德雷塞爾大學(xué)校園里有一塊混凝土，它可能預(yù)示著東北部人行道和公路無霜的未來。在大學(xué)設(shè)施車輛停車場旁邊不起眼的地方，有兩塊 30 英寸乘 30 英寸的石板，三年多來一直在自行抵御積雪、雨夾雪和凍雨，無需鏟雪、撒鹽或刮水。德雷塞爾工程學(xué)院的研究人員最近報告了這種特殊混凝土背后的科學(xué)原理，這種混凝土可以在下雪或氣溫接近冰點時自動升溫。
自加熱混凝土的優(yōu)點
據(jù)美國國家公路管理局估計，美國北部各州每年花費(fèi) 23 億美元用于除冰雪作業(yè)，并花費(fèi)數(shù)百萬美元用于修復(fù)因冬季天氣而受損的道路。
工程學(xué)院副教授阿米爾-法納姆（Amir Farnam）博士說："延長道路等混凝土表面使用壽命的方法之一，就是幫助它們在冬季保持高于冰點的表面溫度。防止冰凍和融化，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(huán)境溫度降低時保持較高的表面溫度。"
德雷克塞爾大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種混凝土，當(dāng)氣溫下降時，這種混凝土可以自行升溫，以融化冰雪。資料來源：德雷塞爾大學(xué)
過去五年來，德雷克塞爾大學(xué)團(tuán)隊一直在開發(fā)耐寒混凝土混合物，目的是減少侵蝕道路和其他混凝土表面的凍結(jié)、解凍和撒鹽。到目前為止，他們的自熱混凝土--他們以前曾報告過這種混凝土可以融化積雪并在較長時間內(nèi)防止或減緩冰的形成--還只是在受控實驗室環(huán)境中取得了成功。在最近發(fā)表在美國土木工程學(xué)會《土木工程材料期刊》上的一篇論文中，該研究小組邁出了重要的一步，證明了自熱混凝土在自然環(huán)境中的可行性。
法納姆說："我們已經(jīng)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(huán)境熱能--而且不需要鹽、鏟子或加熱系統(tǒng)的幫助。這種自加熱混凝土適用于美國的山區(qū)和北部地區(qū)，如賓夕法尼亞州東北部和費(fèi)城，那里冬季有合適的供暖和制冷周期。"
混凝土變暖的機(jī)理
混凝土升溫的秘密在于低溫液態(tài)石蠟，它是一種相變材料，也就是說，當(dāng)溫度降低時，它從室溫狀態(tài)（液態(tài)）轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，就會釋放熱量。在之前的一篇論文中，該研究小組報告說，在混凝土中加入液態(tài)石蠟會在溫度降低時引發(fā)加熱。他們的最新研究考察了在混凝土板中加入相變材料的兩種方法，以及每種方法在室外寒冷環(huán)境中的表現(xiàn)。
其中一種方法是用石蠟處理多孔輕質(zhì)骨料（即混凝土中的鵝卵石和小石塊）。骨料吸收液態(tài)石蠟后再混入混凝土中。另一種方法是將石蠟微膠囊直接混入混凝土中。
德雷塞爾大學(xué)的研究人員對含有相變材料的混凝土板進(jìn)行了測試，這種材料可以在氣溫下降時自我升溫，從而融化冰雪。[從左至右：參考板、含有用相變材料處理過的輕質(zhì)骨料的板、含有微膠囊相變材料的板。］資料來源：德雷塞爾大學(xué)
研究人員使用每種方法澆筑了一塊石板，并澆筑了不含任何相變材料的第三塊石板作為對照。自 2021 年 12 月以來，所有三塊板都一直暴露在室外。在最初的兩年里，他們一共經(jīng)歷了 32 次凍融事件--溫度降到冰點以下，無論降水量如何--以及 5 次一英寸或更大的降雪。
研究人員使用攝像機(jī)和熱傳感器監(jiān)測石板的溫度和冰雪消融情況。他們報告說，在氣溫降至零度以下的情況下，相變石板的表面溫度仍能保持在 42 至 55華氏度之間長達(dá) 10 小時。
這種加熱足以融化幾英寸厚的積雪，融雪速度約為每小時四分之一英寸。雖然這樣的溫度可能不足以在需要鏟雪車之前融化一場大雪，但它可以幫助路面除冰，即使在大雪天氣也能提高交通安全。
保持足夠的溫暖
研究人員表示，防止地表降到冰點以下對防止老化也大有裨益。
工程學(xué)院的博士生羅賓-德布（Robin Deb）說："凍融循環(huán)，即極度降溫（低于冰點）和升溫，會導(dǎo)致表面尺寸膨脹和收縮，從而對其結(jié)構(gòu)完整性造成壓力，并隨著時間的推移造成破壞性開裂和剝落，"他幫助領(lǐng)導(dǎo)了這項研究。
工程學(xué)院博士生羅賓-德布說："雖然單憑這一點可能不會使結(jié)構(gòu)退化到失效的地步，但它會造成一種脆弱性，導(dǎo)致我們需要避免的內(nèi)部劣化問題。其中一個很有希望的發(fā)現(xiàn)是，使用相變材料的樓板在面臨環(huán)境溫度下降時，能夠?qū)囟确€(wěn)定在冰點以上"。
慢而穩(wěn)
總體而言，經(jīng)過處理的輕質(zhì)骨料板在持續(xù)加熱方面表現(xiàn)更佳--可在冰點以上保持溫度長達(dá) 10 個小時，而使用微膠囊相變材料的骨料板升溫更快，但保持升溫的時間只有后者的一半。研究人員認(rèn)為，這是由于相變材料在聚合體孔隙中相對分散，而微膠囊內(nèi)的相變材料則相對集中--這種現(xiàn)象已被廣泛研究。
他們還注意到，骨料的多孔性可能是石蠟在通常的華氏 42 度冰點溫度以下保持液態(tài)的原因。事實證明，這有利于板坯的性能，因為當(dāng)溫度開始下降時，材料不會立即釋放熱能，而是一直保持到材料溫度達(dá)到華氏 39 度時才釋放。相比之下，微膠囊石蠟在溫度達(dá)到 42 華氏度時就開始釋放熱能，因此活化期相對較短。
Farnam 說："我們的研究結(jié)果表明，經(jīng)過相變材料處理的輕質(zhì)骨料混凝土更適合在零度以下的溫度條件下應(yīng)用于除冰，因為它能在更寬的溫度范圍內(nèi)逐步釋放熱量。"
改進(jìn)空間
雖然這兩種應(yīng)用都能將混凝土的溫度提高到 53 至 55 華氏度之間，但這足以融化積雪。它們的性能受降雪前的環(huán)境氣溫和降雪量的影響。
"我們發(fā)現(xiàn)，加入 PCM 的路面無法完全融化大于 2 英寸的積雪，"德布說。"不過，它能有效融化小于兩英寸的積雪。融入 PCM 的路面在積雪開始融化時就開始融化。逐漸釋放的熱量可以有效地為路面除冰，這樣就不需要在大雪來臨之前預(yù)先撒鹽了。"
他們還指出，如果相變材料在凍融或降雪事件之間沒有足夠的時間通過升溫來"充電"，從而恢復(fù)到液態(tài)，那么它的性能可能會降低。
"開展這項研究是我們了解含有相變材料的混凝土在自然界中表現(xiàn)的重要一步，"德布說。"有了這些發(fā)現(xiàn)，我們將能夠繼續(xù)改進(jìn)該系統(tǒng)，以便有朝一日對其進(jìn)行優(yōu)化，使其加熱時間更長，熔化程度更高。但令人鼓舞的是，我們看到了凍融循環(huán)顯著減少的證據(jù)，這表明與傳統(tǒng)混凝土相比，PCM 混凝土的凍融耐久性更強(qiáng)"。
研究小組計劃繼續(xù)收集樓板數(shù)據(jù)，以了解相變材料的長期有效性，并研究這種方法如何延長混凝土的使用壽命。
