本文档介绍了一项由普渡大学（Purdue University）的Yaghoob Farnam、Matthew Krafcik、Leah Liston、Taylor Washington、Kendra Erk、Bernard Tao和Jason Weiss等人合作完成的研究。该研究成果以题为“Evaluating the Use of Phase Change Materials in Concrete Pavement to Melt Ice and Snow”的论文形式，发表于美国土木工程师学会（ASCE）旗下的《Journal of Materials in Civil Engineering》期刊，在线发表日期为2015年10月6日。
本研究的科学领域主要涉及土木工程材料学，特别是水泥基复合材料和道路工程，同时也与热能存储、相变物理等学科交叉。研究的出发点是解决冬季混凝土路面除冰化雪的传统难题。传统方法大量依赖除冰盐（Deicing Salt），但盐分会加剧混凝土的冻融破坏、钢筋腐蚀等耐久性问题，导致路面过早劣化，并带来环境负担。因此，寻找一种能够减少或替代除冰盐使用的环保、长效技术具有重要意义。
在此背景下，相变材料（Phase Change Materials, PCMs）进入了研究者的视野。PCMs是能够在特定温度范围内发生相态转变（如从液态变为固态）并在此过程中吸收或释放大量潜热的物质。将PCMs应用于混凝土路面，其核心思想是利用其相变潜热来存储热量（例如来自日间阳光或环境余热），并在路面温度降至冰点附近时释放热量，从而延缓或阻止冰层的形成，甚至直接融化积雪。这为实现“自愈合”或“低维护”的智能路面提供了一种潜在方案。
尽管此前已有研究探讨了PCMs在混凝土中的应用潜力，并主要通过数值模拟和PCM材料本身的热性能测试进行预测，但对PCMs在实际水泥基体中的集成效果、长期稳定性、以及与水泥水化产物的化学相容性等关键工程问题的系统性实验研究尚不充分。特别是，缺乏对完整“砂浆-PCM”系统在实际热循环条件下热响应的精确测量，以及PCM对混凝土物理和耐久性能影响的全面评估。
因此，本研究设定了明确的目标：第一，使用一种名为纵向防护比较量热仪（Longitudinal Guarded Comparative Calorimeter, LGCC）的设备，精确表征包含PCM的整个水泥砂浆体系在模拟冻融环境下的热响应，特别是其融冰化雪的潜力。第二，全面评估掺入PCM后砂浆的物理性能和耐久性。研究的根本目的是确定，当PCM被实际置于水泥基材料内部时，其在融冰化雪方面是否仍然有效，同时必须满足热释放性能、相变温度适宜、化学物理稳定性好以及对混凝土耐久性无害等多重要求。
本研究设计严谨，流程清晰，主要包含以下几个关键步骤：
1. 材料选择与试样制备 研究选用了两种具有应用潜力的有机PCMs：石蜡油（Paraffin Oil，石油基）和月桂酸甲酯（Methyl Laurate，植物基）。选择依据是它们具有较高的熔化焓（约130–170 J/g）和理想的冻结温度（约2–3°C），这恰好略高于水的冰点，适合融冰应用。 研究采用了两种方法将PCMs集成到水泥砂浆试样中： * 方法一：轻骨料（Lightweight Aggregate, LWA）吸附法。将预干燥的膨胀页岩轻骨料浸泡在PCM中（分常压和真空两种条件）使其饱和，然后通过离心技术去除表面多余的PCM，达到面干饱和状态。随后，用这些吸附了PCM的LWA替代普通骨料制备砂浆。砂浆的水灰比为0.42，骨料体积分数为55%，最终PCM在砂浆中的含量约为145–150 kg/m³。同时制备了使用水饱和LWA的对照砂浆。试样被浇注成两种尺寸：用于热性能测试的25.4 × 25.4 × 50.8 mm小棱柱体，以及用于力学性能测试的50.8 mm立方体。试样密封养护28天后，再进行测试前的干燥处理。 * 方法二：预埋管法。在浇注砂浆时，在模具中心纵向预埋一根直径为10 mm、长度为50.8 mm的塑料管。砂浆使用天然砂作为细骨料，水灰比和骨料体积分数同上。试样养护并干燥后，向塑料管中注入PCMs并密封，PCM含量约为105–125 kg/m³。
2. 实验测试与性能评估 研究运用了多种先进的测试手段来全方位评估PCM-砂浆体系： * 热性能测试： * 低温差示扫描量热法（Low-Temperature Differential Scanning Calorimetry, LT-DSC）：用于精确测量纯PCM材料（石蜡油和月桂酸甲酯）的热流和温度关系，从而确定其相变温度、熔化焓等关键热物性参数。该方法作为PCM材料筛选和后续反应评估的基础。 * 纵向防护比较量热法（LGCC）：这是本研究的核心创新实验方法之一。LGCC设备能够对整体试样（而非仅材料本身）施加一维温度梯度并精确测量其热流。研究者将制备好的含PCM砂浆小棱柱体置于LGCC中，以-2°C/h的速率从24°C冷却至-40°C，再以4°C/h加热回来，模拟一个完整的冻融循环。通过监测试样不同位置的温度，可以计算出试样内部的热流变化，从而直接观察和量化PCM在砂浆基体内部发生相变（冻结或熔化）时释放或吸收的热量。这种方法比单纯的数值模拟或材料测试更能反映PCM在真实混凝土环境中的热行为。 * 化学与物理耐久性评估： * 化学相容性评估：为探究月桂酸甲酯与水泥基体可能发生的有害反应，研究者将PCM与砂浆的不同组分（包括I型和V型水泥的水化浆体粉末、氢氧化钙粉末、轻骨料粉末）混合，并在不同时间点（0天、1天、7天、28天）使用LT-DSC进行测试。通过监测混合物熔化焓随时间的下降情况，可以判断PCM是否与这些组分发生了化学反应以及反应速度。 * 物理性能评估： * 超声波脉冲速度：按照ASTM标准，测量含PCM砂浆试样的纵波波速，计算其动态弹性模量，并与对照试样比较，以评估PCM引入是否对砂浆内部结构造成损伤（如微裂纹）。 * 抗压强度测试：对56天龄期的砂浆立方体进行抗压强度测试，直接评估PCM对砂浆力学性能的影响。 * 质量损失评估：将纯PCM样品置于23°C、50%相对湿度的环境中38天，定期称重，评估其挥发性或蒸发造成的潜在质量损失，这对于评估长期服役性能很重要。
3. 数据分析流程 对LT-DSC数据，直接分析热流1温度曲线，读取相变峰的位置和面积以计算熔化焓。对LGCC数据，通过计算热流-时间曲线的积分，得到PCM相变过程释放或吸收的总热量。结合试样中PCM的实际含量，可以量化每立方米砂浆所能存储和释放的潜热能。进一步地，研究者建立了一个理论模型（公式1），将释放的热量转化为能够融化的冰层厚度与混凝土路面厚度的比值（冰-混凝土深度比），从而直观地评估PCM的融冰效能。对于耐久性数据，通过对比实验组与对照组在弹性模量、抗压强度、熔化焓保持率等指标上的差异，来判定PCM的化学稳定性和对基体的影响。
1. PCMs的基本热性能 LT-DSC测试证实，石蜡油和月桂酸甲酯均具有适合融冰化雪应用的热性能。月桂酸甲酯在约1.9°C呈现单一的吸热峰（熔化），熔化焓约为160.4 J/g。石蜡油则在约2.9°C和-28.4°C有两个吸热峰，其中2.9°C的峰（熔化焓约129.4 J/g）对融冰应用有意义，-28.4°C的峰则温度过低无实用价值。两者在略高于0°C的温度下能释放大量潜热，符合理论预期。
2. 含PCM砂浆的热响应（LGCC结果） * LWA吸附法：使用I型水泥时，含石蜡油的砂浆在冷却过程中显示出明显的放热峰（约在3°C），表明石蜡油成功地在路面需要防冰的温度下发生了相变并释放热量。然而，含月桂酸甲酯的砂浆却未观察到任何显著的放热或吸热峰。当改用铝酸三钙（C3A）含量极低的V型水泥时，含月桂酸甲酯的砂浆在加热过程中出现了微弱的熔化峰，但性能仍远不理想。这强烈暗示月桂酸甲酯与水泥基体发生了化学反应，导致其相变能力丧失或改变。 * 预埋管法：无论是石蜡油还是月桂酸甲酯，其砂浆试样在LGCC测试中都清晰地观察到了放热（冻结）和吸热（熔化）峰。这表明，当PCM被封闭在塑料管内与水泥基体物理隔离后，两者都能正常发挥相变功能。月桂酸甲酯的相变起始温度约为1.2°C，石蜡油约为3.0°C。
3. 融冰效能量化 通过对LGCC热流数据的积分计算，研究者得到了每立方米砂浆中PCM相变所释放的热量。预埋管法中，月桂酸甲酯和石蜡油分别释放约12,111 kJ/m³和7,430 kJ/m³的热量。LWA吸附法中，石蜡油释放约11,345 kJ/m³的热量，而月桂酸甲酯无效。利用公式1将这些热量转化为“冰-混凝土深度比”。结果表明，预埋管中的月桂酸甲酯效能最高，理论可融化相当于混凝土层厚度4%的冰层；预埋管中的石蜡油约为2.4%；LWA中的石蜡油约为3.7%。以一个典型的14英寸（约356毫米）厚路面计算，这相当于能融化约8.6至14.2毫米厚的冰层。分析还发现，月桂酸甲酯的放热过程更快速，而石蜡油则更为平缓。
4. 化学与物理耐久性结果 * 化学相容性：目视观察发现，采用LWA吸附法的月桂酸甲酯砂浆试样在养护期间表面出现了开裂，裂缝中生长出白色纤维状物质。LT-DSC测试进一步揭示了化学反应的本质：月桂酸甲酯与I型水泥浆体粉末混合后，其熔化焓在短时间内急剧下降；与氢氧化钙混合后，熔化焓也呈现逐渐下降的趋势；而与V型水泥浆体或LWA粉末混合时，下降幅度较小。这证实了月桂酸甲酯会与水泥水化产物中的铝酸盐相（特别是C3A）以及氢氧化钙发生化学反应。V型水泥因不含C3A，只能减缓前者反应，但无法避免与氢氧化钙的反应。这正是导致其性能失效和砂浆开裂的根本原因。相比之下，石蜡油与所有测试组分均未观察到明显的化学反应。 * 物理性能：超声波和抗压强度测试数据与上述发现一致。含月桂酸甲酯（LWA法）的砂浆，其动态弹性模量和抗压强度均显著低于对照样，证实了化学反应造成了实质性损伤。而含石蜡油（LWA法）的砂浆，其物理性能与对照样相近，未受明显影响。 * 质量稳定性：在38天的暴露测试中，两种纯PCM的质量损失约为5-8%，主要源于蒸发。研究者指出，在实际混凝土结构中，由于受到致密基体或密封管的保护，蒸发损失将远低于此。
本研究得出以下明确结论： 1. PCMs应用于混凝土路面融冰化雪在技术原理上是可行的。石蜡油和月桂酸甲酯都具有适宜的热性能，能够在其相变温度（~2-3°C）释放大量潜热，理论上足以融化一定厚度的表面冰层。 2. PCMs与水泥基体的化学相容性是成功应用的关键瓶颈。月桂酸甲酯（植物基）会与水泥水化产物（特别是铝酸盐和氢氧化钙）发生有害化学反应，不仅导致其相变功能丧失，还会引起混凝土开裂和强度下降。因此，直接将其掺入混凝土（如通过骨料吸附）是不可行的。使用低C3A水泥（如V型）只能缓解，不能根除问题。 3. 封装或隔离是解决化学相容性问题的有效途径。当通过“预埋管”的方式将PCM与水泥基体物理隔离后，无论是石蜡油还是月桂酸甲酯，都能正常发挥相变功能，展现出良好的融冰潜力。这为PCMs的实际工程应用指明了方向，即需要开发可靠的封装技术（如微胶囊化、密封管/囊等）。 4. 石蜡油（石油基）表现出更好的材料相容性。在LWA吸附法中，石蜡油未与水泥基体发生明显有害反应，保持了良好的热释放性能和砂浆的物理完整性。
本研究的科学价值在于，它通过一套系统、创新的实验方法（特别是LGCC的应用），首次在接近实际工况的条件下，完整评估了PCM-水泥复合体系的热-力-化综合性能，揭示了化学相容性这一此前被低估的关键问题，并验证了封装技术的必要性。其应用价值在于为开发新一代“智能”抗冰路面提供了重要的实验依据和技术路线图，指出未来研究应侧重于开发高效、廉价、环保的PCM封装方法，以及优化PCM在路面结构中的分布与热传导设计。
研究中对“冰-混凝土深度比”的量化模型，为工程师提供了一种直观评估PCM融冰效能的工具。同时，对PCM在开放环境下质量损失的初步数据，提醒了长期密封性能的重要性。这些细节都增强了研究的实用性和参考价值。