自加热混凝土离取代铲雪和盐一步之遥

德雷塞尔大学校园上的一小片混凝土可能预示着东北部的人行道和高速公路有望迎来一个无霜的未来。在该校设施车辆停车场旁的一个不显眼的角落里，两块30英寸×30英寸的混凝土板已经自行抵御了雪、冰雨和严寒三年多的时间，而无需铲雪、撒盐或刮除。德雷塞尔大学工程学院的研究人员最近报告了这种特殊混凝土背后的科学原理，即当下雪或气温接近冰点时，它可以自我加热。

像德雷塞尔大学开发的这种自加热混凝土是持续努力打造更环保、更具抗灾能力的基础设施的最新成果，特别是在美国北部地区。美国国家公路管理局估计，各州每年在清雪和除冰作业上花费23亿美元，并为修复因冬季天气损坏的道路花费数百万美元。

研究人员在过去五年内一直致力于开发耐寒混凝土配方，目标是减少对道路和其他混凝土表面产生侵蚀的冻融作用以及撒盐的需求。他们最近发表在《美国土木工程协会材料与土木工程期刊》上的一篇论文中取得了重要进展，证明了自加热混凝土在自然环境中的可行性。

这种混凝土的秘密在于低温液体石蜡，它是一种相变材料，意味着当温度下降时，从室温状态（液体）转变为固体时会释放热量。研究人员此前曾报道，将液体石蜡混入混凝土中可以在温度下降时触发加热。他们最新的研究探讨了两种在混凝土板中添加相变材料的方法及其在寒冷环境中的表现。

一种方法是对多孔轻质骨料进行处理，将石蜡吸入骨料中，然后再将其混入混凝土中。另一种策略是将微胶囊石蜡直接混入混凝土中。

研究人员分别采用这两种方法浇注了两块混凝土板，并设置了一块不含任何相变材料的混凝土作为对照。自2021年12月以来，这三块混凝土板一直置于户外环境中。在前两年中，它们共经历了32次冻融事件——无论是否降水，气温都会下降到冰点以下——以及5次1英寸或更多的降雪。

研究人员通过摄像头和热传感器监测了这些混凝土板的温度和雪、冰的融化情况。他们报告说，含相变材料的混凝土板在气温下降到冰点以下时可以保持表面温度在42至55华氏度之间长达10小时。

这种加热足以融化几英寸厚的雪，速度约为每小时融化约四分之一英寸的雪。虽然这可能还不足以在需要使用除雪机之前融化大雪，但它可以帮助除冰并提高交通安全，即使在大雪天气中也是如此。

简单地防止表面温度下降到冰点以下对于防止混凝土表面受损来说也是非常重要的。

总的来说，经过处理的轻质骨料混凝土板在保持加热方面表现更好——可以在气温下降到冰点以下时将温度保持在冰点以上长达10小时——而含微囊相变材料的混凝土板能够更快地加热，但只能保持加热时间的一半。研究人员认为这是由于相变材料在骨料孔隙中的相对分散程度相对于微囊中的相变材料的浓度——这是一个已经广泛研究的现象。

他们还指出，骨料的多孔性可能有助于石蜡保持在其通常的冰点以下的液体状态。这对混凝土板的性能非常有益，因为这种材料在温度开始下降时并不会立即释放热能——它会将热能保存到达39华氏度时才释放。相比之下，微囊石蜡一旦温度达到了42华氏度，就开始释放其加热能量，这导致了它相对较短的激活周期。

他们还指出，如果相变材料在冻融或降雪事件之间没有足够的时间“充电”，使其温度升高以返回液态状态，那么其性能可能会受到影响。

研究小组计划继续收集有关混凝土板的数据，以了解相变材料的长期有效性，并研究这种方法如何延长混凝土的使用寿命。