掺入石蜡制成的相变混凝土无需盐或铲子即可融化冰雪

根据美国交通部（DOT）的数据，70% 以上的道路都在积雪地区。积雪和结冰会降低路面摩擦力和车辆可操作性，导致驾驶员减速，增加车祸风险。积雪阻塞的车道和道路还会降低道路通行能力，增加行车时间。

交通部称，地方和州政府机构每年在冰雪控制作业上的花费超过 23 亿美元，此外，修复冰雪造成的基础设施损坏的费用也高达数百万美元。为防止结冰，通常会在下雪前撒盐，但高浓度的盐溶液会使混凝土或沥青老化。此外，当水渗入路面并结冰时，水会膨胀，造成内部压力并损坏路面。

美国宾夕法尼亚州是众所周知的"寒冷之州"，该州德雷克塞尔大学的研究人员在一项新的研究中展示了他们的自加热混凝土：一种解决积雪覆盖道路以及清理和维护道路相关成本的潜在方法。

德雷克塞尔大学先进基础设施材料（AIM）实验室首席研究员、该研究的通讯作者之一阿米尔-法纳姆（Amir Farnam）说："延长混凝土表面[原文如此]（如道路）使用寿命的一种方法是帮助它们在冬季保持高于冰点的表面温度。防止冻融，减少犁地和撒盐的需要，是防止路面老化的好办法。因此，我们的工作是研究如何在混凝土中加入特殊材料，帮助混凝土在周围环境温度降低时保持较高的表面温度。"

研究人员的"特殊材料"是石蜡，这是一种所谓的相变材料，因为当它从室温下的液态变为固态时会释放热量。在之前的一项研究中，他们在热控制实验室环境中测试了相变混凝土，但在本次研究中，他们在真实世界条件下对其进行了实时测试。

在混凝土板中加入石蜡的方法有两种。第一种方法是将多孔轻质骨料--为增强混凝土强度而添加的小石子和鹅卵石--浸没在液态石蜡中，吸收后再掺入混凝土中。第二种方法是将石蜡微胶囊直接混入混凝土中。

正在室外测试的相变混凝土板 德雷塞尔大学

研究人员浇筑了三块石板：两块采用了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，这三块石板一直放在德雷塞尔大学校园停车场旁边的室外。在头两年里，它们经历了 32 次温度降至冰点以下的冻融事件，无论降水量（即雨、细雨、雪、雨夹雪或冰雹）如何，还经历了五次降雪或一英寸以上的降雪。

研究人员使用照相机和热传感器对 30 英寸 x 30 英寸（76 厘米 x 76 厘米）石板的融雪和融冰能力进行了监测。研究人员发现，当气温降至零度以下时，相变混凝土的表面温度能保持在 42 °F 至 55 °F（5.6 摄氏度至 12.8 摄氏度）长达 10 个小时。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厚的积雪。

法纳姆说："我们已经证明，我们的自热混凝土能够自行融化积雪，只利用白天的环境热能--而且不需要盐、铲子或加热系统的帮助。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，因为那里冬季有合适的供暖和制冷周期"。

轻质骨料板的持续加热能力更强，可将温度维持在冰点以上长达 10 小时，而微胶囊石蜡的加热速度更快，但维持热量的时间只有石蜡的一半。研究人员指出，骨料的多孔性可能是石蜡在通常的冰点温度（42 °F）以下保持液态的原因，这意味着当温度开始下降时，石蜡板不会立即释放热能，而是一直保持到材料温度达到 39 °F/3.9 °C。这与微胶囊石蜡板形成鲜明对比，后者在温度达到 42 华氏度时就开始释放热能。

Farnam 说："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条件下应用于除冰，因为它能在更大的温度范围内逐步释放热量。"

研究人员说，防止混凝土表面降到冰点以下的能力将有助于防止其老化。

"冻融循环、极度降温（低于冰点）和升温会导致表面尺寸膨胀和收缩，从而对其结构完整性造成压力，并随着时间的推移造成破坏性开裂和剥落，"该研究的主要作者和共同通讯作者罗宾-德布说。研究的主要作者和共同通讯作者罗宾-德布说："虽然单凭这一点可能不会使结构退化到失效的地步，但它会造成一种脆弱性，导致我们需要避免的内部恶化问题。其中一个很有希望的发现是，使用相变材料的楼板在面临环境温度下降时能够将温度稳定在冰点以上"。

研究人员指出，在积雪超过两英寸的情况下，石板的效果较差。而且，如果相变材料没有机会通过升温"充电"，在冻融或积雪事件之间恢复到液态，其性能可能会降低。

他们计划继续收集数据，以评估楼板的长期有效性，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该系统，以便有朝一日对其进行优化，使其加热时间更长，融化程度更高，"Deb 说。"但令人鼓舞的是，有证据表明冻融循环明显减少，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"。

目前还不清楚这项研究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，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，石蜡不是可持续的、可生物降解的或环保的。

这项研究发表在《土木工程材料期刊》上。