Le béton révolutionnaire de Drexel fait fondre la neige et la glace naturellement

Les chercheurs de Drexel montrent que le béton contenant un matériau à changement de phase peut se réchauffer lorsque les températures chutent.

Il y a un morceau de béton sur le campus de l'Université Drexel qui pourrait laisser présager un avenir sans gel pour les trottoirs et les autoroutes du Nord-Est. Nichées discrètement à côté d'un parking pour les véhicules des installations de l'université, deux dalles de 30 pouces sur 30 pouces protègent seules de la neige, du grésil et de la pluie verglaçante – sans pelleter, saler ou gratter – depuis un peu plus de trois ans. années. Des chercheurs du Collège d'ingénierie de Drexel ont récemment rendu compte de la science derrière le béton spécial, qui peut se réchauffer lorsqu'il neige ou lorsque les températures approchent du point de congélation.

Les avantages du béton auto-chauffant

Le béton auto-chauffant, comme celui de Drexel, est le dernier d'un effort continu visant à créer des infrastructures plus respectueuses de l'environnement et plus résilientes, en particulier dans les régions du nord des États-Unis, où la National Highway Administration estime que les États dépensent 2,3 milliards de dollars en opérations de déneigement et de déglaçage. chaque année et des millions pour réparer les routes endommagées par les conditions hivernales.

« Une façon de prolonger la durée de vie des surfaces en béton, comme les routes, est de les aider à maintenir une température de surface supérieure au point de congélation pendant l'hiver », a déclaré Amir Farnam, PhD, professeur agrégé au College of Engineering dont le laboratoire de matériaux d'infrastructure avancés a dirigé la recherche. « Empêcher le gel et le dégel et réduire le besoin de labourer et de saler sont de bons moyens d'empêcher la détérioration de la surface. Ainsi, notre travail consiste à rechercher comment incorporer des matériaux spéciaux dans le béton qui l’aident à maintenir une température de surface plus élevée lorsque la température ambiante autour de lui baisse.

L'équipe Drexel a développé son mélange de béton résistant au froid au cours des cinq dernières années dans le but de réduire le gel, le dégel et le salage qui rongent les routes et autres surfaces en béton. Jusqu’à présent, le succès de leur béton auto-chauffant – dont ils ont déjà signalé qu’il pouvait faire fondre la neige et empêcher ou ralentir la formation de glace pendant une période prolongée – ne s’est produit que dans un laboratoire contrôlé. Dans un article récemment publié dans le journal de l'American Society for Civil Engineering Revue des matériaux en génie civil, le groupe a franchi une étape importante en démontrant sa viabilité en milieu naturel.

« Nous avons démontré que notre béton auto-chauffant est capable de faire fondre la neige par lui-même, en utilisant uniquement l'énergie thermique diurne de l'environnement – et ce, sans l'aide de sel, de pelletage ou de systèmes de chauffage », a déclaré Farnam. « Ce béton auto-chauffant convient aux régions montagneuses et du nord des États-Unis, comme le nord-est de la Pennsylvanie et Philadelphie, où il existe des cycles de chauffage et de refroidissement adaptés en hiver. »

La mécanique du réchauffement du béton

Le secret du réchauffement du béton réside dans la paraffine liquide à basse température, qui est un matériau à changement de phase, ce qui signifie qu'il libère de la chaleur lorsqu'il passe de son état de température ambiante – sous forme liquide – à un état solide, lorsque les températures baissent. Dans un article précédent, le groupe a rapporté que l’incorporation de paraffine liquide dans le béton déclenche un échauffement lorsque les températures chutent. Leurs dernières recherches portent sur deux méthodes d'incorporation du matériau à changement de phase dans les dalles de béton et sur la façon dont chacune se comporte à l'extérieur par temps froid.

Une méthode consiste à traiter des granulats légers poreux – les cailloux et les petits fragments de pierre qui entrent dans la composition du béton – avec de la paraffine. Le granulat absorbe la paraffine liquide avant d'être mélangé au béton. L'autre stratégie consiste à mélanger des micro-capsules de paraffine directement dans le béton.

Un test dans les éléments

Les chercheurs ont coulé une dalle en utilisant chaque méthode et une troisième sans aucun matériau à changement de phase, à titre de contrôle. Tous les trois sont dehors dans les éléments depuis décembre 2021. Au cours des deux premières années, ils ont été confrontés à un total de 32 événements de gel-dégel – des cas où la température est tombée en dessous de zéro, quelles que soient les précipitations – et cinq chutes de neige d’un pouce ou plus.

À l’aide de caméras et de capteurs thermiques, les chercheurs ont surveillé la température ainsi que le comportement des dalles en matière de fonte de la neige et de la glace. Ils ont rapporté que les dalles à changement de phase maintenaient une température de surface comprise entre 42 et 55 degrés. Fahrenheit jusqu'à 10 heures, lorsque la température de l'air descend en dessous de zéro.

Ce chauffage suffit à faire fondre quelques centimètres de neige, à raison d'environ un quart de pouce de neige par heure. Et même si cette température n’est peut-être pas assez chaude pour faire fondre une forte chute de neige avant que des chasse-neige ne soient nécessaires, elle peut aider à déglacer la surface de la route et à accroître la sécurité des transports, même en cas de forte chute de neige.

Rester suffisamment au chaud

Selon les chercheurs, le simple fait d'empêcher la surface de descendre en dessous du point de congélation contribue grandement à prévenir la détérioration.

« Les cycles de gel-dégel, les périodes de refroidissement extrême – en dessous du point de congélation – et de réchauffement, peuvent provoquer l’expansion et la contraction d’une surface, ce qui met à rude épreuve son intégrité structurelle et peut provoquer des fissures et un effritement dommageables au fil du temps », a déclaré Robin Deb. , doctorant au College of Engineering, qui a contribué à diriger la recherche. « Et même si cela ne suffit pas à dégrader la structure au point de tomber en panne, cela crée une vulnérabilité qui entraînera une détérioration intérieure problématique que nous devons éviter. L’une des découvertes prometteuses est que les dalles dotées de matériaux à changement de phase ont pu stabiliser leur température au-dessus du point de congélation face à une baisse des températures ambiantes.

Lente et régulière

Dans l'ensemble, la dalle de granulats légers traitée a mieux réussi à maintenir son chauffage – en maintenant la température au-dessus du point de congélation jusqu'à 10 heures – tandis que la dalle avec un matériau à changement de phase microencapsulé a pu chauffer plus rapidement, mais n'a maintenu le réchauffement que pendant la moitié de la durée. long. Les chercheurs suggèrent que cela est dû à la répartition relative du matériau à changement de phase dans les pores de l’agrégat, par rapport à la concentration du matériau à changement de phase à l’intérieur des microcapsules – un phénomène qui a été étudié de manière approfondie.

Ils ont également noté que la porosité de l'agrégat contribue probablement à ce que la paraffine reste un liquide en dessous de sa température de congélation habituelle de 42 degrés Fahrenheit. Cela s'est avéré bénéfique pour les performances de la dalle, car le matériau n'a pas libéré immédiatement son énergie thermique lorsque la température a commencé à baisser, la retenant jusqu'à ce que le matériau atteigne 39 degrés Fahrenheit. En revanche, la paraffine microencapsulée a commencé à libérer son énergie chauffante dès que sa température a atteint 42 degrés, ce qui a contribué à sa période d’activation relativement plus courte.

« Nos résultats suggèrent que le béton de granulats légers traité avec un matériau à changement de phase était plus adapté aux applications de dégivrage à des températures inférieures à zéro en raison de son dégagement de chaleur progressif dans une plage de température plus large », a déclaré Farnam.

Marge d'amélioration

Les deux applications ont réussi à augmenter la température du béton entre 53 et 55 degrés Fahrenheit, ce qui est plus que suffisant pour faire fondre la neige. Leurs performances étaient affectées par la température de l’air ambiant avant une chute de neige et par la vitesse de chute de neige.

« Nous avons constaté que les chaussées incorporées au PCM ne peuvent pas faire fondre complètement les fortes accumulations de neige – supérieures à 2 pouces », a déclaré Deb. « Il peut cependant faire fondre assez efficacement des chutes de neige de moins de deux pouces. Les dalles incorporées au PCM commencent à faire fondre la neige dès qu'elle commence à s'accumuler. Et le dégagement progressif de chaleur peut efficacement dégivrer la surface d'une chaussée, ce qui éliminerait le besoin de pré-saler avant les fortes chutes de neige.

Ils ont également noté que si le matériau à changement de phase n’a pas le temps de se « recharger » en se réchauffant suffisamment pour revenir à son état liquide entre les épisodes de gel-dégel ou de neige, alors ses performances peuvent être diminuées.

« La réalisation de cette recherche a été une étape importante pour nous de comprendre comment le béton incorporant un matériau à changement de phase se comporte dans la nature », a déclaré Deb. «Grâce à ces découvertes, nous pourrons continuer à améliorer le système pour un jour l'optimiser pour un chauffage plus long et une fusion plus importante. Mais il est encourageant de constater une réduction significative des cycles de gel-dégel, ce qui démontre que le béton PCM est plus durable au gel-dégel que le béton traditionnel.

L'équipe prévoit de continuer à collecter des données sur les dalles pour comprendre l'efficacité à long terme des matériaux à changement de phase et étudier comment cette méthode peut prolonger la durée de vie du béton.

Outre Farnam et Deb, Nishant Shrestha, Kham Phan, Mohamed Cissao, étudiants de premier cycle à la Faculté d'ingénierie ; et Parsa Namakiaraghi, Yousif Alqenai, Sharaniaya Visvalingam et Angela Mutua, doctorants au Collège d'ingénierie ; contribué à cette recherche.