Фазоизменяющиеся материалы (ФИМ) находят все более широкое применение в различных областях техники. Их особенность заключается в способности поглощать и выделять энергию в виде тепла, изменяя свое физическое состояние при определенных температурах. В новом исследовании особый ФИМ — парафин — был внедрен в бетон, чтобы растопить скапливающийся там снег. Техническое достижение, которое может оказаться очень полезным зимой.
Управление зимними дорогами и их обслуживание в заснеженных регионах обходится государственным органам очень дорого. Эти работы включают в себя обработку солью, которая заключается в рассыпании соли на заснеженных или обледенелых дорогах, что является эффективным, но создает нагрузку на целостность дорожного покрытия.
Чтобы предложить лучшую альтернативу на основе бетона, исследователи из Дрексельского университета в Пенсильвании разработали самонагревающийся бетон, способный поддерживать температуру поверхности выше нуля. Идея новинки заключается в том, чтобы растопить снег и лед, которые накапливаются на нем, и предотвратить процесс замерзания на поверхности и внутри грунта. Такое решение может не только повысить безопасность жителей в зимний период, но и значительно сократить государственные расходы. Кроме того, оно может продлить срок службы бетонной инфраструктуры.
Технология уже была протестирована в контролируемых лабораторных условиях для оценки ее эффективности. После успешных испытаний ученые провели более глубокое исследование в реальных условиях. Результаты были опубликованы в журнале .
Парафин для растапливания льда?
Фазообменный материал, лежащий в основе этой технологии, — парафин. При понижении температуры окружающей среды парафин начинает застывать, выделяя тепло. Этот процесс позволяет бетону поддерживать температуру выше нуля.
Чтобы интегрировать материал в бетон, исследователи использовали два разных метода. Первый предполагает погружение заполнителей породы в жидкий парафин перед смешиванием их с бетоном. При втором подходе исследователи напрямую добавляли в смесь небольшие капсулы, содержащие парафин.
Следует отметить, что исследователи не раскрыли происхождение ФИМ, использованного в эксперименте. Если однажды они соберутся внедрить свою технологию (то есть начать крупномасштабное производство), придется учитывать происхождение материала. Существует разновидность парафина, который получают из сырой нефти. Однако стоит изучить возможность использования синтетических парафинов, которые являются экологически чистыми, возобновляемыми и биоразлагаемыми.
Испытания в реальных условиях
Чтобы проверить технологию, ученые с 2021 года подвергают плиты воздействию реальных внешних условий. Они пережили 32 цикла замораживания-оттаивания и пять снегопадов высотой не менее 2,5 см. В течение этих двух лет плиты из фазосдвигающего бетона поддерживали температуру своей поверхности в диапазоне от 5,6 до 12,8 °C в течение 10 часов на морозе. Плиты даже растопили несколько сантиметров снега со скоростью около 6,35 мм в час. Бетон с компонентами, погруженными в жидкий парафин, оказался более эффективным.
Однако были отмечены и ограничения. Фазообменный бетон с трудом растапливал слой снега толщиной более пяти сантиметров. Более того, чтобы быть эффективным, парафин должен «перезаряжаться» между периодами замораживания и оттаивания. Для этого он должен поглощать достаточное количество тепла, чтобы при понижении температуры он мог отдавать тепло.