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美研发自热混凝土,有望解决路面盐化问题

2024年3月23日7:15 未解之谜网

    2024年1月7日,一辆扫雪车正在清除马萨诸塞州梅休因街道上的积雪。(Joseph Prezioso / AFP)

    每当大雪来临,为防止路面结冰,不论是高速公路还是市区道路,都要洒上大量的融雪盐。然而,这种盐不但对路面和车辆的底盘造成腐蚀,给周围的植被也带来伤害。为了解决这一问题,美国一所大学研发出一种能自动融雪的混凝土,有望将来取代传统的水泥路面或柏油路面。

    融雪盐中的氯离子的腐蚀性很强,严重时可造成路面塌陷,出现大坑。长久使用,渗入地下的盐分也会污染地下水。据美国国家公路管理局估计,美国各州每年在除雪和除冰作业上的花费超过23亿美元,每年还花费数百万美元来修复冰雪造成的基础设施损坏。

    过去五年来,座落在费城市中心的拥有133年历史的德雷塞尔大学(Drexel University)团队一直在开发耐寒冷天气的混凝土,目标是减少道路和其它混凝土表面的冻结、解冻和盐化侵蚀。

    他们把低温相变材料(PCM)加入混凝土中,成功开发出一种能“自动加热”的混凝土,可在低温下融化积雪。该研究成果今年3月18日发表在《土木工程材料学报》上。

    PCM材料分有机、无机和共晶等多种形式,可根据客户需求调整配方,让材料相变过程中释放或吸收大量热能,以实现有效的温度调节。因此,用这种加入PCM的自热混凝土铺设路面,可自行融化冰雪,减少冰融循环(冰雪溶化又结冻)。

    德雷塞尔大学工程学院副教授阿米尔·法纳姆(Amir Farnam)对该校的新闻室表示,“防止冻结和解冻以及减少融雪盐的使用,是防止路面恶化和延长道路使用寿命的好方法。因此,我们的工作是研究如何在混凝土中加入特殊材料,帮助混凝土在冬季依然能保持高于冰点的温度。”

    所谓冰点即0°C(32°F)。该团队将混凝土加入“低温液体石蜡(正十四烷)”制成“自热混凝土”。让混凝土在环境温度降至0°C左右时,内部的液体石蜡能从室温状态(液体)转变成固体将释放热量,使它上方的冰雪融化。整个过程不需借助电和其它外力,只需要吸收白天周围的热能即可。

    实验中,研究人员先将“低温液体石蜡”和多孔轻质骨材(混凝土成分中的鹅卵石和小石头碎片)浸泡和离心出多余的石蜡,再混入混凝土制成自热混凝土(PCM-LWA);又把大量30微米的石蜡微胶囊,均匀混入混凝土制成另一种自热混凝土(MPPCM)。然后和普通混凝土进行比对。

    研究人员将这三种混凝土做成长度76.2厘米、宽76.2厘米、高20.3厘米的水泥块放置到户外,并用摄影机和热感测器监测它们的温度和融化冰雪的过程。这个测试耗时2年多,共经历了32次冻融,及5次大降雪。

    结果显示,PCM-LWA混凝土在维持加热方面表现最好。当它在气温降至冰点以下时,其表面温度可以保持在42°F至55°F(5.5°C至12.80°C)长达10小时,而产生的总热量足以融化几英寸厚的雪(约每小时融化0.65厘米)。

    而MPPCM虽然比PCM-LWA加热更快,但维持升温时间只有一半左右,且在寿命和环境温度适应上要比PCM-LWA差。因此研究人员认为PCM-LWA材料要比MPPCM更适合成为解决冻融循环的候选材料。

    法纳姆教授说,“目前我们已经证明,我们开发的自加热混凝土只需要利用白天的环境热能,就能自行融化积雪,且过程不需要盐、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。”

    参与这项研究的工程学院博士生罗宾·德布(Robin Deb)则表示,“冻融循环、极端冷却(低于冰点)和变暖的时期,可能导致马路出现膨胀和收缩,这对其结构可能造成破坏,严重会导致龟裂和剥落的现象。虽然这种材料可能无法让马路的结构退化问题完全消失,但却可以避免马路的内部继续恶化下去。”

    德布解释说,“我们发现用自热混凝土,虽然无法完全融化大于2英寸厚的积雪,但却可以非常有效地融化不到2英寸的降雪,且只要雪积聚在PCM做的马路时,它就会逐渐释放热量去除路面上的冰。”

    研究团队计划持续收集这些混凝土的融化数据,以了解相变材料的长期有效性。同时他们将继续优化这种材料,以使材料加热时间更长,延长混凝土的使用寿命,最后使其市场化。

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