高端混凝土：下雪天不结冰
根据美国国家公路管理局的数据，全国每年在道路除雪除冰作业上花费高达23亿美元，此外还要花费数百万美元修复在寒冷天气受损的道路。
而在位于美国费城的德雷塞尔大学校园里，有两块不起眼的30乘30英寸的石板，3年多来一直不需要铲雪或者撒融雪盐。德雷塞尔工程学院的研究人员3月18日在美国土木工程学会《土木工程材料杂志》报告了这种特殊混凝土背后的科学原理——其中混合了相变材料，因此可以在下雪或接近冰点时自行升温。
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最左为普通混凝土，右边两块为高端混凝土。图片来源：德雷塞尔大学
在冬天，路面不断经历上冻、融化的循环，会导致混凝土表面膨胀和收缩，对其结构完整性造成压力，并随着时间的推移导致破坏性开裂和剥落。
德雷塞尔大学工程学院副教授Amir Farnam说：“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将表面温度保持在冰点以上。我们的工作是研究如何在混凝土中加入特殊材料，帮助其在环境温度下降时仍然保持较高的表面温度。”
过去5年中，这一团队一直在开发在寒冷天气下具有弹性的混凝土混合物，但此前只是在受控的实验室环境中，而最新成果证明了其在自然环境中的可行性。
他们采用高端高附加值的相变材料——5℃相变蜡来改造混凝土。普通液体石蜡的凝固点约为45℃，而5℃相变蜡在温度低于5℃时从液体转变为固体，在相变的同时释放热量。
研究人员设计了两种改造方式。一种是在制作混凝土之前，将相变蜡掺入多孔的轻质骨料，然后再用吸收了石蜡的骨料制作混凝土；另一种是将微型蜡颗粒直接混合到混凝土中。
他们使用两种方法各浇注了一块混凝土板，同时用一块普通混凝土板作为对照。自2021年12月以来，3块混凝土板一直放置在户外，之后的两年总共发生了32次上冻和融化过程，还有5次2.5厘米以上的降雪。
通过长期监测，他们发现，当空气温度降至冰点以下时，通过第一种方式加工的混凝土板性能更优异——能够在5~12℃之间保持长达10个小时；采用第二种方式的板加热更快，但只能保持一半的升温时间。
研究人员表示，这可能是由于孔隙使得相变材料更为分散，有助于相变蜡在低于5℃时依然保持液态，直到达到4℃时才会释放热能，材料的活性期更长。
协助领导这项研究的德雷塞尔大学工程学院博士生Robin Deb，通过相变材料改造的混凝土能够有效融化降雪量小于每小时6厘米的雪，还可以在更大的雪时减缓结冰速度，提高交通运输安全，延长公路使用寿命，尤其适合美国山区和东北部地区。
相关论文信息：https://doi.org/10.1061/JMCEE7.MTENG-17048
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