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(wú)霜的未來(lái)。在大學(xué)設(shè)施車輛停車場(chǎng)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(lái)一直在自行抵御積雪、雨夾雪和凍雨，無(wú)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(bào)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(diǎn)時(shí)自動(dòng)升溫。
自加熱混凝土的優(yōu)點(diǎn)
據(jù)美國(guó)國(guó)家公路管理局估計(jì)，美國(guó)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(wàn)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(shuō)："延長(zhǎng)道路等混凝土表面使用壽命的方法之一，就是幫助它們?cè)诙颈３指哂诒c(diǎn)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(shí)保持較高的表面溫度。"
德雷克塞爾大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種混凝土，當(dāng)氣溫下降時(shí)，這種混凝土可以自行升溫，以融化冰雪。資料來(lái)源：德雷塞爾大學(xué)
過(guò)去五年來(lái)，德雷克塞爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)一直在開(kāi)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(bào)告過(guò)這種混凝土可以融化積雪并在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)防止或減緩冰的形成--還只是在受控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中取得了成功。在最近發(fā)表在美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)《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(shuō)："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(guó)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(shuō)，當(dāng)溫度降低時(shí)，它從室溫狀態(tài)（液態(tài)）轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，就會(huì)釋放熱量。在之前的一篇論文中，該研究小組報(bào)告說(shuō)，在混凝土中加入液態(tài)石蠟會(huì)在溫度降低時(shí)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(duì)含有相變材料的混凝土板進(jìn)行了測(cè)試，這種材料可以在氣溫下降時(shí)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(guò)的輕質(zhì)骨料的板、含有微膠囊相變材料的板。］資料來(lái)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(duì)照。自 2021 年 12 月以來(lái)，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(diǎn)以下，無(wú)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(cè)石板的溫度和冰雪消融情況。他們報(bào)告說(shuō)，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(zhǎng)達(dá) 10 小時(shí)。
這種加熱足以融化幾英寸厚的積雪，融雪速度約為每小時(shí)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(chǎng)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(diǎn)以下對(duì)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(shuō)："凍融循環(huán)，即極度降溫（低于冰點(diǎn)）和升溫，會(huì)導(dǎo)致表面尺寸膨脹和收縮，從而對(duì)其結(jié)構(gòu)完整性造成壓力，并隨著時(shí)間的推移造成破壞性開(kāi)裂和剝落，"他幫助領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。
工程學(xué)院博士生羅賓-德布說(shuō)："雖然單憑這一點(diǎn)可能不會(huì)使結(jié)構(gòu)退化到失效的地步，但它會(huì)造成一種脆弱性，導(dǎo)致我們需要避免的內(nèi)部劣化問(wèn)題。其中一個(gè)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(shí)，能夠?qū)囟确€(wěn)定在冰點(diǎn)以上"。
慢而穩(wěn)
總體而言，經(jīng)過(guò)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(diǎn)以上保持溫度長(zhǎng)達(dá) 10 個(gè)小時(shí)，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(shí)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(duì)分散，而微膠囊內(nèi)的相變材料則相對(duì)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(diǎn)溫度以下保持液態(tài)的原因。事實(shí)證明，這有利于板坯的性能，因?yàn)楫?dāng)溫度開(kāi)始下降時(shí)，材料不會(huì)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(shí)才釋放。相比之下，微膠囊石蠟在溫度達(dá)到 42 華氏度時(shí)就開(kāi)始釋放熱能，因此活化期相對(duì)較短。
Farnam 說(shuō)："我們的研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)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?yàn)樗茉诟鼘挼臏囟确秶鷥?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(wú)法完全融化大于 2 英寸的積雪，"德布說(shuō)。"不過(guò)，它能有效融化小于兩英寸的積雪。融入 PCM 的路面在積雪開(kāi)始融化時(shí)就開(kāi)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(lái)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(méi)有足夠的時(shí)間通過(guò)升溫來(lái)"充電"，從而恢復(fù)到液態(tài)，那么它的性能可能會(huì)降低。
"開(kāi)展這項(xiàng)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(shuō)。"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(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，使其加熱時(shí)間更長(zhǎng)，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(jì)劃繼續(xù)收集樓板數(shù)據(jù)，以了解相變材料的長(zhǎng)期有效性，并研究這種方法如何延長(zhǎng)混凝土的使用壽命。
