自热混凝土距离铲雪机和盐的淘汰又近了一步

德雷塞尔大学校园里有一块混凝土，可能预示着东北部人行道和高速公路将迎来无霜的未来。两块30英寸x30英寸的石板隐蔽地藏在大学设施车辆的停车场旁边，在过去的三年多时间里，它们一直在自行抵御雪、雨夹雪和冻雨，无需铲土、撒盐或刮擦。年。德雷克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温度接近冰点时自行升温。

像Drexel一样，自热混凝土是持续努力创建更具环境响应性和弹性的基础设施的最新成果，特别是在美国北部地区，国家公路管理局估计各州在除雪和除冰作业上花费了23亿美元每年都有数百万人修复因冬季天气而损坏的道路。

“延长道路等混凝土表面使用寿命的一种方法是帮助它们在冬季保持表面温度高于冰点，”工程学院副教授AmirFarnam博士说，他的先进基础设施材料实验室一直主导该研究。“防止冰冻和解冻以及减少耕作和盐腌的需要是防止表面恶化的好方法。因此，我们的工作是研究如何在混凝土中加入特殊材料，以帮助混凝土在周围环境温度下降时保持较高的表面温度。”

过去五年来，德雷克塞尔团队一直在开发耐寒冷天气的混凝土混合物，目标是减少对道路和其他混凝土表面的冻结、解冻和盐化侵蚀。到目前为止，他们的自热混凝土的成功——他们之前报道过这种混凝土可以融化雪并在较长时间内防止或减缓冰的形成——仅在受控的实验室环境中取得成功。在最近发表在美国土木工程学会土木工程材料杂志上的一篇论文中，该小组迈出了证明其在自然环境中的可行性的重要一步。

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，仅利用环境中的白天热能，并且不需要盐、铲子或加热系统的帮助。”“这种自热混凝土适用于美国山区和北部地区，例如宾夕法尼亚州东北部和费城，这些地方在冬季有合适的供暖和制冷循环。”

热烈欢迎

混凝土变暖的秘密是低温液体石蜡，它是一种相变材料，这意味着当温度下降时，它从室温状态(液体)转变为固体时会释放热量。在之前的一篇论文中，该小组报告称，当温度下降时，将液体石蜡掺入混凝土中会引发加热。他们的最新研究着眼于将相变材料融入混凝土板的两种方法，以及每种方法在寒冷的室外表现如何。

一种方法涉及用石蜡处理多孔轻质骨料(混凝土成分中的鹅卵石和小石头碎片)。骨料在混合到混凝土中之前吸收液体石蜡。另一种策略是将石蜡微胶囊直接混合到混凝土中。

元素测试

研究人员使用每种方法浇筑了一块板，并在没有任何相变材料的情况下浇筑了第三块板，作为对照。自2021年12月以来，这三人都一直在户外。在头两年里，他们总共经历了32次冻融事件(无论降水量如何，气温都会降至冰点以下)，以及五次一英寸或以上的降雪。

研究人员使用摄像机和热传感器监测了厚板的温度以及冰雪融化行为。他们报告称，当气温降至冰点以下时，相变板可将表面温度保持在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雪，每小时融化四分之一英寸的雪。虽然气温可能不足以在需要犁雪之前融化大雪，但它可以帮助路面除冰并提高交通安全，即使是在大雪天气中也是如此。

保持足够温暖

研究人员表示，简单地防止表面降至冰点以下对于防止恶化也大有帮助。

“冻融循环、极端冷却(低于冰点)和变暖的时期，可能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，并可能随着时间的推移导致破坏性的开裂和剥落，”罗宾·德布(RobinDeb)说是工程学院的博士生，他帮助领导了这项研究。“虽然仅此一点可能不会使结构退化到故障的程度，但它会产生一个漏洞，导致我们需要避免的内部恶化问题。其中一项有希望的发现是，当环境温度下降时，采用相变材料的板能够将温度稳定在冰点以上。”

缓慢而稳定

总体而言，经过处理的轻质骨料板在维持加热方面表现更好——将温度保持在冰点以上长达10小时——而采用微胶囊相变材料的板能够更快地加热，但只能维持升温的一半。长的。研究人员认为，这是由于相变材料在聚集体孔隙内的相对分布，与微胶囊内相变材料的浓度相比，这种现象已被广泛研究。

他们还指出，骨料的孔隙率可能导致石蜡在低于42华氏度的通常冰点温度时仍保持液态。事实证明，这对板坯的性能有利，因为当温度开始下降时，材料不会立即释放热能，而是会一直释放热能，直到材料达到39华氏度。相比之下，微胶囊石蜡在温度达到42度时就开始释放其升温能量，这导致其活化时间相对较短。

“我们的研究结果表明，经过相变材料处理的轻骨料混凝土更适合零度以下温度下的除冰应用，因为它在更广泛的温度范围内逐渐释放热量，”法纳姆说。

改进空间

虽然这两种应用都能够将混凝土的温度提高到53到55华氏度之间，这足以融化积雪。他们的表现受到降雪前的环境气温和降雪速度的影响。

“我们发现，采用PCM的路面无法完全融化积雪——大于2英寸，”Deb说。“然而，它可以非常有效地融化不到两英寸的降雪。一旦积雪开始积聚，采用PCM的板就会开始融化。逐渐释放的热量可以有效地对路面进行除冰，这样就无需在大雪到来之前预先撒盐。”

他们还指出，如果相变材料没有足够的时间“充电”，在冻融或降雪事件之间升温到足以恢复液态，那么其性能可能会下降。

Deb说：“进行这项研究是我们了解掺入相变材料的混凝土在自然界中如何表现的重要一步。”“有了这些发现，我们将能够继续改进系统，有一天对其进行优化，以实现更长时间的加热和更大的熔化。但令人鼓舞的是，看到冻融周期显着减少的证据，这表明PCM混凝土比传统混凝土更耐冻融。”

该团队计划继续收集混凝土板上的数据，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。