En el campus de la Universidad de Drexel, existe un tramo de hormigón que podría augurar un futuro sin heladas para las aceras y autopistas del noreste de Estados Unidos. Ubicado discretamente junto a un estacionamiento destinado a los vehículos de servicios universitarios, dos losas de 76 cm x 76 cm han estado evitando por sí mismas la acumulación de nieve, aguanieve y lluvia helada sin necesidad de palear, salar o raspar durante un poco más de tres años.
El hormigón autocalentable, como el de Drexel, representa lo último en un esfuerzo continuo por crear infraestructuras más responsivas al medio ambiente y resistentes, especialmente en las regiones norteñas de Estados Unidos, donde la Administración Nacional de Autopistas estima que los estados gastan 2.300 millones de dólares anuales en operaciones de eliminación de nieve y hielo, y millones más en reparar las carreteras dañadas por el clima invernal.
Una forma de extender la vida útil de las superficies de hormigón, como las carreteras, es ayudarlas a mantener una temperatura superficial por encima del punto de congelación durante el invierno. Prevenir el congelamiento y deshielo y reducir la necesidad de usar palas y sal son buenas formas de evitar que la superficie se deteriore. Así que nuestro trabajo se centra en cómo podemos incorporar materiales especiales en el hormigón que lo ayuden a mantener una temperatura superficial más alta cuando la temperatura ambiente a su alrededor baja.
Amir Farnam, PhD, profesor asociado en la Facultad de Ingeniería, cuyo Laboratorio de Materiales para Infraestructura Avanzada ha estado liderando la investigación.
El equipo de Drexel ha estado desarrollando su mezcla de hormigón resistente al frío durante los últimos cinco años con el objetivo de reducir el congelamiento, deshielo y salinización que deteriora carreteras y otras superficies de hormigón. Hasta ahora, el éxito de su hormigón autocalentable, que previamente reportaron puede derretir nieve y prevenir o retardar la formación de hielo durante un período extendido, solo había sido demostrado en un entorno de laboratorio controlado. En un artículo publicado recientemente en el Journal of Materials in Civil Engineering de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles, el grupo dio el importante paso de probar su viabilidad en el entorno natural.
Hemos demostrado que nuestro hormigón autocalentable es capaz de derretir nieve por sí mismo, utilizando solo la energía térmica diurna del entorno, y hacerlo sin la ayuda de sal, palear o sistemas de calefacción. Este hormigón autocalentable es adecuado para regiones montañosas y norteñas en EE. UU., como el noreste de Pensilvania y Filadelfia, donde existen ciclos adecuados de calentamiento y enfriamiento en invierno.
Amir Farnam
Un cálido recibimiento
El secreto del calentamiento del hormigón es el parafino líquido 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 caen. En un artículo anterior, el grupo informó que incorporar parafino líquido en el hormigón desencadena el calentamiento cuando las temperaturas caen. Su última investigación examina dos métodos para incorporar el material de cambio de fase en losas de hormigón y cómo cada uno se comporta en el frío exterior.
Un método implica tratar agregados ligeros porosos —los guijarros y fragmentos de piedra pequeños que son ingredientes en el hormigón— con el parafino. Los agregados absorben el parafino líquido antes de ser mezclados en el hormigón. La otra estrategia es mezclar microcápsulas de parafino 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. Las tres han estado expuestas a los elementos desde diciembre de 2021. En los primeros dos años, enfrentaron un total de 32 eventos de congelación-deshielo —instancias donde la temperatura caía 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 monitorearon la temperatura y el comportamiento de fusión de nieve y hielo de las losas. Informaron que las losas con cambio de fase mantuvieron una temperatura superficial entre 5.5 y 12.7 grados Celsius durante hasta 10 horas, cuando las temperaturas del aire caían por debajo del punto de congelación.
Este calentamiento es suficiente para derretir un par de pulgadas de nieve, a una tasa de aproximadamente un cuarto de pulgada de nieve por hora. Y aunque esto puede no ser lo suficientemente cálido como para derretir un evento de nieve pesada antes de que sean necesarias las palas, puede ayudar a deshelar la superficie de la carretera y aumentar la seguridad del transporte, incluso en eventos de nieve pesada.
Manteniéndose lo suficientemente cálido
Simplemente prevenir que la superficie caiga por debajo del punto de congelación también es muy beneficioso cuando se trata de prevenir el deterioro, según los investigadores.
Los ciclos de congelación-deshielo, períodos de enfriamiento extremo —por debajo del punto de congelación— y calentamiento, pueden causar que una superficie se expanda y contraiga en tamaño, lo que ejerce una tensión en su integridad estructural y puede causar daños por agrietamiento y desprendimiento con el tiempo.
Robin Deb, un estudiante doctoral en la Facultad de Ingeniería
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