研究人員在混凝土中加入一種相變材料，創造出一種自加熱材料，無需使用鹽或鏟子，就能融化冰雪長達10 小時。這種新型材料可以減少犁地和撒鹽的需要，並有助於保持路面的完整性。

根據美國交通部（DOT）的數據，70% 以上的道路都在積雪地區。積雪和結冰會降低路面摩擦力和車輛可操作性，導致駕駛減速，增加車禍風險。積雪阻塞的車道和道路也會降低道路通行能力，增加行車時間。

交通部稱，地方和州政府機構每年在冰雪控製作業上的花費超過23 億美元，此外，修復冰雪造成的基礎設施損壞的費用也高達數百萬美元。為防止結冰，通常會在下雪前撒鹽，但高濃度的鹽溶液會使混凝土或瀝青老化。此外，當水滲入路面並結冰時，水會膨脹，造成內部壓力並損壞路面。

美國賓州是眾所周知的”寒冷之州”，該州德雷克塞爾大學的研究人員在一項新的研究中展示了他們的自加熱混凝土：一種解決積雪覆蓋道路以及清理和維護道路相關成本的潛在方法。

德雷塞爾大學先進基礎設施材料（AIM）實驗室首席研究員、該研究的通訊作者之一阿米爾-法納姆（Amir Farnam）說：”延長混凝土表面[原文如此]（如道路）使用壽命的一種方法是幫助它們在冬季保持高於冰點的表面溫度。防止凍融，減少犁地和撒鹽的需要，是防止路面老化的好方法。因此，我們的工作是研究如何在混凝土中加入特殊材料，幫助混凝土在周圍環境溫度降低時保持較高的表面溫度。”

研究人員的”特殊材料”是石蠟，這是一種所謂的相變材料，因為當它從室溫下的液態變為固態時會釋放熱量。在先前的研究中，他們在熱控制實驗室環境中測試了相變混凝土，但在本次研究中，他們在真實世界條件下對其進行了即時測試。

在混凝土板中加入石蠟的方法有兩種。第一種方法是將多孔輕質骨材–為增強混凝土強度而添加的小石子和鵝卵石–浸沒在液態石蠟中，吸收後再摻入混凝土中。第二種方法是將石蠟微膠囊直接混入混凝土中。

正在室外測試的相變混凝土板德雷塞爾大學

研究人員澆築了三塊石板：兩塊採用了不同的石蠟摻入方法，第三塊不含相變材料。自2021 年12 月以來，這三塊石板一直放在德雷塞爾大學校園停車場旁的戶外。在前兩年裡，它們經歷了32 次溫度降至冰點以下的凍融事件，無論降水量（即雨、細雨、雪、雨夾雪或冰雹）如何，還經歷了五次降雪或一英寸以上的降雪。

研究人員使用相機和熱感應器對30 英吋x 30 英吋（76 公分x 76 公分）石板的融雪和融冰能力進行了監測。研究人員發現，當氣溫降至零度以下時，相變混凝土的表面溫度能保持在42 °F 至55 °F（5.6 攝氏度至12.8 攝氏度）長達10 小時。產生的熱量足以以每小時約四分之一英寸的速度融化幾英寸厚的積雪。

法納姆說：”我們已經證明，我們的自熱混凝土能夠自行融化積雪，只利用白天的環境熱能–而且不需要鹽、鏟子或加熱系統的幫助。這種自熱混凝土適用於美國的山區和北部地區，如賓州東北部和費城，因為那裡冬季有合適的冷暖氣週期”。

輕質骨材板的持續加熱能力較強，可將溫度維持在冰點以上長達10 小時，而微膠囊石蠟的加熱速度較快，但維持熱量的時間只有石蠟的一半。研究人員指出，骨材的多孔性可能是石蠟在通常的冰點溫度（42 °F）以下保持液態的原因，這意味著當溫度開始下降時，石蠟板不會立即釋放熱能，而是一直保持到材料溫度達到39 °F/3.9 °C。這與微膠囊石蠟板形成鮮明對比，後者在溫度達到華氏42 度時就開始釋放熱能。

Farnam 說：”我們的研究結果表明，經過相變材料處理的輕質骨材混凝土更適合在零度以下的溫度條件下應用於除冰，因為它能在更大的溫度範圍內逐步釋放熱量。”

研究人員說，防止混凝土表面降到冰點以下的能力將有助於防止其老化。

“凍融循環、極度降溫（低於冰點）和升溫會導致表面尺寸膨脹和收縮，從而對其結構完整性造成壓力，並隨著時間的推移造成破壞性開裂和剝落，”該研究的主要作者和共同通訊作者羅賓-德布說。研究的主要作者和共同通訊作者羅賓-德布說：”雖然單憑這一點可能不會使結構退化到失效的地步，但它會造成一種脆弱性，導致我們需要避免的內部惡化問題。其中一個很有希望的發現是，使用相變材料的樓板在面臨環境溫度下降時能夠將溫度穩定在冰點以上”。

研究人員指出，在積雪超過兩英吋的情況下，石板的效果較差。而且，如果相變材料沒有機會透過升溫”充電”，在凍融或積雪事件之間恢復到液態，其性能可能會降低。

他們計劃繼續收集數據，以評估樓板的長期有效性，並研究如何採用相變材料來延長混凝土的使用壽命。

“有了這些發現，我們將能夠繼續改進該系統，以便有朝一日對其進行優化，使其加熱時間更長，融化程度更高，”Deb 說。”但令人鼓舞的是，有證據表明凍融循環明顯減少，這表明與傳統混凝土相比，PCM（相變材料）混凝土的凍融耐久性更強”。

目前還不清楚這項研究使用的石蠟是否是合成的。使用非合成石蠟的一個問題是，石蠟是石油（原油）的副產品，是一種不可再生資源，需要密集的機械來開採和提煉。作為一種不可再生的資源，石蠟不是可持續、可生物降解的或環保的。

這項研究發表在《土木工程材料期刊》。