Hay una zona de hormigón en el campus de la Universidad de Drexel que podría presagiar un futuro sin heladas para las aceras y carreteras del noreste.

Ubicadas discretamente junto a un estacionamiento para los vehículos de las instalaciones de la universidad, dos losas de 30 por 30 pulgadas han estado protegiendo de la nieve, el aguanieve y la lluvia helada por sí solas, sin palear, salar ni raspar, duranteun poco más de tres años.Investigadores de la Facultad de Ingeniería de Drexel informaron recientemente sobre la ciencia detrás del concreto especial que puede calentarse cuando nieva o cuando las temperaturas se acercan al punto de congelación.

El hormigón autocalentable, como el de Drexel, es el último de un esfuerzo continuo para crear una infraestructura más respetuosa con el medio ambiente y resiliente, particularmente en las regiones del norte de los Estados Unidos, donde la Administración Nacional de Carreteras estimaLos estados gastan $2.3 mil millones en operaciones de remoción de nieve y hielo cada año.y millones para reparar carreteras dañadas por el clima invernal.

"Una forma de extender la vida útil de las superficies de concreto, como las carreteras, es ayudarlas a mantener una temperatura de la superficie por encima del punto de congelación durante el invierno", dijo Amir Farnam, Ph.D., profesor asociado de la Facultad de Ingeniería cuyo proyecto de Infraestructura AvanzadaMaterials Lab ha estado liderando la investigación.

"Prevenir la congelación y descongelación y reducir la necesidad de arar y salar son buenas formas de evitar que la superficie se deteriore. Por eso, nuestro trabajo busca cómo podemos incorporar materiales especiales en el hormigón que le ayuden a mantener una temperatura superficial más alta.cuando la temperatura ambiente a su alrededor baja."

El equipo de Drexel ha estado desarrollando su mezcla de concreto resistente al clima frío durante los últimos cinco años con el objetivo de reducir elLa congelación, la descongelación y la salazón corroen las carreteras.y otras superficies de hormigón.Hasta ahora, el éxito de su hormigón autocurativo, del que ya habían informado anteriormentepuede derretir la nieve y prevenir o retardar la formación de hielo durante un período prolongadoâsolo ha estado en un entorno de laboratorio controlado.

En un artículo publicado recientemente en la Sociedad Estadounidense de Ingeniería CivilRevista de Materiales en Ingeniería Civil,el grupo dio el importante paso de demostrar su viabilidad en el medio natural.

"Hemos demostrado que nuestro hormigón autocalentable es capaz de derretir la nieve por sí solo, utilizando únicamente la energía diurna ambiental.energía termalây hacerlo sin ayuda de sal, pala osistemas de calefacción", Dijo Farnam. "Este concreto autocalentable es adecuado para las regiones montañosas y del norte de los EE. UU., como el noreste de Pensilvania y Filadelfia, donde hay ciclos de calefacción y refrigeración adecuados en invierno".

Una cálida bienvenida

El secreto para calentar el hormigón es la parafina líquida a baja temperatura, que es un material de cambio de fase, lo que significa que libera calor cuando pasa de su estado a temperatura ambiente (como líquido) a sólido cuando las temperaturas bajan.en undocumento anterior, el grupo informó que la incorporación de parafina líquida al hormigón provoca un calentamiento cuando bajan las temperaturas.Su última investigación analiza dos métodos para incorporar el material de cambio de fase en losas de hormigón y cómo funciona cada uno de ellos en el frío.

Un método consiste en tratar el agregado liviano poroso (los guijarros y pequeños fragmentos de piedra que son ingredientes del concreto) con parafina.El agregado absorbe la parafina líquida antes de mezclarse con el concreto.La otra estrategia es mezclar microcápsulas de parafina directamente en el hormigón.

Una prueba en los elementos

Los investigadores vertieron una losa utilizando cada método y una tercera sin ningún material de cambio de fase como control.Los tres han estado expuestos a los elementos desde diciembre de 2021. En los primeros dos años, enfrentaron un total de 32 eventos de congelación y deshielo, casos en los que la temperatura cayó por debajo del punto de congelación, independientemente de la precipitación, y cinco nevadas de una pulgada o más..

Utilizando cámaras y sensores térmicos, los investigadores controlaron la temperatura y el comportamiento de las losas al derretirse la nieve y el hielo.Informaron que las losas de cambio de fase mantuvieron una temperatura superficial entre 42 y 55 grados Fahrenheit durante hasta 10 horas cuando la temperatura del aire descendió por debajo del punto de congelación.

Este calentamiento es suficiente para derretir un par de pulgadas de nieve a un ritmo de aproximadamente un cuarto de pulgada de nieve por hora.Si bien es posible que esto no sea lo suficientemente cálido como para derretir una fuerte nevada antes de que se necesiten quitanieves, puede ayudar a descongelar la superficie de la carretera y aumentar la seguridad del transporte, incluso en caso de fuertes nevadas.

Mantenerse lo suficientemente caliente

Según los investigadores, simplemente evitar que la superficie caiga por debajo del punto de congelación también contribuye en gran medida a prevenir el deterioro.

"Los ciclos de congelación y descongelación, 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", dijoRobin Deb, estudiante de doctorado de la Facultad de Ingeniería, quien ayudó a dirigir la investigación.

"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 pudieronestabilizar su temperatura por encima del punto de congelación cuando se enfrentan a temperaturas ambiente en descenso".

Lento y constante

En general, la losa de agregado liviano tratada tuvo un mejor desempeño para mantener su calentamiento (manteniendo la temperatura por encima del punto de congelación por hasta 10 horas), mientras que la losa con material de cambio de fase microencapsulado pudo calentarse más rápidamente, pero solo mantuvo el calentamiento durantela mitad de tiempo.t

Los investigadores sugieren que esto se debe al desembolso relativo del material de cambio de fase dentro de los poros del agregado, en comparación con la concentración de material de cambio de fase dentro de las microcápsulas.un fenómenoque ha sido ampliamente estudiado.

También observaron que la porosidad del agregado probablemente contribuye a que la parafina permanezca líquida por debajo de su temperatura de congelación habitual de 42 grados Fahrenheit.Esto resultó beneficioso para el rendimiento de la losa porque el material no liberó inmediatamente su energía térmica cuando la temperatura comenzó a bajar, manteniendo su liberación hasta que el material alcanzó los 39 grados Fahrenheit.

Por el contrario, la parafina microencapsulada comenzó a liberar su energía de calentamiento tan pronto como su temperatura alcanzó los 42 grados, lo que contribuyó a su período de activación relativamente más corto.

"Nuestros hallazgos sugieren que el concreto 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.

Espacio para mejorar

Si bien ambas aplicaciones lograron elevar la temperatura del concreto a entre 53 y 55 grados Fahrenheit, que es más que suficiente para derretir la nieve.Su rendimiento se vio afectado por la temperatura del aire ambiente antes de la nevada y la tasa de nevadas.

"Descubrimos que los pavimentos incorporados con PCM no pueden derretir completamente la acumulación de nieve intensa, de más de 2 pulgadas", dijo Deb.

"Sin embargo, puede derretir nevadas de menos de dos pulgadas con bastante eficacia. Las losas incorporadas en PCM comienzan a derretir la nieve tan pronto como empiezan a acumularse. Y la liberación gradual de calor puede descongelar eficazmente la superficie del pavimento, lo que eliminaría la necesidad de pre-sal antes de las fuertes nevadas."

También señalaron que si el material de cambio de fase no tiene algo de tiempo para "recargarse" calentándose lo suficiente como para volver a su estado líquido entre congelación y descongelación onieveeventos, entonces su rendimiento puede verse disminuido.

"La realización de esta investigación fue un paso importante para que entendiéramos cómo se comporta en la naturaleza el hormigón que incorpora material de cambio de fase", dijo Deb."Con estos hallazgos, podremos continuar mejorando el sistema para algún día optimizarlo para un calentamiento más prolongado y una mayor fusión. Pero es alentador ver evidencia de una reducción significativa deciclos de congelación-descongelación, lo que demuestra que el hormigón PCM es más duradero durante el proceso de congelación y descongelación en comparación con el hormigón tradicional".

El equipo planea continuar recopilando datos sobre las losas para comprender la efectividad a largo plazo de los materiales de cambio de fase y estudiar cómo este método puede extender la vida útil del concreto.

Más información:Robin Deb et al, Desarrollo de hormigón autocalentable utilizando materiales de cambio de fase a baja temperatura: evaluación multiescala y en tiempo real in situ del rendimiento del derretimiento de la nieve y el congelamiento-descongelamiento,Revista de Materiales en Ingeniería Civil(2024).DOI: 10.1061/JMCEE7.MTENG-17048