高端混凝土：下雪天不結冰

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根據美國國家公路管理局的數據，全國每年在道路除雪除冰作業上花費高達23億美元，此外還要花費數百萬美元修復在寒冷天氣受損的道路。

而在位于美國費城的德雷塞爾大學校園里，有兩塊不起眼的30乘30英寸的石板，3年多來一直不需要鏟雪或者撒融雪鹽。德雷塞爾工程學院的研究人員3月18日在美國土木工程學會《土木工程材料雜志》報告了這種特殊混凝土背后的科學原理——其中混合了相變材料，因此可以在下雪或接近冰點時自行升溫。

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最左為普通混凝土，右邊兩塊為高端混凝土。圖片來源：德雷塞爾大學

在冬天，路面不斷經歷上凍、融化的循環，會導致混凝土表面膨脹和收縮，對其結構完整性造成壓力，并隨著時間的推移導致破壞性開裂和剝落。

德雷塞爾大學工程學院副教授Amir Farnam說：“延長道路等混凝土表面使用壽命的一種方法是幫助它們在冬季將表面溫度保持在冰點以上。我們的工作是研究如何在混凝土中加入特殊材料，幫助其在環境溫度下降時仍然保持較高的表面溫度。”

過去5年中，這一團隊一直在開發在寒冷天氣下具有彈性的混凝土混合物，但此前只是在受控的實驗室環境中，而最新成果證明了其在自然環境中的可行性。

他們采用高端高附加值的相變材料——5℃相變蠟來改造混凝土。普通液體石蠟的凝固點約為45℃，而5℃相變蠟在溫度低于5℃時從液體轉變為固體，在相變的同時釋放熱量。

研究人員設計了兩種改造方式。一種是在制作混凝土之前，將相變蠟摻入多孔的輕質骨料，然后再用吸收了石蠟的骨料制作混凝土；另一種是將微型蠟顆粒直接混合到混凝土中。

他們使用兩種方法各澆注了一塊混凝土板，同時用一塊普通混凝土板作為對照。自2021年12月以來，3塊混凝土板一直放置在戶外，之后的兩年總共發生了32次上凍和融化過程，還有5次2.5厘米以上的降雪。

通過長期監測，他們發現，當空氣溫度降至冰點以下時，通過第一種方式加工的混凝土板性能更優異——能夠在5~12℃之間保持長達10個小時；采用第二種方式的板加熱更快，但只能保持一半的升溫時間。

研究人員表示，這可能是由于孔隙使得相變材料更為分散，有助于相變蠟在低于5℃時依然保持液態，直到達到4℃時才會釋放熱能，材料的活性期更長。

協助領導這項研究的德雷塞爾大學工程學院博士生Robin Deb，通過相變材料改造的混凝土能夠有效融化降雪量小于每小時6厘米的雪，還可以在更大的雪時減緩結冰速度，提高交通運輸安全，延長公路使用壽命，尤其適合美國山區和東北部地區。

 相關論文信息：https://doi.org/10.1061/JMCEE7.MTENG-17048