德雷塞爾大學校園裡有一塊混凝土，它可能預示著東北人行道和公路無霜的未來。在大學設施車輛停車場旁不起眼的地方，有兩塊30 英寸乘30 英寸的石板，三年多來一直在自行抵禦積雪、雨夾雪和凍雨，無需鏟雪、撒鹽或刮水。德雷塞爾工程學院的研究人員最近報告了這種特殊混凝土背後的科學原理，這種混凝土可以在下雪或氣溫接近冰點時自動升溫。

自加熱混凝土的優點

根據美國國家公路管理局估計，美國北部各州每年花費23 億美元用於除冰雪作業，並花費數百萬美元修復因冬季天氣而受損的道路。

工程學院副教授阿米爾-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於冰點的表面溫度。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境溫度降低時保持較高的表面溫度。”

德雷塞爾大學的研究人員開發出一種混凝土，當氣溫下降時，混凝土可以自行升溫，以融化冰雪。資料來源：德雷塞爾大學

過去五年來，德雷塞爾大學團隊一直在開發耐寒混凝土混合物，目的是減少侵蝕道路和其他混凝土表面的凍結、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並在較長時間內防止或減緩冰的形成–還只是在受控實驗室環境中取得了成功。在最近發表在美國土木工程學會《土木工程材料期刊》上的一篇論文中，研究小組邁出了重要的一步，證明了自熱混凝土在自然環境中的可行性。

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。這種自加熱混凝土適用於美國的山區和北部地區，如賓夕法尼亞州東北部和費城，那裡冬季有合適的供暖和製冷週期。”

混凝土變暖的機理

混凝土升溫的秘密在於低溫液態石蠟，它是一種相變材料，也就是說，當溫度降低時，它從室溫狀態（液態）轉變為固態，就會釋放熱量。在先前的論文中，研究小組報告說，在混凝土中加入液態石蠟會在溫度降低時引發加熱。他們的最新研究考察了在混凝土板中添加相變材料的兩種方法，以及每種方法在戶外寒冷環境中的表現。

其中一種方法是用石蠟處理多孔輕質骨材（即混凝土中的鵝卵石和小石塊）。骨材吸收液態石蠟後混入混凝土中。另一種方法是將石蠟微膠囊直接混入混凝土中。

德雷塞爾大學的研究人員對含有相變材料的混凝土板進行了測試，這種材料可以在氣溫下降時自我升溫，從而融化冰雪。 [由左至右：參考板、含有相變材料處理過的輕質骨材的板、含有微膠囊相變材料的板。 ］資料來源：德雷塞爾大學

研究人員使用每種方法澆築了一塊石板，並澆築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。在最初的兩年裡，他們一共經歷了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。

研究人員使用攝影機和熱感測器監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華氏42 至55度之間長達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。

工程學院的博士生羅賓-德布（Robin Deb）說：”凍融循環，即極度降溫（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，”他幫助領導了這項研究。

工程學院博士生羅賓-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劣化問題。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”。

慢而穩

整體而言，經過處理的輕質骨材板在持續加熱方面表現更佳–可在冰點以上保持溫度長達10 個小時，而使用微膠囊相變材料的骨材板升溫更快，但保持升溫的時間只有後者的一半。研究人員認為，這是由於相變材料在聚合體孔隙中相對分散，而微膠囊內的相變材料則相對集中–這種現像已被廣泛研究。

他們還注意到，骨材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的原因。事實證明，這有利於板坯的性能，因為當溫度開始下降時，材料不會立即釋放熱能，而是一直保持到材料溫度達到華氏39 度時才釋放。相較之下，微膠囊石蠟在溫度達到華氏42 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，因為它能在更寬的溫度範圍內逐步釋放熱量。”

改進空間

雖然這兩種應用都能將混凝土的溫度提高到華氏53 至55 度之間，但這足以融化積雪。它們的性能受降雪前的環境氣溫和降雪量的影響。

“我們發現，加入PCM 的路面無法完全融化大於2 英吋的積雪，」德布說。 “不過，它能有效融化小於兩英寸的積雪。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”，從而恢復到液態，那麼它的性能可能會降低。

“進行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的重要一步，」德布說。 “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，熔化程度更高。但令人鼓舞的是，我們看到了凍融循環顯著減少的證據，這表明與傳統混凝土相比，PCM 混凝土的凍融耐久性更強”。

研究小組計劃繼續收集樓板數據，以了解相變材料的長期有效性，並研究這種方法如何延長混凝土的使用壽命。

編譯自: ScitechDaily