德雷塞尔大学校园里有一块混凝土，它可能预示着东北部人行道和公路无霜的未来。在大学设施车辆停车场旁边不起眼的地方，有两块 30 英寸乘 30 英寸的石板，三年多来一直在自行抵御积雪、雨夹雪和冻雨，无需铲雪、撒盐或刮水。德雷塞尔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，这种混凝土可以在下雪或气温接近冰点时自动升温。
自加热混凝土的优点
据美国国家公路管理局估计，美国北部各州每年花费 23 亿美元用于除冰雪作业，并花费数百万美元用于修复因冬季天气而受损的道路。
工程学院副教授阿米尔-法纳姆（Amir Farnam）博士说："延长道路等混凝土表面使用寿命的方法之一，就是帮助它们在冬季保持高于冰点的表面温度。防止冰冻和融化，减少犁地和撒盐的需要，是防止路面老化的好方法。因此，我们的工作是研究如何在混凝土中加入特殊材料，帮助混凝土在周围环境温度降低时保持较高的表面温度。"
德雷克塞尔大学的研究人员开发出一种混凝土，当气温下降时，这种混凝土可以自行升温，以融化冰雪。资料来源：德雷塞尔大学
过去五年来，德雷克塞尔大学团队一直在开发耐寒混凝土混合物，目的是减少侵蚀道路和其他混凝土表面的冻结、解冻和撒盐。到目前为止，他们的自热混凝土--他们以前曾报告过这种混凝土可以融化积雪并在较长时间内防止或减缓冰的形成--还只是在受控实验室环境中取得了成功。在最近发表在美国土木工程学会《土木工程材料期刊》上的一篇论文中，该研究小组迈出了重要的一步，证明了自热混凝土在自然环境中的可行性。
法纳姆说："我们已经证明，我们的自热混凝土能够自行融化积雪，只利用白天的环境热能--而且不需要盐、铲子或加热系统的帮助。这种自加热混凝土适用于美国的山区和北部地区，如宾夕法尼亚州东北部和费城，那里冬季有合适的供暖和制冷周期。"
混凝土变暖的机理
混凝土升温的秘密在于低温液态石蜡，它是一种相变材料，也就是说，当温度降低时，它从室温状态（液态）转变为固态，就会释放热量。在之前的一篇论文中，该研究小组报告说，在混凝土中加入液态石蜡会在温度降低时引发加热。他们的最新研究考察了在混凝土板中加入相变材料的两种方法，以及每种方法在室外寒冷环境中的表现。
其中一种方法是用石蜡处理多孔轻质骨料（即混凝土中的鹅卵石和小石块）。骨料吸收液态石蜡后再混入混凝土中。另一种方法是将石蜡微胶囊直接混入混凝土中。
德雷塞尔大学的研究人员对含有相变材料的混凝土板进行了测试，这种材料可以在气温下降时自我升温，从而融化冰雪。[从左至右：参考板、含有用相变材料处理过的轻质骨料的板、含有微胶囊相变材料的板。］资料来源：德雷塞尔大学
研究人员使用每种方法浇筑了一块石板，并浇筑了不含任何相变材料的第三块石板作为对照。自 2021 年 12 月以来，所有三块板都一直暴露在室外。在最初的两年里，他们一共经历了 32 次冻融事件--温度降到冰点以下，无论降水量如何--以及 5 次一英寸或更大的降雪。
研究人员使用摄像机和热传感器监测石板的温度和冰雪消融情况。他们报告说，在气温降至零度以下的情况下，相变石板的表面温度仍能保持在 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积雪，融雪速度约为每小时四分之一英寸。虽然这样的温度可能不足以在需要铲雪车之前融化一场大雪，但它可以帮助路面除冰，即使在大雪天气也能提高交通安全。
保持足够的温暖
研究人员表示，防止地表降到冰点以下对防止老化也大有裨益。
工程学院的博士生罗宾-德布（Robin Deb）说："冻融循环，即极度降温（低于冰点）和升温，会导致表面尺寸膨胀和收缩，从而对其结构完整性造成压力，并随着时间的推移造成破坏性开裂和剥落，"他帮助领导了这项研究。
工程学院博士生罗宾-德布说："虽然单凭这一点可能不会使结构退化到失效的地步，但它会造成一种脆弱性，导致我们需要避免的内部劣化问题。其中一个很有希望的发现是，使用相变材料的楼板在面临环境温度下降时，能够将温度稳定在冰点以上"。
慢而稳
总体而言，经过处理的轻质骨料板在持续加热方面表现更佳--可在冰点以上保持温度长达 10 个小时，而使用微胶囊相变材料的骨料板升温更快，但保持升温的时间只有后者的一半。研究人员认为，这是由于相变材料在聚合体孔隙中相对分散，而微胶囊内的相变材料则相对集中--这种现象已被广泛研究。
他们还注意到，骨料的多孔性可能是石蜡在通常的华氏 42 度冰点温度以下保持液态的原因。事实证明，这有利于板坯的性能，因为当温度开始下降时，材料不会立即释放热能，而是一直保持到材料温度达到华氏 39 度时才释放。相比之下，微胶囊石蜡在温度达到 42 华氏度时就开始释放热能，因此活化期相对较短。
Farnam 说："我们的研究结果表明，经过相变材料处理的轻质骨料混凝土更适合在零度以下的温度条件下应用于除冰，因为它能在更宽的温度范围内逐步释放热量。"
改进空间
虽然这两种应用都能将混凝土的温度提高到 53 至 55 华氏度之间，但这足以融化积雪。它们的性能受降雪前的环境气温和降雪量的影响。
"我们发现，加入 PCM 的路面无法完全融化大于 2 英寸的积雪，"德布说。"不过，它能有效融化小于两英寸的积雪。融入 PCM 的路面在积雪开始融化时就开始融化。逐渐释放的热量可以有效地为路面除冰，这样就不需要在大雪来临之前预先撒盐了。"
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通过升温来"充电"，从而恢复到液态，那么它的性能可能会降低。
"开展这项研究是我们了解含有相变材料的混凝土在自然界中表现的重要一步，"德布说。"有了这些发现，我们将能够继续改进该系统，以便有朝一日对其进行优化，使其加热时间更长，熔化程度更高。但令人鼓舞的是，我们看到了冻融循环显著减少的证据，这表明与传统混凝土相比，PCM 混凝土的冻融耐久性更强"。
研究小组计划继续收集楼板数据，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。
