冬天橋面結(jié)冰導(dǎo)致交通事故，夏天路面高溫引發(fā)車胎爆胎——基礎(chǔ)設(shè)施的“溫度病”如何破解？近日，土耳其伊斯坦布爾理工大學(xué)團隊研發(fā)出一種“智能溫控混凝土”，通過3D打印人工骨料儲存相變材料（PCM），摻入堿激發(fā)礦渣混凝土后，不僅能在零下5℃阻止表面結(jié)冰，還能將28天抗壓強度維持在42.5MPa。這項發(fā)表于《Frontiers of Structural and Civil Engineering》的技術(shù)，既減少了水泥使用（降低碳排放），又賦予混凝土“冬暖夏涼”的調(diào)溫能力，為智慧基建提供了新思路。

傳統(tǒng)混凝土的“雙重困境”：高碳排與低溫脆化

普通混凝土依賴水泥作為膠凝材料，生產(chǎn)1噸水泥會排放約0.8噸二氧化碳，全球水泥行業(yè)碳排放占比達8%。而在寒冷地區(qū)，混凝土路面和橋梁還要面對“凍融循環(huán)”的威脅——水滲入裂縫后結(jié)冰膨脹，如同“凍豆腐”般逐漸碎裂。為除冰撒下的氯鹽融雪劑，更是會加速鋼筋銹蝕，導(dǎo)致路面壽命縮短30%。

相變材料（PCM）本是理想的“溫度調(diào)節(jié)器”，能在特定溫度（如5℃）通過固液相變吸收或釋放熱量。但直接摻入混凝土?xí)r，PCM容易泄漏，就像“油灑進面團”，既降低強度又污染環(huán)境。此前用輕質(zhì)骨料吸附PCM的嘗試，又因骨料強度不足難以推廣。

3D打印“儲熱外殼”：給PCM穿上“塑料鎧甲”

團隊另辟蹊徑，用3D打印技術(shù)制造“儲熱膠囊”：

  • FDM打印：用玉米淀粉制成的PLA塑料絲，層層堆疊出直徑8mm的中空球體，密度僅0.93g/cm3（比水還輕），但垂直抗壓強度達12.7MPa（約為普通紅磚的2倍）。
  • SLA打印：紫外光固化樹脂打印出更致密的球體（密度1.35g/cm3），強度均勻（8.1-13.5MPa），表面光滑如玻璃珠。

兩種“膠囊”內(nèi)部注入生物基PCM（94%可再生成分，熔點5℃），就像給“能量海綿”套上堅固外殼。實驗顯示，這些3D打印骨料在混凝土中既不泄漏PCM，又能讓熱量自由進出。

實驗室里的“冰火考驗”：-5℃不結(jié)冰，強度堪比普通混凝土

團隊將3D打印骨料按15%、30%體積比替代天然骨料，摻入堿激發(fā)礦渣混凝土（用工業(yè)廢渣替代水泥），進行了多項測試：

抗凍測試中，當(dāng)環(huán)境溫度降至-5℃，普通混凝土30分鐘內(nèi)表面結(jié)冰，而含15% SLA骨料的混凝土表面溫度始終保持在-1.3℃以上，4小時無冰形成。PCM就像“隱形電熱毯”，通過釋放相變潛熱（191.9J/g）讓表面溫度比基準(zhǔn)組高3.7℃，延緩凍結(jié)時間達1小時。

抗壓強度方面，15% SLA組28天強度達42.5MPa，接近基準(zhǔn)組的43.6MPa；即使30%替代率，強度仍有32MPa，滿足市政道路設(shè)計要求。耐磨性測試顯示，30% SLA組質(zhì)量損失比基準(zhǔn)組減少54%，相當(dāng)于路面壽命延長近一倍。

環(huán)保效益同樣顯著：堿激發(fā)礦渣混凝土比普通混凝土減少80%水泥用量，3D打印骨料則緩解了天然砂石資源枯竭問題。團隊測算，若推廣該技術(shù)，每公里公路可減少碳排放約200噸。

從“實驗室樣品”到“工程應(yīng)用”：還需突破成本關(guān)

這項技術(shù)的創(chuàng)新點在于“三合一”：3D打印解決PCM封裝難題，堿激發(fā)礦渣實現(xiàn)低碳，PCM賦予調(diào)溫功能。但目前3D打印骨料成本是天然骨料的5倍，大規(guī)模應(yīng)用需優(yōu)化打印效率。團隊計劃下一步用回收塑料作為打印材料，同時設(shè)計帶紋理的骨料表面增強與混凝土基體的粘結(jié)力。

來源: FrontCIVlL