美研發自熱混凝土 有望解決路面鹽化問題

每當大雪來臨，為防止路面結冰，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，這種鹽不但對路面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面或柏油路面。

融雪鹽中的氯離子的腐蝕性很強，嚴重時可造成路面塌陷，出現大坑。長久使用，滲入地下的鹽份也會污染地下水。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，且每年都有數百萬人要修復因冬季天氣而損壞的道路。

過去五年來，座落在費城市中心的擁有133年歷史的德雷塞爾大學（Drexel University）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面的凍結、解凍和鹽化侵蝕。

他們把低溫相變材料（PCM）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日發表在《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面，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（Amir Farnam）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，是防止路面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（32°F）。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）轉變成固體來釋放熱量，使它上方的冰雪融化。整個過程不需藉助電和其它外力，只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（混凝土成份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（PCM-LWA）；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（MPPCM）。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厘米、寬76.2厘米、高20.3厘米的水泥塊放置到戶外，並用攝影機和熱感測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，共經歷了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面表現最好。當它在氣溫降至冰點以下時，其表面溫度可以保持在42°F至55°F（5.5-12.80°C）長達10小時，而產生的總熱量足以融化幾吋厚的雪（約每小時融化0.65厘米）。

而MPPCM雖然比PCM-LWA加熱更快，但維持升溫時間只有一半左右，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只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、鏟子或加熱系統的幫助。這種自熱混凝土適用於美國山區和北部地區，例如賓夕凡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（Robin Deb）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英吋厚的積雪，但卻可以非常有效地融化不到2吋的降雪，且只要雪積聚在PCM做的馬路時，它就會逐漸釋放熱量去除路面上的冰。」

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。@

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