Только в Пенсильвании каждую зиму используется более 900 000 тонн противообледенительной соли. В то время как зимы на северо-востоке заставляют департаменты транспорта содержать дороги в чистоте, а очистка от льда является эффективной частью этого процесса, она также способствует тому, что тысячи миль дорог нуждаются в ремонте и ремонте каждый год.
Ягхоб Фарнам, доктор философии, доцент инженерного колледжа Дрекселя и директор Группы исследований перспективных и устойчивых инфраструктурных материалов, ищет решение этой проблемы в рецепте бетона. Фарнам разработал метод использования летучей золы, шлака и микрокремнезема — остатков угольных печей и процесса плавки — в новой бетонной смеси, которая является более прочной, поскольку не вступает в реакцию с дорожной солью. Недавно он опубликовал свои выводы в журнале Cement and Concrete Composites.
«Многие отделы транспорта уменьшили количество хлорида кальция, которое они используют для таяния льда и снега, хотя он очень эффективен при этом, потому что он также оказался очень разрушительным», — сказал Фарнам. "Это исследование доказывает, что, используя альтернативные вяжущие материалы для изготовления бетона, они могут избежать разрушительной химической реакции и продолжать использовать хлорид кальция."
Целью работы Фарнэма является производство такой же прочной бетонной смеси, как те, которые используются в настоящее время для строительства дорог, которые содержат меньше гидроксида кальция — ингредиента, который вступает в реакцию с дорожной солью с образованием соединения, называемого оксихлоридом кальция. Это химическое вещество имеет тенденцию расширяться, когда оно образуется, и когда эта реакция происходит в порах цемента, это может вызвать разрушение и растрескивание.
Исследования Фарнэма привели его к выводу, что эти «дополнительные цементные материалы» могут быть заменены в смеси с лучшим результатом, когда они вступают в контакт с противообледенительной солью хлорида кальция.
«Существует большой толчок к использованию этих побочных продуктов электроэнергетики, потому что они занимают много места, а некоторые из них могут быть вредными для окружающей среды», — сказал Фарнам. «Мы полагали, что часть побочных продуктов, таких как летучая зола, шлак и микрокремнезем, можно использовать для изготовления долговечного и более дешевого бетона, поскольку в нем используются переработанные материалы."
Чтобы проверить его теорию, лаборатория Фармана создала образцы цемента, используя разное количество летучей золы, микрокремнезема и шлака, и сравнила их с образцами «обычного портландцемента» — наиболее распространенного типа, используемого на дорогах. Его результаты подтвердили его гипотезу, а именно, что образцы, содержащие больше материалов-заменителей цемента, не производили столько оксихлорида кальция.
Изучение обычных образцов портландцемента с помощью акустической эмиссии, рентгеновских лучей и микроскопии выявило повреждения уже через восемь дней воздействия из-за образования хлорокиси кальция, в то время как образцы с надлежащим количеством летучей золы, микрокремнезема и шлака не показали. повреждение в период тестирования.
Исследование также показало, что более высокие концентрации хлорида кальция производят больше оксихлорида кальция, когда он вступает в реакцию с бетоном. Таким образом, теоретически использование более низких концентраций хлорида кальция на дорогах может помочь продлить их жизнь, но также сделает его менее эффективным в качестве средства для борьбы с обледенением.
"Дополнительную озабоченность вызывает то, что оксихлорид кальция может образовываться, даже если бетон не проходит цикл замораживания-оттаивания.
Это химическая реакция, которая может происходить при комнатной температуре, поэтому она может происходить, когда дороги предварительно засолены, даже если лед не образуется. И поскольку соли остаются на поверхности после снежной бури, реакция будет продолжать ухудшать качество дороги, поэтому жизненно важно минимизировать эту реакцию, чтобы сохранить инфраструктуру », — сказал Фарнэм.
Лаборатория Фарнэма продолжит поиск способов улучшения материалов, которые мы используем в нашей инфраструктуре. В настоящее время они разрабатывают метод создания защитного слоя на поверхности бетона с помощью бактерий, которые могут предотвратить образование оксихлорида кальция.