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对犁地和撒盐的需要，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% 的道路位于多雪地区。积雪和冰减少了道路摩擦和车辆机动性，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，此外还花费数百万美元用于修复冰雪造成的基础设施损坏。在降雪之前，通常使用盐渍来防止结冰，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展示了他们的自热混凝土：一种潜在的积雪道路修复方法，以及与清理和维护道路相关的成本。
“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，减少耕作和盐渍的需要，是防止地表恶化的好方法。因此，我们的工作正在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转变为温度下降时的固态时会释放热量。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对其进行了实时测试。
使用两种方法将石蜡掺入混凝土板中。在第一种情况下，多孔轻质骨料（为赋予混凝土强度而添加的小石头和鹅卵石）在混合到混凝土中之前浸入并吸收液体石蜡。在第二种实验中，将石蜡的微胶囊直接混合到混凝土中。
研究人员倒入了三块板：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，这三人都在外面，在德雷塞尔大学校园的一个停车场旁边。在头两年中，他们经历了32次冻融事件，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）如何，并暴露于五次一英寸或更多的降雪。
30 英寸 x 30 英寸（76 厘米 x 76 厘米）的冰雪融化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°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，”Farnam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，这些地区在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更好，将温度保持在冰点以上长达 10 小时，而微胶囊石蜡升温更快，但仅保持一半的热量。研究人员指出，骨料的孔隙率可能导致石蜡在通常的冷冻温度42°F以下保持液体状态，这意味着当温度开始下降时，板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，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质骨料混凝土更适合在零度以下的温度下除冰应用，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随着时间的推移，”该研究的主要作者和共同通讯作者Robin Deb说。“虽然仅此一项可能不会使结构退化到故障点，但它会产生一个漏洞，将导致我们需要避免的内部恶化问题。其中一个有希望的发现是，当环境温度下降时，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加热到足以在冻融或降雪事件之间恢复到液态来“充电”，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，并研究采用相变材料如何延长混凝土的使用寿命。
