Des chercheurs de l'Université Drexel ont fait une découverte qui pourrait créer des routes qui se dégivrent pendant les tempêtes hivernales. Leur secret ?—Ajouter un peu de paraffine au béton de la route.

Dans un article récemment publié dans la revue Ciment et Béton Composites des chercheurs, dirigé par Yaghoob Farnam, Doctorat, professeur assistant au Collège d'ingénierie de Drexel, expliquez comment des substances comme l'huile de paraffine, appelées « matériaux à changement de phase » en chimie, peuvent être utilisées dans le béton pour stocker de l'énergie et la libérer sous forme de chaleur lorsqu'une route a besoin d'être fondue.

Garder les routes ouvertes aux déplacements est un défi persistant pendant les mois d'hiver, mais les efforts pour les rendre praticables en toute sécurité, y compris l'utilisation constante de chasse-neige, produits chimiques de déglaçage et sel de voirie—ont tendance à détériorer la surface. Les produits chimiques et les sels de voirie actuellement utilisés pour faire fondre la neige et la glace peuvent également avoir un impact environnemental délétère lorsque le ruissellement de surface les entraîne dans les écosystèmes voisins, ce qui est assez probable étant donné que l'État de Pennsylvanie à lui seul en déverse plus de 900, 000 tonnes sur les routes chaque hiver. Les chercheurs recherchent donc depuis un certain temps une meilleure option hivernale que le salage et le labour.

Le groupe de Farnam en collaboration avec des chercheurs de la Purdue University et de l'Oregon State University, est parmi les premiers à démontrer que l'utilisation de matériaux à changement de phase comme alternative écologique peut être tout aussi efficace que les méthodes standard de salage et de grattage.

« Les matériaux à changement de phase peuvent être incorporés dans le béton à l'aide d'agrégats légers poreux ou de tuyaux noyés et lorsque le PCM passe de liquide à solide lors d'événements de refroidissement, il peut libérer de la chaleur thermique qui peut être utilisée pour faire fondre la glace et la neige, " a déclaré Farnam. " En inhibant la formation de glace et de neige sur la surface de la chaussée ou du pont, l'utilisation de PCM peut réduire ou éliminer le besoin de produits chimiques/sels de dégivrage, le déneigement ou les deux, ce qui permet d'économiser de l'argent et d'influencer positivement l'impact environnemental de telles opérations. »

Huile de paraffine, un ingrédient commun dans les bougies, cire à polir, produits cosmétiques et imperméabilisants, était leur matériau de prédilection pour cette entreprise car il est organique, largement disponible, chimiquement stable et relativement peu coûteux. Comme tous les matériaux à changement de phase, il libère de l'énergie thermique lorsqu'il change d'état physique, ce qui signifie que lorsque les températures baissent et que le pétrole commence à se solidifier, il libère de l'énergie par la chaleur latente de fusion. Cela signifie que l'huile de paraffine peut être adaptée pour intégrer des capacités de dégivrage dans une surface de route afin qu'elle devienne thermiquement active pendant les événements de neige ou lorsqu'un dégivrage est nécessaire.

Pour tester sa capacité à faire fondre la neige et la glace, l'équipe a créé un ensemble de dalles de béton, une avec des tuyaux remplis de paraffine à l'intérieur, un contenant un agrégat léger poreux qui avait été infusé de paraffine, et une troisième plaque de référence sans paraffine. Chacun a été scellé dans un conteneur isolé puis recouvert d'environ cinq pouces de "neige" fabriquée en laboratoire.

Avec des températures à l'intérieur des boîtes maintenues entre 35 et 44 degrés Fahrenheit, les deux plaques traitées à la paraffine ont pu faire fondre complètement la neige dans les 25 premières heures d'essai, tandis que la neige sur l'échantillon de référence est restée gelée. La dalle avec les tubes remplis de paraffine a fait fondre la neige un peu plus rapidement que celle composée de granulats traités à la paraffine. Farnam suggère que cela est dû au fait que la paraffine à l'intérieur des tubes est capable de se solidifier plus rapidement - libérant ainsi son énergie - en raison du diamètre régulier des tuyaux. Alors que le diamètre des pores de l'agrégat varie en taille.

Mais dans la deuxième expérience du groupe, dans laquelle la température de l'air ambiant dans le caisson a été abaissée au point de congélation avant l'ajout de la neige, l'agrégat traité à la paraffine était plus efficace que les tuyaux noyés. En effet, la pression interstitielle capillaire a retardé la congélation de la paraffine, lui permettant ainsi de libérer son énergie thermique sur une plus longue période de temps.

« La libération progressive de chaleur due aux différentes tailles de pores dans les agrégats poreux légers est plus bénéfique pour la fonte de la neige lorsque le béton est exposé à divers changements de température lorsque la fonte ou le déglaçage de la neige est nécessaire, " a déclaré Farnam. " Nous pensons que l'utilisation d'agrégats légers poreux peut être un moyen potentiel d'incorporer des matériaux à changement de phase dans le béton car il est facile à mettre en œuvre dans la pratique et peut couvrir les conditions environnementales de divers endroits aux États-Unis traitant de la neige, en particulier la fonte de la neige ou le déglaçage des routes et des ponts dans le nord-est. »

L'une des premières utilisations de cette technologie d'infrastructure pourrait être dans les aéroports, où garder les pistes exemptes de neige et de glace est vital et un défi perpétuel en hiver. La Federal Aviation Administration a soutenu cette recherche dans le cadre de son projet de chaussées aéroportuaires chauffées dans le cadre de son partenariat pour améliorer la sécurité de l'aviation générale, Programme d'accessibilité et de durabilité.

"Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour mieux comprendre d'autres facteurs influençant la constructibilité du béton, y compris les performances du béton frais et durci lorsque le béton contient des matériaux à changement de phase, et les performances thermiques du matériau à changement de phase à différents endroits aux États-Unis, " a déclaré Farnam. " Finalement, cela pourrait être utilisé pour réduire la quantité de produits chimiques de déglaçage que nous utilisons ou peut être utilisé comme une nouvelle méthode de dégivrage pour améliorer la sécurité des routes et des ponts. Mais avant de pouvoir être incorporé, nous devrons mieux comprendre comment cela affecte la durabilité de la chaussée en béton, résistance au dérapage et stabilité à long terme."