Al incorporar un material de cambio de fase al concreto, los investigadores han creado un material autocalentable que puede derretir nieve y hielo durante hasta 10 horas sin usar sal ni palas. El novedoso material podría reducir la necesidad de arar y salar y ayudar a preservar la integridad de las superficies de las carreteras.
De acuerdo con la Departamento de Transporte de EE. UU. (DOT), más del 70% de las carreteras se encuentran en regiones nevadas. La acumulación de nieve y hielo reduce la fricción en la carretera y la maniobrabilidad del vehículo, lo que hace que los conductores reduzcan la velocidad y aumenta el riesgo de accidentes. Los carriles y carreteras obstruidos por la nieve también reducen la capacidad de las vías y aumentan el tiempo de viaje.
El DOT afirma que las agencias locales y estatales gastan más de 2.300 millones de dólares al año en operaciones de control de nieve y hielo, además de los millones gastados en reparar los daños a la infraestructura causados por la nieve y el hielo. La salazón se utiliza a menudo antes de una nevada para evitar la formación de hielo, pero la solución de sal altamente concentrada puede deteriorar el hormigón o el asfalto. Además, cuando el agua se filtra en la carretera y se congela, se expande, provocando presión interna y dañando la carretera.
En un nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Drexel en Pensilvania, EE. UU., un conocido «estado frío», presentan su concreto autocalentable: una solución potencial para las carreteras nevadas y el costo asociado con su limpieza y mantenimiento.
“Una forma de prolongar la vida útil de las superficies de hormigón. [sic], al igual que las carreteras, es ayudarles a mantener una temperatura de la superficie por encima del punto de congelación durante el invierno”, dijo Amir Farnam, investigador principal del laboratorio de Materiales de Infraestructura Avanzada (AIM) de Drexel y uno de los autores correspondientes del estudio. “Prevenir la congelación y descongelación y reducir la necesidad de arar y salar son buenas formas de evitar que la superficie se deteriore. Por lo tanto, nuestro trabajo busca cómo podemos incorporar materiales especiales en el concreto que lo ayuden a mantener una temperatura superficial más alta cuando la temperatura ambiente a su alrededor baja”.
El «material especial» de los investigadores es la parafina, un material llamado de cambio de fase porque libera calor cuando pasa de un estado líquido a temperatura ambiente a un estado sólido cuando la temperatura baja. en un estudio previoprobaron el hormigón de cambio de fase en un laboratorio térmicamente controlado, pero en el estudio actual, lo probaron en tiempo real, en condiciones del mundo real.
Se utilizaron dos métodos para incorporar parafina en losas de hormigón. En el primero, el agregado liviano poroso (las pequeñas piedras y guijarros agregados para darle resistencia al concreto) se sumergió en parafina líquida y lo absorbió antes de mezclarlo con el concreto. En el segundo, se mezclaron microcápsulas de parafina directamente con el hormigón.
Los investigadores vertieron tres losas: dos con diferentes métodos de incorporación de parafina y una tercera que no contenía material de cambio de fase. Los tres han estado afuera, junto a un estacionamiento en el campus de la Universidad de Drexel, desde diciembre de 2021. En los primeros dos años, estuvieron expuestos a 32 eventos de congelación y descongelación en los que la temperatura cayó por debajo del punto de congelación, independientemente de la precipitación (es decir, , lluvia, llovizna, nieve, aguanieve o granizo) y expuestos a cinco nevadas o una pulgada o más.
Las capacidades de derretimiento de nieve y hielo de las losas de 30 por 30 pulgadas (76 por 76 cm) se monitorearon mediante cámaras y sensores térmicos. Los investigadores descubrieron que el hormigón de cambio de fase mantenía una temperatura superficial de 42 °F a 55 °F (5,6 C° a 12,8 °C) durante hasta 10 horas cuando la temperatura del aire caía por debajo del punto de congelación. El calor producido fue suficiente para derretir un par de pulgadas de nieve a un ritmo de aproximadamente un cuarto de pulgada por hora.
«Hemos demostrado que nuestro hormigón autocalentable es capaz de derretir la nieve por sí solo, utilizando sólo la energía térmica diurna ambiental y haciéndolo sin la ayuda de sal, palas o sistemas de calefacción», dijo Farnam. «Este hormigón autocalentable es adecuado para las regiones montañosas y del norte de EE. UU., como el noreste de Pensilvania y Filadelfia, donde hay ciclos de calefacción y refrigeración adecuados en invierno».
La losa de agregado liviano fue mejor para sostener su calentamiento, manteniendo una temperatura por encima del punto de congelación durante hasta 10 horas, mientras que la parafina en microcápsulas se calentó más rápidamente pero solo mantuvo el calor durante la mitad del tiempo. Los investigadores notaron que la porosidad del agregado probablemente contribuye a que la parafina permanezca líquida por debajo de su temperatura de congelación habitual de 42 °F, lo que significa que la losa no liberó inmediatamente su energía térmica cuando la temperatura comenzó a bajar, sino que la mantuvo hasta que el material alcanzó 39 °F/3,9 °C. Esto contrasta con la losa de parafina microencapsulada, que comenzó a liberar su energía térmica cuando su temperatura alcanzó los 42 °F.
«Nuestros hallazgos sugieren que el hormigón agregado liviano tratado con material de cambio de fase era más adecuado para aplicaciones de deshielo a temperaturas bajo cero debido a su liberación gradual de calor dentro de un rango más amplio de temperatura», dijo Farnam.
Los investigadores dicen que la capacidad de evitar que una superficie de concreto caiga por debajo del punto de congelación ayudará a prevenir su deterioro.
«Los ciclos de congelación y descongelación, los períodos de enfriamiento extremo (bajo cero) y calentamiento pueden hacer que una superficie se expanda y contraiga en tamaño, lo que pone a prueba su integridad estructural y puede causar grietas y desconchones dañinos con el tiempo», dijo Robin Deb. , autor principal y coautor correspondiente del estudio. “Y si bien esto por sí solo puede no degradar la estructura hasta el punto de fallar, crea una vulnerabilidad que conducirá al problemático deterioro interior que debemos evitar. Uno de los hallazgos prometedores es que las losas con materiales de cambio de fase pudieron estabilizar su temperatura por encima del punto de congelación cuando se enfrentaron a temperaturas ambiente en descenso”.
Los investigadores notaron que las losas eran menos efectivas para acumulaciones intensas de nieve de más de dos pulgadas. Y que si el material de cambio de fase no tuvo la oportunidad de «recargarse» calentándose lo suficiente como para volver a su estado líquido entre eventos de congelación y descongelación o nieve, el rendimiento puede verse disminuido.
Planean continuar recopilando datos para evaluar la efectividad a largo plazo de las losas y estudiar cómo la incorporación de materiales de cambio de fase puede extender la vida útil del concreto.
«Con estos hallazgos, podremos continuar mejorando el sistema para algún día optimizarlo para un calentamiento más prolongado y una mayor fusión», dijo Deb. «Pero es alentador ver evidencia de una reducción significativa de los ciclos de congelación y descongelación, lo que demuestra que el PCM [phase-change material] El hormigón es más duradero durante el proceso de congelación y descongelación en comparación con el hormigón tradicional”.
Del estudio no queda claro si la parafina utilizada era sintética. Un problema con el uso de parafina no sintética es que la cera de parafina es un subproducto del petróleo (petróleo crudo), un recurso no renovable que requiere maquinaria intensiva para extraer y refinar. Como recurso no renovable, la cera de parafina no es sostenible, biodegradable ni respetuosa con el medio ambiente.
El estudio fue publicado en el Revista de Materiales en Ingeniería Civil.
Fuente: Universidad de Drexel