O concreto inovador da Universidade Drexel, capaz de autoaquecer, mostrou-se promissor na redução do acúmulo de neve e gelo, com o objetivo de tornar a infraestrutura em regiões frias mais durável e eficiente em termos de manutenção. Crédito: SciTechDaily.com
Os pesquisadores da Drexel mostram que o concreto com material de mudança de fase pode aquecer quando a temperatura cai.
Há um pedaço de concreto no campus da Universidade Drexel que pode pressagiar um futuro sem geadas para calçadas e rodovias no Nordeste. Escondidas discretamente ao lado de um estacionamento para veículos das instalações da universidade, duas lajes de 30 por 30 polegadas protegem a neve, o granizo e a chuva congelante por conta própria – sem pá, salga ou raspagem – há pouco mais de três anos. Pesquisadores da Faculdade de Engenharia de Drexel relataram recentemente sobre a ciência por trás do concreto especial, que pode aquecer quando neva ou quando as temperaturas se aproximam de zero.
Os benefícios do concreto autoaquecido
O concreto autoaquecível, como o de Drexel, é o mais recente em um esforço contínuo para criar infraestruturas mais sensíveis e resilientes ao meio ambiente, especialmente nas regiões do norte dos Estados Unidos, onde a Administração Rodoviária Nacional estima estados gastam US$ 2,3 bilhões em operações de remoção de neve e gelo a cada ano e milhões para reparar estradas danificadas pelo inverno.
“Uma forma de prolongar a vida útil de superfícies de concreto, como estradas, é ajudá-las a manter uma temperatura superficial acima de zero durante o inverno”, disse Amir Farnam, PhD, professor associado da Faculdade de Engenharia cujo Laboratório de Materiais de Infraestrutura Avançada desenvolveu vem liderando a pesquisa. “Evitar o congelamento e o descongelamento e reduzir a necessidade de arar e salgar são boas formas de evitar a deterioração da superfície. Portanto, nosso trabalho consiste em analisar como podemos incorporar materiais especiais no concreto que o ajudem a manter uma temperatura superficial mais elevada quando a temperatura ambiente ao seu redor cai.”
Pesquisadores da Universidade Drexel desenvolveram um tipo de concreto que pode se aquecer quando as temperaturas caem para derreter a neve e o gelo. Crédito: Universidade Drexel
A equipe da Drexel tem desenvolvido sua mistura de concreto resistente ao clima frio nos últimos cinco anos com o objetivo de reduzir o congelamento, o descongelamento e a salga que corrói as estradas e outras superfícies de concreto. Até agora, o sucesso do seu concreto com autoaquecimento – que eles relataram anteriormente pode derreter a neve e prevenir ou retardar a formação de gelo por um longo período de tempo – só ocorreu em um ambiente controlado de laboratório. Em um artigo publicado recentemente na American Society for Civil Engineering’s Revista de Materiais em Engenharia Civil, o grupo deu o importante passo de comprovar sua viabilidade no ambiente natural.
“Demonstramos que nosso concreto autoaquecido é capaz de derreter a neve por conta própria, usando apenas a energia térmica diurna ambiental – e fazendo isso sem a ajuda de sal, escavação ou sistemas de aquecimento”, disse Farnam. “Este concreto com autoaquecimento é adequado para regiões montanhosas e ao norte dos EUA, como o nordeste da Pensilvânia e a Filadélfia, onde há ciclos adequados de aquecimento e resfriamento no inverno.”
A mecânica do aquecimento do concreto
O segredo para o aquecimento do concreto é a parafina líquida de baixa temperatura, que é um material de mudança de fase, o que significa que libera calor quando passa do estado de temperatura ambiente – líquido – para sólido, quando a temperatura cai. Em um artigo anterior, o grupo relatou que a incorporação de parafina líquida ao concreto provoca aquecimento quando a temperatura cai. Sua pesquisa mais recente analisa dois métodos para incorporar o material de mudança de fase em lajes de concreto e como cada um se comporta no frio.
Um método envolve o tratamento de agregados leves porosos – os seixos e pequenos fragmentos de pedra que são ingredientes do concreto – com a parafina. O agregado absorve a parafina líquida antes de ser misturado ao concreto. A outra estratégia é misturar microcápsulas de parafina diretamente no concreto.
Pesquisadores da Universidade Drexel testaram lajes de concreto contendo material de mudança de fase que pode aquecer quando as temperaturas caem para derreter a neve e o gelo. (Da esquerda para a direita: laje de referência, laje contendo agregado leve tratado com material de mudança de fase; laje contendo material de mudança de fase microencapsulado.) Crédito: Drexel University
Um teste nos elementos
Os pesquisadores despejaram uma placa usando cada método e uma terceira sem qualquer material de mudança de fase, como controle. Todos os três estiveram ao ar livre desde dezembro de 2021. Nos primeiros dois anos, enfrentaram um total de 32 eventos de congelamento e degelo – casos em que a temperatura caiu abaixo de zero, independentemente da precipitação – e cinco nevascas de uma polegada ou mais.
Usando câmeras e sensores térmicos, os pesquisadores monitoraram a temperatura e o comportamento de derretimento da neve e do gelo das lajes. Eles relataram que as lajes de mudança de fase mantinham uma temperatura superficial entre 42 e 55 graus Fahrenheit por até 10 horas, quando a temperatura do ar caiu abaixo de zero.
Esse aquecimento é suficiente para derreter alguns centímetros de neve, a uma taxa de cerca de um quarto de polegada de neve por hora. E embora possa não ser quente o suficiente para derreter uma nevasca forte antes que os arados sejam necessários, pode ajudar a descongelar a superfície da estrada e aumentar a segurança do transporte, mesmo em nevascas fortes.
Ficar aquecido o suficiente
Simplesmente evitar que a superfície caia abaixo de zero também ajuda muito quando se trata de prevenir a deterioração, de acordo com os pesquisadores.
“Ciclos de congelamento e degelo, períodos de resfriamento extremo – abaixo de zero – e aquecimento, podem fazer com que uma superfície se expanda e contraia em tamanho, o que coloca pressão sobre sua integridade estrutural e pode causar rachaduras e lascas prejudiciais ao longo do tempo”, disse Robin Deb , aluno de doutorado da Faculdade de Engenharia, que ajudou a conduzir a pesquisa. “E embora isto por si só possa não degradar a estrutura ao ponto de falhar, cria uma vulnerabilidade que levará à problemática deterioração interior que precisamos de evitar. Uma das descobertas promissoras é que as placas com materiais de mudança de fase foram capazes de estabilizar sua temperatura acima de zero quando confrontadas com a queda da temperatura ambiente.”
Lento e constante
No geral, a laje de agregado leve tratado teve melhor desempenho na sustentação do aquecimento – mantendo a temperatura acima de zero por até 10 horas – enquanto a laje com material de mudança de fase microencapsulado foi capaz de aquecer mais rapidamente, mas apenas manteve o aquecimento pela metade. longo. Os pesquisadores sugerem que isso se deve ao desembolso relativo do material de mudança de fase dentro dos poros do agregado, em comparação com a concentração de material de mudança de fase dentro das microcápsulas – um fenômeno que foi estudado extensivamente.
Eles também observaram que a porosidade do agregado provavelmente contribui para que a parafina permaneça líquida abaixo de sua temperatura normal de congelamento de 42 graus Fahrenheit. Isto provou ser benéfico para o desempenho da laje porque o material não liberou imediatamente sua energia térmica quando a temperatura começou a cair – mantendo sua liberação até que o material atingisse 39 graus Fahrenheit. Em contraste, a parafina microencapsulada começou a libertar a sua energia de aquecimento assim que a sua temperatura atingiu 42 graus, o que contribuiu para o seu período de activação relativamente mais curto.
“Nossas descobertas sugerem que o concreto agregado leve tratado com material de mudança de fase era mais adequado para aplicações de degelo em temperaturas abaixo de zero devido à sua liberação gradual de calor dentro de uma faixa mais ampla de temperatura”, disse Farnam.
Espaço para melhorias
Embora ambas as aplicações tenham conseguido aumentar a temperatura do concreto para entre 53 e 55 graus Fahrenheit, o que é mais que suficiente para derreter a neve. Seu desempenho foi afetado pela temperatura do ar ambiente antes da queda de neve e pela taxa de queda de neve.
“Descobrimos que os pavimentos incorporados com PCM não podem derreter completamente o acúmulo de neve pesada – maior que 5 centímetros”, disse Deb. “Ele pode, no entanto, derreter neve com menos de cinco centímetros de forma bastante eficaz. As lajes incorporadas ao PCM começam a derreter a neve assim que ela começa a se acumular. E a liberação gradual de calor pode efetivamente descongelar a superfície de um pavimento, o que eliminaria a necessidade de pré-sal antes da forte nevasca.”
Eles também observaram que se o material de mudança de fase não tiver algum tempo para “recarregar”, aquecendo o suficiente para retornar ao seu estado líquido entre eventos de congelamento e degelo ou neve, então seu desempenho pode ser diminuído.
“A realização desta pesquisa foi um passo importante para entendermos como o concreto que incorpora material de mudança de fase se comporta na natureza”, disse Deb. “Com essas descobertas, seremos capazes de continuar a melhorar o sistema para um dia otimizá-lo para um aquecimento mais longo e um derretimento maior. Mas é encorajador ver evidências de redução significativa dos ciclos de congelamento e descongelamento, o que demonstra que o concreto PCM é mais durável em termos de congelamento e descongelamento em comparação com o concreto tradicional.”
A equipe planeja continuar a coletar dados sobre as lajes para compreender a eficácia a longo prazo dos materiais de mudança de fase e estudar como este método pode prolongar a vida útil do concreto.
Referência: “Desenvolvimento de concreto autoaquecido usando materiais de mudança de fase de baixa temperatura: avaliação multiescala e em tempo real in situ do desempenho de derretimento de neve e congelamento-degelo” por Robin Deb, SMASCE, Nishant Shrestha, Kham Phan, Mohamed Cissao, Parsa Namakiarhi, Yousif Alqenai, SMASCE, Sharaniaya Visvalingam, Angela Mutua e Yaghoob “Amir” Farnam, M.ASCE, 18 de março de 2024, Revista de Materiais em Engenharia Civil.
DOI: 10.1061/JMCEE7.MTENG-17048
Além de Farnam e Deb, Nishant Shrestha, Kham Phan, Mohamed Cissao, alunos da Faculdade de Engenharia; e Parsa Namakiarhi, Yousif Alqenai, Sharaniaya Visvalingam e Angela Mutua, doutorandos na Faculdade de Engenharia; contribuiu para esta pesquisa.
