​​sådanne operationer."

Paraffinolie, en almindelig ingrediens i stearinlys, voks polermidler, kosmetik og vandtætningsmidler, var deres foretrukne materiale til denne bestræbelse, fordi det er økologisk, til at få fat på overalt, kemisk stabil og relativt billig. Som alle faseændringsmaterialer, det frigiver termisk energi, når det ændrer sin fysiske tilstand, hvilket betyder, at når temperaturen falder, og olien begynder at størkne, frigiver den energi gennem latent fusionsvarme. Det betyder, at paraffinolie kan skræddersyes til at indlejre afisningsevner i en vejoverflade, så den bliver termisk aktiv under snehændelser, eller når der er behov for afisning.

For at teste dens evne til at smelte sne og is, holdet skabte et sæt betonplader - en med paraffinfyldte rør indeni, en indeholdende porøst letvægtstilslag, der var blevet infunderet med paraffin, og en tredje referenceplade uden paraffin. Hver blev forseglet i en isoleret beholder og derefter dækket med omkring fem tommer laboratoriefremstillet "sne".

Med temperaturer inde i kasserne holdt mellem 35-44 grader Fahrenheit, begge de paraffinbehandlede plader var i stand til at smelte sneen fuldstændigt inden for de første 25 timer efter testen, mens sneen på referenceprøven forblev frossen. Pladen med de paraffinfyldte rør smeltede sneen lidt hurtigere end den, der var sammensat af paraffinbehandlet tilslag. Farnam antyder, at det skyldes, at paraffinen inde i rørene er i stand til at størkne hurtigere - og dermed frigive sin energi - på grund af rørenes regelmæssige diameter. Mens diameteren af ​​porerne i tilslaget varierer i størrelse.

Men i gruppens andet eksperiment, hvor den omgivende lufttemperatur i kassen blev sænket til frysepunktet, før sneen blev tilføjet, det paraffinbehandlede tilslag var mere effektivt end de indstøbte rør. Dette skyldes, at det kapillære poretryk forsinkede frysningen af ​​paraffinen, således at den kan frigive sin varmeenergi over længere tid.

"Den gradvise varmeafgivelse på grund af de forskellige porestørrelser i porøst letvægtstilslag er mere gavnligt ved snesmeltning, når beton udsættes for forskellige temperaturændringer, når snesmeltning eller afisning er nødvendig, "Farnam sagde. "Vi mener, at brug af porøst letvægtstilslag kan være en potentiel måde at inkorporere faseændringsmaterialer i beton, da det er nemt at implementere i praksis og kan dække miljøforhold på forskellige steder i USA, der håndterer sne, især snesmeltning eller afisning på veje og broer i det nordøstlige."

En af de første anvendelser af denne infrastrukturteknologi kunne være i lufthavne, hvor det er afgørende og en evig udfordring om vinteren at holde landingsbanerne fri for sne og is. Federal Aviation Administration støttede denne forskning som en del af deres Heated Airport Pavements Project i sit partnerskab for at forbedre almen luftfartssikkerhed, Program for tilgængelighed og bæredygtighed.

"Yderligere forskning er nødvendig for yderligere at forstå andre faktorer, der påvirker betonens konstruktionsevne, herunder beton frisk og hærdet ydeevne, når betonen indeholder faseændringsmaterialer, og faseændringsmaterialets termiske ydeevne forskellige steder i USA, "Farnam sagde. "Til sidst kunne dette bruges til at reducere mængden af ​​afisningskemikalier, vi bruger, eller kan bruges som en ny afisningsmetode til at forbedre sikkerheden på veje og broer. Men før det kan indarbejdes, vi bliver nødt til bedre at forstå, hvordan det påvirker holdbarheden af ​​betonbelægninger, skridsikkerhed og langsigtet stabilitet."