材料科学
自己加熱コンクリートは道路や地下水を守り、費用削減にも役立つ可能性
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北米の寒冷地域では、冬に降雪や凍結・融解が繰り返し起こります。その結果、コンクリート道路や平らな舗装面に雪が積もり、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。
この区画には30インチ四方のコンクリート板が2枚あり、人が雪かきをしたり融雪塩をまいたりしなくても、長期間にわたり雪やみぞれ、着氷性の雨に対応してきました。これは奇跡ではなく、蓄えた熱を放出する自己加熱コンクリートの働きです。
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。
ファルナム氏によると、この自己加熱コンクリートの目的は、道路などのコンクリート面の耐用年数を延ばすことです。冬に表面温度を氷点より高く保つことで、劣化を抑えます。米国北部の州が年間約23億ドルを除雪・除氷に費やしていることを背景に、より耐久性の高いインフラの実現を目指しています。
凍結融解による劣化と、除雪や融雪塩への依存を減らすため、研究チームは特殊な相変化材料をコンクリートに混ぜ、周囲の気温が下がった際にも表面温度を高く保てるか調べています。
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
この研究で使われたのは、低温で相変化する液体パラフィンです。相変化材料（PCM）は、温度が下がって液体から固体になる際に熱を放出します。その熱を利用して、積もった雪や氷を徐々に溶かします。
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、相変化材料を組み込んだ大型コンクリート板を屋外に設置し、融雪性能と凍結融解サイクルに対する熱的挙動を調べました。凍結融解サイクルとは、水が凍る0°C（32°F）を下回った後、再び融ける温度まで上昇する過程です。
研究チームは、材料をコンクリートに組み込む方法を2種類比較しました。一つは、微小なカプセルに封入したパラフィンを直接混ぜる方法（MPCM）です。もう一つは、多孔質軽量骨材に液体パラフィンを吸収させてから混ぜる方法（PCM-LWA）です。骨材はコンクリートを構成する小石や砕石に当たります。
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。
氷点下への冷却とその後の温度上昇を繰り返すと、コンクリートは膨張・収縮し、ひび割れや表面の剥離が生じます。表面の凍結を抑えることで、こうした損傷を減らし、内部の劣化につながる弱点を生じにくくできます。
「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
インフラの長寿命化に加え、道路の維持費削減も期待できます。米国の道路当局によると、冬の天候で傷んだ道路の補修には多額の費用がかかります。融雪塩の使用を減らせれば、作業費や塩の購入費を抑え、車両のさびや地下水の塩分汚染も軽減できます。
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。
多孔質軽量骨材（PCM-LWA）を使った板は、凍結融解サイクルの回数を減らす点で優れていました。これは、骨材の細孔内に分散したパラフィンが、細孔による拘束の影響で通常の凝固温度を下回っても液体のままでいる、過冷却現象に関係すると考えられます。
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。
PCM-LWAでは、材料の温度が華氏39度（約3.9°C）まで下がるまで熱の放出が遅れました。一方、MPCMは華氏42度（約5.6°C）で熱を放出し始めたため、加熱が続く時間は比較的短くなりました。
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インチを超える大雪を完全に溶かすことはできませんが、それより少ない積雪はかなり効果的に溶かせます。雪が積もり始めると、融雪作用が始まります。
デブ氏によると、熱が徐々に放出されることで舗装表面の氷を溶かし、大雪の前にあらかじめ塩をまく必要を減らせます。ただし、降雪や凍結融解の合間に材料が十分温まり、液体に戻って熱を蓄える時間が必要です。この過程が不十分だと性能が低下します。
チームは、PCMを組み込んだコンクリートの屋外での挙動を踏まえ、加熱時間を延ばし、融雪性能を高める改良に取り組む方針です。今後もデータを集め、材料の長期的な効果と、コンクリートの寿命をどの程度延ばせるかを調べる必要があります。
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暖房・冷房費を抑える方法を詳しく報告しました。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年のTRB年次総会では、LiDARを用いた融雪塩の在庫測定、塩の持続可能な利用、人工知能、道路摩擦のモデル化などが取り上げられました。このほか、データに基づく冬季路面状態の予測、転移学習と長短期記憶ニューラルネットワークによる舗装温度予測、冬季道路管理のデジタルツイン試作、道路気象技術の将来なども議論されました。
#2. Cargill
同社は道路や高速道路向けに、環境負荷と費用の低減を目指した冬季管理ソリューションを提供しています。製品には粒状の融雪剤、凍結防止剤、塩水の自動製造システムと添加剤、舗装の表面処理用ソリューションなどがあります。
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
この企業は航空機向けの除氷製品を提供しています。航空機除氷市場は、記事の公表時点から7年間で年平均5%成長し、18億3,000万ドル規模になると予測されていました。航空産業の大きい北米が成長をけん引すると見込まれ、除氷システムは安全な離着陸に重要な役割を果たします。
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
自己加熱コンクリートは、歩道、車の出入り口、橋の床版など、さまざまな舗装面への応用が期待される技術です。コンクリートの耐久性と寿命を高め、道路管理の作業費や材料費を削減できる可能性があります。融雪塩の使用を抑えることで、車両のさびや地下水の塩分汚染の軽減にもつながります。こうした研究は、インフラの維持と環境保護の両立に役立つと考えられます。
