研究人员将相变材料掺入混凝土中，创造了一种自热材料，可以在不使用盐或铲子的情况下融化冰雪长达 10 小时。这种新型材料可以减少犁地和盐渍的需要，并有助于保持路面的完整性。
根据美国交通部 （DOT） 的数据，超过 70% 的道路位于积雪地区。积雪和冰块会降低道路摩擦力和车辆机动性，导致驾驶员减速并增加碰撞风险。积雪阻塞的车道和道路也会降低道路通行能力并增加行驶时间。
交通部指出，地方和州机构每年在冰雪控制行动上花费超过23亿美元，此外还有数百万美元用于修复冰雪造成的基础设施损坏。在下雪之前通常使用盐渍以防止结冰，但高浓度的盐溶液会使混凝土或沥青变质。此外，当水渗入道路并结冰时，它会膨胀，造成内部压力并损坏道路。
在一项新的研究中，来自美国宾夕法尼亚州德雷塞尔大学的研究人员提出了一个自热混凝土：一种潜在的修复积雪道路以及与清理和维护它们相关的成本。
“延长混凝土表面（原文如此）使用寿命的一种方法，如道路，是帮助它们在冬季将表面温度保持在冰点以上，”德雷克塞尔先进基础设施材料（AIM）实验室的首席研究员Amir Farnam说，该研究的通讯作者之一。“防止冻融以及减少犁地和盐渍的需要是防止地表恶化的好方法。因此，我们的工作是研究如何在混凝土中加入特殊材料，以帮助它在周围的环境温度下降时保持较高的表面温度。
研究人员的“特殊材料”是石蜡，一种所谓的相变材料，因为它在室温下从液态移动到固态时会释放热量。在之前的一项研究中，他们在热控实验室环境中测试了相变混凝土，但在目前的研究中，他们在真实世界的条件下实时测试了它。
使用两种方法将石蜡掺入混凝土板中。在第一种情况下，多孔的轻质骨料（添加小石头和鹅卵石以赋予混凝土强度）浸没在液态石蜡中并吸收液体石蜡，然后再混合到混凝土中。在第二种情况下，将石蜡的微胶囊直接混合到混凝土中。
研究人员浇筑了三块板：两块采用不同的石蜡掺入方法，第三块不含相变材料。自 2021 年 12 月以来，这三人一直在德雷塞尔大学校园停车场旁边的外面。在头两年，他们暴露在32次冻融事件中，其中温度降至冰点以下，无论降水（即雨，毛毛雨，雪，雨夹雪或冰雹），并暴露在五次降雪或一英寸或更多。
30 英寸 x 30 英寸（76 厘米 x 76 厘米）的板的融雪和融冰能力使用摄像头和热传感器进行监控。研究人员发现，当气温降至冰点以下时，相变混凝土的表面温度保持在42°F至55°F（5.6°F至12.8°C）长达10小时。产生的热量足以以每小时约四分之一英寸的速度融化几英寸的雪。
“我们已经证明，我们的自热混凝土能够自行融化积雪，仅使用环境白天的热能，并且无需盐、铲子或加热系统的帮助，”法南说。“这种自热混凝土适用于美国的山区和北部地区，如宾夕法尼亚州东北部和费城，那里冬季有合适的供暖和制冷循环。”
轻质骨料板在维持加热方面表现更好，在冰点以上保持温度长达 10 小时，而微胶囊石蜡加热更快，但仅保持一半的热量。研究人员指出，骨料的孔隙率可能有助于石蜡保持低于其通常的冷冻温度 42 °F 的液体，这意味着当温度开始下降时，板坯不会立即释放其热能，而是推迟到材料达到 39 °F/3.9 °C。 这与微胶囊石蜡板形成鲜明对比，当温度达到 42 °F 时，微胶囊石蜡板开始释放热能。
“我们的研究结果表明，经过相变材料处理的轻骨料混凝土更适合在零度以下的温度下进行除冰应用，因为它在更宽的温度范围内逐渐释放热量，”Farnam说。
研究人员表示，防止混凝土表面降至冰点以下的能力将有助于防止其恶化。
“冻融循环，极端冷却 - 低于冰点 - 和变暖的时期，会导致表面膨胀和收缩，这会给其结构完整性带来压力，并可能导致破坏性的开裂和剥落，”该研究的主要和共同通讯作者Robin Deb说。“虽然仅凭这一点可能不会使结构退化到失效的地步，但它会产生一种脆弱性，这将导致我们需要避免的问题内部恶化。其中一个有希望的发现是，当面对环境温度下降时，采用相变材料的板坯能够将其温度稳定在冰点以上。
研究人员指出，这些板对于超过两英寸的大雪堆积效果较差。而且，如果相变材料没有机会通过充分加热来“充电”，以便在冻融或雪事件之间恢复到液态，则性能可能会降低。
他们计划继续收集数据以评估板的长期有效性，并研究如何采用相变材料来延长混凝土的使用寿命。
“有了这些发现，我们将能够继续改进系统，有朝一日优化它，以实现更长的加热和更大的熔化，”Deb说。“但令人鼓舞的是，看到冻融循环显着减少的证据，这表明与传统混凝土相比，PCM（相变材料）混凝土的冻融耐久性更强。”
该研究尚不清楚所使用的石蜡是否是合成的。使用非合成石蜡的一个问题是石蜡是石油（原油）的副产品，石油（原油）是一种不可再生资源，需要密集的机械来开采和提炼。作为一种不可再生资源，石蜡是不可持续的、可生物降解的或环保的。
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