Investigadores de la Universidad Drexel desarrollaron y testearon, tanto en laboratorio como con un elemento al aire libre, un nuevo tipo de hormigón que puede autocalentarse gracias al uso de materiales que cambian de fase, lo que permitirá evitar el mantenimiento y extender la vida útil de pavimentos de hormigón, en especial en zonas donde los ciclos de congelación y deshielo son pronunciados.
Los múltiples beneficios de los pavimentos de hormigón son conocidos: poseen una mayor durabilidad y, como consecuencia de esto, no requieren de una mantención permanente, contribuyen a la disminución de emisiones de CO2 del transporte, su vida útil puede extenderse de manera fácil gracias al uso de tratamientos externos, entre otras ventajas.
Sin embargo, en climas fríos se debe tener especial cuidado ya que la formación de hielo puede afectar de forma negativa al hormigón, generando fisuras que pueden afectar a su desempeño. Además, es un tema para seguridad, ya que la formación de hielo en la superficie del pavimento reduce la fricción entre la rueda y el camino, lo que aumenta sustantivamente el riesgo de accidentes. Y en zonas donde cae nieve de manera abundante, aumenta los tiempos de viaje.
En esas zonas es común ver toneles con sal al costado de las rutas, ya que este elemento se utiliza para descongelar la superficie del pavimento. No obstante, esto también puede afectar de forma negativa al hormigón, además de agregar un costo extra al mantenimiento de las rutas. Por ejemplo, sólo en Estados Unidos, el Departamento de Transporte estima que el 70% de sus carreteras se encuentra en zonas con alta presencia de nieve y hielo y que las agencias locales y estatales destinan más de US$2,3 billones anuales en operaciones de control de hielo y nieve.
Esto podría cambiar de manera positiva gracias a la investigación de académicos de la Universidad Drexel, quienes desarrollaron un nuevo tipo de hormigón que puede calentarse a sí mismo, derritiendo el exceso de hielo y nieve sobre el pavimento, lo que ayudaría a evitar el uso de sal para la mantención de las rutas en climas fríos, agregando una mayor eficiencia a los pavimentos de hormigón en climas fríos.
Desarrollando un nuevo tipo de hormigón
El grupo de investigadores, liderados por el Doctor Amir Farnam, académico asociado de la Escuela de Ingeniería de la casa de estudios, testeó este nuevo hormigón, primero en laboratorio y luego, en una sección de los estacionamientos al aire libre, dentro del mismo campus universitario.
“Una manera de extender la vida útil de las superficies de hormigón, como los pavimientos, es ayudarlas a mantener una temperatura superior a la de congelamiento en el invierno. Al prevenir la congelación y el deshielo, y cortando la necesidad de utilizar sal o palear la nieve, son buenas formas para evitar que la superficie se deteriore. De esta forma, nuestro trabajo es buscar cómo podemos incorporar materiales especiales en el hormigón que le ayuden a mantener una temperatura de superficie alta cuando la temperatura ambiente cae”, explicó.
Así, en los últimos cinco años, el equipo liderado por el académico desarrolló una serie de mezclas de hormigón resistente al frío, cuya finalidad fue reducir la congelación, el deshielo y el salado de las carreteras y otros elementos de hormigón. Hasta ahora, los resultados en laboratorio se mostraban prometedores, lo que llevó a realizar ensayos al aire libre para probar la viabilidad de este nuevo hormigón con capacidad de calentarse a sí mismo.
“Demostramos que nuestro hormigón autocalentable es capaz de derretir nieve por sí mismo, utilizando sólo la energía térmica del ambiente que se genera durante el día y lo hace sin ayuda de sal, palear la nieve o el uso de tecnologías de calor externas. Nuestras pruebas muestran que este hormigón autocalentable se puede utilizar en las regiones montañosas y del norte de Estados Unidos, como Filadelfia y el noreste de Pennsylvania, donde existen ciclos de congelación y deshielo en invierno”, comentó el Doctor Farnam.
Resultados alentadores
Para lograr que el hormigón se tempere a sí mismo, logrando derretir la nieve en su superficie, los investigadores de la Universidad de Drexel utilizar materiales que cambian de fase, es decir, que libera calor cuando cambia de estado (líquido a sólido) a temperatura ambiente, cuando la temperatura de la superficie cae. Tal es el caso, por ejemplo, de la parafina líquida a baja temperatura. Antes, el equipo reportó que la incorporación de la parafina líquida en el hormigón gatilla calor cuando la temperatura cae.
La investigación actual, por otro lado, analizó dos metodologías para incorporar materiales que cambien de fase en losas de hormigón y cómo se comporta cada uno de ellos en el frío. Un método involucra el tratamiento de áridos porosos livianos- como guijarros y fragmentos pequeños de piedra, que son ingredientes del hormigón- con parafina líquida. La otra estrategia fue mezclar micro-cápsulas de parafina directamente al hormigón.
De esa forma, se construyó una losa utilizando ambos métodos y un tercer elemento sin material que cambie de fase, como control. Las tres losas, que se dejaron al exterior en diciembre de 2021, se midieron utilizando cámaras y sensores térmicos para monitorear su comportamiento.
En resumen, la losa de hormigón con los áridos tratados con parafina líquida tuvo un mejor desempeño en mantener su calor -es decir, mantener su temperatura hasta unas 10 horas después del congelamiento- mientras que la losa con material que cambia de fase microencapsulado pudo calentarse de manera más rápida, pero mantuvo su calor sólo la mitad del tiempo del otro elemento.
Una investigación que continúa
El equipo observó que la porosidad del árido probablemente contribuye a que la parafina permanezca líquida por debajo de su temperatura de congelación habitual (5,5°C), lo que benefició que ese elemento no liberase su energía calórica de forma inmediata cuando la temperatura disminuyó.
Por el momento, los investigadores aseguraron que este nuevo tipo de hormigón que se calienta a sí mismo puede derretir formaciones de nieve de hasta 5 centímetros o menos. Asimismo, comprobaron que derrite la nieve de manera inmediata, al instante en que se acumula. Y que, al calentarse de manera gradual, ayuda a descongelar el pavimento sin necesidad de utilizar sal.
Asimismo, los investigadores planean continuar con los ensayos para entender la efectividad a largo plazo del hormigón con materiales que cambian de fase, además de estudiar de qué manera es posible extender vida útil del hormigón con este tipo de materiales.
