美研發自熱混凝土 有望解決路麵鹽化問題

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      每當大雪來臨,為防止路麵結冰,不論是高速公路還是市區道路,都要灑上大量的融雪鹽。然而,這種鹽不但對路麵和車輛的底盤造成腐蝕,給周圍的植被也帶來傷害。為了解決這一問題,美國一所大學研發出一種能自動融雪的混凝土,有望將來取代傳統的水泥路麵或柏油路麵。

    美研發自熱混凝土 有望解決路麵鹽化問題

      融雪鹽中的氯離子的腐蝕性很強,嚴重時可造成路麵塌陷,出現大坑。長久使用,滲入地下的鹽分也會汙染地下水。據美國國家公路管理局估計,美國各州每年在除雪和除冰作業上的花費超過23億美元,每年還花費數百萬美元來修複冰雪造成的基礎設施損壞。

      過去五年來,座落在費城市中心的擁有133年曆史的德雷塞爾大學團隊一直在開發耐寒冷天氣的混凝土,目標是減少道路和其它混凝土表麵的凍結、解凍和鹽化侵蝕。

      他們把低溫相變材料加入混凝土中,成功開發出一種能“自動加熱”的混凝土,可在低溫下融化積雪。該研究成果今年3月18日發布在《土木工程材料學報》上。

      PCM材料分有機、無機和共晶等多種形式,可根據客戶需求調整配方,讓材料相變過程中釋放或吸收大量熱能,以實現有效的溫度調節。因此,用這種加入PCM的自熱混凝土鋪設路麵,可自行融化冰雪,減少冰融循環(冰雪溶化又結凍)。

      德雷塞爾大學工程學院副教授阿米爾·法納姆對該校的新聞室表示,“防止凍結和解凍以及減少融雪鹽的使用,是防止路麵惡化和延長道路使用壽命的好方法。因此,我們的工作是研究如何在混凝土中加入特殊材料,幫助混凝土在冬季依然能保持高於冰點的溫度。”

      所謂冰點即0°C。該團隊將混凝土加入“低溫液體石蠟(正十四烷)”製成“自熱混凝土”。讓混凝土在環境溫度降至0°C左右時,內部的液體石蠟能從室溫狀態(液體)轉變成固體將釋放熱量,使它上方的冰雪融化。整個過程不需借助電和其它外力,隻需要吸收白天周圍的熱能即可。

      實驗中,研究人員先將“低溫液體石蠟”和多孔輕質骨材(混凝土成分中的鵝卵石和小石頭碎片)浸泡和離心出多餘的石蠟,再混入混凝土製成自熱混凝土;又把大量30微米的石蠟微膠囊,均勻混入混凝土製成另一種自熱混凝土。然後和普通混凝土進行比對。

      研究人員將這三種混凝土做成長度76.2公分、寬76.2公分、高20.3公分的水泥塊放置到戶外,並用攝像機和熱傳感器監測它們的溫度和融化冰雪的過程。這個測試耗時2年多,共經曆了32次凍融,及5次大降雪。

      結果顯示,PCM-LWA混凝土在維持加熱方麵表現最好。當它在氣溫降至冰點以下時,其表麵溫度可以保持在5.5°C至12.80°C長達10小時,而產生的總熱量足以融化幾英寸厚的雪。

      而MPPCM雖然比PCM-LWA加熱更快,但維持升溫時間隻有一半左右,且在壽命和環境溫度適應上要比PCM-LWA差。因此研究人員認為PCM-LWA材料要比MPPCM更適合成為解決凍融循環的候選材料。

      法納姆教授說,“目前我們已經證明,我們開發的自加熱混凝土隻需要利用白天的環境熱能,就能自行融化積雪,且過程不需要鹽、鏟子或加熱係統的幫助。這種自熱混凝土適用於美國山區和北部地區,例如賓夕法尼亞州東北部和費城,這些地方在冬季有合適的供暖和製冷循環。”

      參與這項研究的工程學院博士生羅賓·德布則表示,“凍融循環、極端冷卻(低於冰點)和變暖的時期,可能導致馬路出現膨脹和收縮,這對其結構可能造成破壞,嚴重會導致龜裂和剝落的現象。雖然這種材料可能無法讓馬路的結構退化問題完全消失,但卻可以避免馬路的內部繼續惡化下去。”

      德布解釋說,“我們發現用自熱混凝土,雖然無法完全融化大於2英寸厚的積雪,但卻可以非常有效地融化不到2英寸的降雪,且隻要雪積聚在PCM做的馬路時,它就會逐漸釋放熱量去除路麵上的冰。”

      研究團隊計劃持續收集這些混凝土的融化數據,以了解相變材料的長期有效性。同時他們將繼續優化這種材料,以使材料加熱時間更長,延長混凝土的使用壽命,最後使其市場化。

    THE END

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