В странах с холодным климатом вопросы уборки снега и льда с транспортных магистралей — это постоянная и крайне дорогостоящая проблема. В США на очистку дорог зимой ежегодно тратится свыше $2,3 млрд. И это не считая последствий аварий, часто с трагическим концом. Учёные из Пенсильвании создали незамерзающее дорожное покрытие, которое с помощью эффекта фазового перехода могло бы самостоятельно разогреваться и освобождаться от снега и льда.
Источник изображения: Drexel University
В качестве присадки к бетону для заливки дорог исследователи из Дрексельского университета (Drexel University) использовали парафин. Это получаемое из нефти органическое соединение способно выделять тепло при переходе из жидкого состояния в твёрдое. Тем самым парафин в составе бетона должен разогревать дорожное покрытие в процессе отвердевания при охлаждении окружающей среды ниже определённой температуры. В идеале — при достижении температуры замерзания воды.
Рядом с парковкой университета учёные залили три плиты со сторонами 76 × 76 см каждая: одну без каких-либо добавок, вторую с микрокапсулами парафина и третью с пористым естественным наполнителем (типа щебня), предварительно выдержанным в парафине. За плитами было установлено видеонаблюдение и слежение с помощью датчиков. Их состояние и состояние снежного покрытия на плитах отслеживалось три года, что позволило сделать далеко идущие выводы.
Выяснилось, что самым эффективным оказалось покрытие с наполнителем, предварительно выдержанным в парафине. Температура такого покрытия плавно снижалась в течение 10 часов, поддерживая в материале плюсовую температуру (от 5,6 °C до 12,8 °C) и не давая образовываться на нём льду и собираться слою снега. Затем материал «перезаряжался» на следующие сутки во время дневного повышения температуры и снова начинал работать после снижения температуры ночью. При затяжном снижении температуры всё это не работает, но в межсезонье и оттепели — вполне, что лучше, чем ничего, когда бетон промерзает, а вода в трещинах начинает пучить покрытие.
Бетон с микрогранулами парафина показал себя хуже. Он выделял тепло в два раза быстрее — примерно за пять часов. Учёные объяснили это тем, что в пористых присадках парафин медленнее переходил из жидкой фазы в твёрдую и дольше отдавал тепло покрытию. Так, переход в твёрдую фазу у парафина в пористых присадках начинался при охлаждении до 3,9 °C, тогда как в виде микрогранул фазовый переход начинался при охлаждении до 5,6 °C. Позже начал работать — отдавал тепло дольше. Это правило позволит повысить эффективность саморазогрева бетона простым способом.
«Мы продемонстрировали, что наш самонагревающийся бетон способен растапливать снег самостоятельно, используя только дневную тепловую энергию окружающей среды — и делать это без помощи соли, лопат или систем подогрева, — говорят авторы исследования. — Этот самонагревающийся бетон подходит для горных и северных регионов США, таких как Северо-Восточная Пенсильвания и Филадельфия, где зимой случаются подходящие циклы нагрева и охлаждения».