材料科学
自己加熱コンクリートは道路、帯水層、そして財布を助ける可能性があります
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北米の寒冷地域では、降雪や凍結・融解サイクルが冬季にかなり一般的です。その結果、コンクリート道路やフラットワークに雪が積もり、コンクリートの凍結融解による損傷が生じます。
しかし、ドレクセル大学のキャンパス内には、凍結のない歩道や高速道路の未来を示すコンクリートの区画があります。この区画は大学の駐車場のすぐ隣に位置しています。
それは30インチ×30インチのスラブ2枚で構成されており、誰が除雪や除氷塩を使用せずに、最大で3年間自ら雪や凍結雨を除去してきました。しかし奇跡ではなく、自己加熱コンクリートです。
先週、ドレクセル大学工学部の研究者たちは、この特別なコンクリートが温度が氷点下になるか降雪時に自ら暖まる仕組みについて報告しました。
Journal of Materials in Civil Engineeringに掲載された本論文では、低温相変化材料（PCM）を用いた自己加熱コンクリートの開発について論じています。
これらの実験はドレクセル大学の先進インフラ材料（AIM）ラボで実施されました。実験には米国のCompass Mineralsが資金を提供し、MicroTek Laboratoriesが研究用材料を提供しました。
この研究は、准教授のアミル・ファルナム博士、博士課程学生のロビン・デブ、学部生のニシャント・シュレスタ、カム・ファン、モハメド・シサオ、そして博士課程候補生のシャラニアヤ・ヴィスヴァリンガム、アンジェラ・ムトア、ユーシフ・アルケナイ、パルサ・ナマキアラギが工学部に所属して実施しました。
ファルナムが説明するように、この自己加熱コンクリートの目的は道路やさまざまな表面の使用寿命を延ばすことです。具体的には、寒冷気候下でコンクリート表面が氷点上の温度を保つのを支援します。この考えは、米国北部の州が毎年約23億ドルを雪氷除去に投じていることから、耐久性のあるインフラを育成することです。
凍結・融解を防ぎ、表面が崩壊するのを防ぐために除雪や除氷塩の必要性を減らすべく、新たな実験ではコンクリートに特殊金属を導入し、気候変化時に表面温度を高く保つようにしています。
この材料は約5年にわたり開発されており、道路やその他のコンクリート表面に悪影響を与える凍結・融解・除氷塩の使用を減らすことを目的としています。自己加熱コンクリートは雪を溶かし、長時間にわたり氷の形成を遅らせまたは防止できると報告されています。
これまで自己加熱コンクリートは制御された実験室環境で大きな可能性と成功を示してきましたが、現在では実際の自然環境でも実用性が証明されています。自己加熱コンクリートは人間の介入や加熱システムなしで雪を溶かすことができ、昼間の環境熱エネルギーだけで自律的に機能します。
「この自己加熱コンクリートは、米国の山岳地帯や北部地域、例えばペンシルベニア州北東部やフィラデルフィアなど、冬季に適切な加熱・冷却サイクルがある場所に適しています。」
– ファルナム
低温相変化材料
本研究で自己加熱コンクリートの実現に寄与した材料は低温液体パラフィンです。これは相変化材料（PCM）で、周囲温度が約0°C（32°F）に下がると、液体の常温状態から固体に変化する際に熱を放出します。これにより、積もった雪や氷が徐々に溶けます。
グループは以前、材料をコンクリートに組み込むことで温度低下と同時に加熱が開始されると報告していましたが、最新の研究では、秋冬シーズンにおける実験室内の熱条件と屋外リアルタイム条件の両方で自己加熱コンクリートの性能を評価しました。
プログラムの目的は、PCMの最大組み込みを実現するためにコンクリート配合設計を最適化し、LGCCを用いてPCMモルタル試料の熱特性を評価することでした。LGCC（長手方向ガード比較熱測定法）は、コンクリート試料の熱特性と熱流を定量化する試験装置です。
さらに、実験室外の自然環境で相変化材料を処理した大規模コンクリートスラブを設置し、雪の融解効率と凍結融解サイクルに対するリアルタイムの熱性能を評価することが目的です。凍結融解イベントとは、温度が水が凍る32°F（0°C）まで下がり、再び融解するほど上昇する現象を指します。
現在、材料をコンクリートに組み込むために、チームは2つの方法を用いました。1つはマイクロカプセル化PCM（MPCM）で、パラフィンのマイクロカプセルを直接コンクリートに混合します。もう一つは液体相変化材料を多孔性軽量骨材（PCM-LWA）に浸漬する方法で、コンクリートを構成する小石の破片をパラフィンで処理します。これらの小石や礫は液体パラフィンを吸収し、コンクリートに組み込まれます。
実験では、研究者は3枚のスラブを使用しました。1枚はMPCM法で、2枚目はPCM-LWA法で、3枚目は相変化材料を使用しない対照スラブです。
これらのスラブは2021年12月から自然環境にさらされています。この期間、3枚すべてが32回の凍結融解イベントを経験し、気温は氷点下になりました。最初の2年間で、1インチ以上の降雪が5回ありました。温度とスラブの挙動を監視するために、チームはカメラとサーマルセンサーを使用しました。
気温が氷点下になると、研究者はPCMスラブが表面温度を華氏42〜55度（摂氏5.56〜12.78度）で最大10時間維持できることを確認しました。これは数インチの雪を溶かすのに十分です。ただし、融解速度は遅く、1時間あたり約0.25インチの雪です。大量の雪を溶かすほどの温度ではありませんが、道路表面の氷結を防ぎ、交通安全を向上させることができます。
これは、極端な冷却とその後の加熱が繰り返されることで表面が膨張・収縮し、構造的なひび割れや剥離を引き起こす道路の劣化を防ぐのに有益です。これにより、内部からの構造破壊リスクを回避できる必要があります。
「相変化材料を使用したスラブは、外気温が低下した際にも温度を氷点上に安定させることができたという有望な発見があります。」
– デブ
インフラの寿命延長に加えて、道路保守費用の削減にもつながります。米国道路管理局の推計によれば、冬季の天候による道路損傷の修復に数百万ドルが費やされています。さらに、除氷塩の使用を削減することで、州は労働費と塩代を節約できるだけでなく、車両の錆びを防止できます。このアプローチは、過剰な塩分が地下水を汚染するのを防ぎ、人間の利用に安全な状態を保つことにも貢献します。
段階的な進展、成長の可能性
研究チームはさまざまなスケールで自己加熱コンクリートを検証し、PCMが満足のいく過冷却、長期熱安定性、高い融解エンタルピーを示すことを確認しました。全体として、材料を含むコンクリートスラブは雪融解能力が高く、冬季の凍結融解サイクル数を減少させることが研究結果から示されました。
多孔性軽量骨材（PCM-LWA）で処理されたスラブは、凍結融解（F-T）サイクル数の減少において優れていることが分かりました。これは、PCMが孔内に均等に分布し、LWAの孔ネットワークによる閉塞圧が過冷却現象を引き起こすためです。
結果として、潜熱が徐々に放出されます。この過冷却は、3.94°Cから−13.04°C（39.09°Fから8.52°F）という広い低温範囲で相変化を引き起こします。したがって、PCM-LWA法はこの低温範囲での雪融解により効果的であることが判明しました。
一方、MPCMコンクリートの「ワンショット」熱放出現象は、雪を速く融解させます。マイクロカプセル化相変化材料（MPCM）で処理されたスラブは、より速く加熱できますが、LWA-PCMに比べて保温時間が半分しか持続しません。
したがって、PCM-LWAスラブは材料が華氏39度に達するまで熱エネルギーの放出を保持できましたが、MPCMは華氏42度に達した時点で熱放出を開始し、比較的短い作動期間となります。
その結果、チームはPCM-LWA法が氷点下での除氷用途により適していると述べました。
PCM-LWAとMPCMの両方がコンクリート温度を華氏53〜55度に上昇させることができても、降雪量と降雪前の外気温が両者の性能に影響します。
PCMを組み込んだ舗装は、2インチ以上の大量の積雪を完全に溶かすことはできませんが、それ以下の降雪については「かなり効果的に」融解できます。雪が降り始めた瞬間に除氷が始まります。
デブによれば、熱の徐々の放出はコンクリート表面を効果的に解凍し、大量降雪前の事前除氷の必要性をなくします。ただし、雪や凍結融解イベントの間に材料が再充電する時間が必要であり、液体状態に戻らなければ性能が低下する可能性があります。
チームは、PSMを組み込んだコンクリートが自然環境でどのように振る舞うかを理解したので、より長時間の加熱と大幅な融解を実現するためにシステムの改良に取り組みます。研究者は材料の長期効果を把握するためにさらなるデータを収集し、この手法がコンクリートの寿命をどの程度延長できるかを調査する必要があります。
これは、インフラを改善し環境を保護するための最新の進展にすぎません。最近、カリフォルニア大学の科学者たちが適応型屋根タイルで熱と冷房コストを削減する方法を詳述しました。これらのタイルは放射スイッチまたは受動的熱調整装置を備え、さまざまな温度に対応します。
別の解決策として、バークレー研究所材料科学部門が開発したオールシーズン対応のスマート屋根コーティングがあります。これは冬季に暖かく、夏季に涼しく保ち、天然ガスや電力を必要としません。温度適応放射コーティング（TARC）という新素材を利用し、冬季には放射冷却を自動的にオフにして過冷却やエネルギー浪費を防ぎます。これらすべてが、私たちと地球の明るい未来を示しています。
冬季メンテナンスへの取り組み
では、除氷ソリューションを提供し、より革新的な選択肢を模索している業界の企業名をいくつか見てみましょう。
#1. Clear Roads
このプログラムは、全国の交通専門家と研究者を結集し、冬季メンテナンスのイノベーションを推進します。Clear Roadsは実際の条件下で材料、装置、手法を評価し、コスト削減、効率向上、安全性向上に役立つ最適な技術とソリューションを見つけます。
2024 TRB年次総会において、プログラムはLiDAR測定による塩ストック在庫管理、塩の持続可能性、人工知能、道路摩擦モデリングなどのテーマに焦点を当てました。また、データ駆動型アプローチによる冬季道路表面状態の予測、転移学習と長短期記憶ニューラルネットワークに基づく冬季舗装温度予測モデル、冬季道路メンテナンスのデジタルツインプロトタイプ開発、道路気象の未来なども取り上げました。
#2. Cargill
同社は道路や高速道路向けの除氷ソリューションを提供しています。Cargillの効果的な冬季メンテナンスソリューションは環境への影響と関連コストを最小化します。同社の幅広い製品には、粒状除氷剤、アンチアイサー、自動ブライン製造システムと添加剤、舗装オーバーレイ用ソリューションが含まれます。
昨年後半に、同社が米国の除氷塩事業の一部を売却しようとしていると報告されました。当時、同事業は約4,000万ドルのEBITDAを、約3億7,500万ドルの売上で生み出していました。
同社が売却を検討している資産は、除氷塩を採掘、加工、輸送する施設で、全国の自治体、政府機関、民間商業企業に冬季の道路用として供給しています。この動きは、Cargillが2022年にアベリー島（ルイジアナ州）にある第3塩鉱山を閉鎖した後のものです。
#3. Clariant
この企業は航空機除氷を提供しており、今後7年間で18億3000万ドル規模に成長し、年平均成長率5%で拡大すると予測されています。北米は堅牢な航空産業によりこの成長を牽引しています。航空機除氷システムは安全な離着陸に不可欠です。
航空機除氷に加えて、Clariantはリサイクルソリューションや、悪天候下での滑走路運用上の課題を克服する支援を提供しています。そのために、航空機表面の雪氷を除去する極めて効果的な除氷液を開発しました。同社は滑走路除氷および防氷化学薬品にも特化しています。
結論
このように、自己加熱コンクリートは舗装、ドライブウェイ、橋桁、その他多くのフラットワークの建設に利用できる画期的な発明です。開発された製品はコンクリートの耐久性と使用寿命を向上させ、道路保守、労働、資材使用にかかる費用を削減し、車両の錆びや過剰な塩分が地下水を汚染するのを防ぎます。このような研究は人類だけでなく環境にも有益で、私たちの生活を向上させつつ生態系を保護します。
