Forskare från Drexel University har gjort en upptäckt som kan skapa vägar som sönderfaller under vinterstormar. Deras hemlighet? – Att lägga till lite paraffinvax till vägens betongblandning.

I en artikel som nyligen publicerats i tidskriften Cement och betongkompositer forskare, ledd av Yaghoob Farnam, PhD, en biträdande professor vid Drexels College of Engineering, förklara hur ämnen som paraffinolja – kända som "fasförändringsmaterial" i kemi – kan användas i betong för att lagra energi och frigöra den som värme när en väg behöver smältas av.

Att hålla vägarna öppna för resor är en ihållande utmaning under vintermånaderna, men ansträngningar för att göra dem säkert framkomliga – inklusive ständig användning av snöplogar, avisningskemikalier och vägsalt – tenderar att försämra ytan. De kemikalier och vägsalter som för närvarande används för att smälta snö och is kan också ha en skadlig miljöpåverkan när ytavrinning för dem in i närliggande ekosystem – vilket är ganska troligt med tanke på att staten Pennsylvania enbart dumpar mer än 900, 000 ton av det på vägar varje vinter. Så forskare har letat efter ett bättre vinteralternativ än att salta och plöja under en tid.

Farnams grupp i samarbete med forskare från Purdue University och Oregon State University, är bland de första att visa att användning av fasförändringsmaterial som ett miljövänligt alternativ kan vara lika effektivt som standardmetoderna för saltning och skrapning.

"Fasförändringsmaterial kan införlivas i betong med hjälp av porösa lätta ballastmaterial eller inbäddade rör och när PCM förvandlas från flytande till fast under kylningshändelser, den kan avge termisk värme som kan användas för att smälta is och snö, ", sa Farnam. "Genom att förhindra bildandet av is och snö på trottoaren eller broytan, användningen av PCM kan minska eller eliminera behovet av avisningskemikalier/salter, snöplogning eller bådadera – på så sätt spara pengar och positivt påverka miljöpåverkan av sådan verksamhet."

Fotogen, en vanlig ingrediens i ljus, vaxpolish, kosmetika och vattentäta föreningar, var deras val av material för denna strävan eftersom det är organiskt, allmänt tillgänglig, kemiskt stabil och relativt billig. Som alla fasförändringsmaterial, den frigör termisk energi när den ändrar sitt fysiska tillstånd, vilket innebär att när temperaturen sjunker och oljan börjar stelna frigör den energi genom latent fusionsvärme. Detta innebär att paraffinolja kan skräddarsys för att inbädda avisningskapacitet i en vägyta så att den blir termiskt aktiv under snöhändelser eller när avisning behövs.

För att testa dess förmåga att smälta snö och is, teamet skapade en uppsättning betongplattor – en med paraffinfyllda rör inuti, en som innehåller poröst lätt ballast som hade infunderats med paraffin, och en tredje referensplatta utan paraffin. Var och en förseglades i en isolerad behållare och täcktes sedan med cirka fem tum av labbtillverkad "snö".

Med temperaturer inuti lådorna hölls mellan 35-44 grader Fahrenheit, båda de paraffinbehandlade plattorna kunde smälta snön fullständigt inom de första 25 timmarna av testningen, medan snön på referensprovet förblev frusen. Plattan med de paraffinfyllda rören smälte snön något snabbare än den som bestod av paraffinbehandlat ballast. Farnam antyder att detta beror på att paraffinet inuti rören kan stelna snabbare - och därmed frigöra sin energi - på grund av rörens regelbundna diameter. Medan diametern på aggregatets porer varierar i storlek.

Men i gruppens andra experiment, där den omgivande lufttemperaturen i lådan sänktes till fryspunkten innan snön lades till, det paraffinbehandlade ballasten var effektivare än de inbäddade rören. Detta beror på att det kapillära portrycket fördröjde frysningen av paraffinet, vilket gör att den frigör sin värmeenergi under en längre tidsperiod.

"Den gradvisa värmeavgivningen på grund av de olika porstorlekarna i porösa lätta ballast är mer fördelaktigt vid smältning av snö när betong utsätts för olika temperaturförändringar när snösmältning eller avisning behövs, ", sa Farnam. "Vi tror att användning av porös lättviktsballast kan vara ett potentiellt sätt att införliva fasförändringsmaterial i betong eftersom det är lätt att implementera i praktiken och kan täcka miljöförhållanden på olika platser i USA som hanterar snö, speciellt snösmältning eller avisning på vägar och broar i nordost."

En av de första användningarna av denna infrastrukturteknik kan vara på flygplatser, där det är viktigt att hålla banorna fria från snö och is och en evig utmaning på vintern. Federal Aviation Administration stödde denna forskning som en del av sitt Heated Airport Pavements Project i sitt partnerskap för att förbättra allmän luftfartssäkerhet, Program för tillgänglighet och hållbarhet.

"Ytterligare forskning behövs för att ytterligare förstå andra faktorer som påverkar betongens konstruktionsbarhet, inklusive färsk och härdad betong när betongen innehåller fasförändringsmaterial, och fasförändringsmaterialets termiska prestanda på olika platser i USA, "Farnam sa. "Så småningom kan detta användas för att minska mängden avisningskemikalier vi använder eller kan användas som en ny avisningsmetod för att förbättra säkerheten på vägar och broar. Men innan det kan införlivas, vi kommer att behöva bättre förstå hur det påverkar hållbarheten hos betongbeläggningar, halkhållfasthet och långsiktig stabilitet."