冬天桥面结冰、路面冻裂怎么办？传统除冰盐会腐蚀钢筋，而普通混凝土又难以抵御低温侵袭。近日，土耳其伊斯坦布尔理工大学团队研发出一种“智能混凝土”——将3D打印的人工骨料注入相变材料（PCM），掺入碱激发矿渣混凝土中，不仅能在零下5℃阻止表面结冰，还能将抗压强度保持在32MPa以上。这项发表于《Frontiers of Structural and Civil Engineering》的研究，为桥梁、路面等基础设施的冬季防护提供了新思路。

冬季路面的“隐形伤害”：除冰盐与冻融循环的双重威胁

每到冬季，城市道路和桥梁常面临“冰火两重天”：白天温度回升冰雪融化，夜间低温又结冰，反复冻融导致混凝土内部开裂；为除冰撒下的氯盐类融雪剂，还会渗透到混凝土内部腐蚀钢筋，缩短使用寿命。数据显示，使用除冰盐的混凝土路面寿命会缩短20%-30%，而传统抗冻混凝土要么成本高昂，要么牺牲了力学性能。

相变材料（PCM）的出现为解决这一难题带来希望——这类材料能在特定温度（如5℃左右）发生固液相变，吸收或释放大量热量，就像“ thermal battery”。但直接掺入混凝土时，PCM容易泄漏，还会降低强度。“就像往面团里加了油，虽然能保温，但面团黏性变差了。”研究团队解释。此前尝试用轻质骨料吸附PCM，又面临骨料强度不足的问题。

3D打印“储热胶囊”：给PCM安个“坚固外壳”

为破解PCM泄漏与强度损失的矛盾，团队想到了3D打印技术。他们用两种主流3D打印技术制造人工骨料：FDM（熔融沉积建模）使用PLA塑料丝打印，SLA（立体光固化）则用紫外光固化树脂，制成直径8mm的中空球形“胶囊”，内部注入熔点5℃的生物基PCM（含94%可再生成分）。

这些“储热胶囊”有何特别？FDM打印的骨料轻便（密度0.93g/cm³），但强度 anisotropic（各向异性）——垂直于打印层方向抗压强度达12.7MPa，平行方向仅3.9MPa；SLA骨料密度稍高（1.35g/cm³），但强度更均匀（8.1-13.5MPa），且表面光滑、尺寸精准。“相当于给PCM做了个定制‘保温杯’，既防漏又抗压。”团队成员表示。

实验验证：零下5℃不结冰，抗压强度堪比普通混凝土

团队将3D打印骨料按15%和30%体积比替代天然骨料，掺入碱激发矿渣混凝土（一种用工业废渣替代水泥的环保材料），进行了系列测试：

“防冻力”测试中，当环境温度降至-5℃，普通混凝土表面30分钟内结冰，而含15% SLA骨料的混凝土（15SLA）表面温度始终保持在-1.3℃以上，无冰形成。更神奇的是，PCM能延缓温度下降——相比基准组，含PCM的混凝土表面温度多维持3.7℃达1小时，就像给路面穿上“恒温马甲”。

“抗压能”测试显示，28天抗压强度最低为32MPa（30FDM组），15SLA组达42.5MPa，接近基准组的43.6MPa。虽然30%替代率的混凝土强度下降24%-26%，但仍满足大多数路面工程要求。

“抗磨与抗冻融”测试中，含30% SLA骨料的混凝土耐磨性提升54%（质量损失减少1.52倍），经过300次冻融循环（-20℃至20℃）后，抗压强度保留率仍达94.3%，远超基准组的86.6%。

未来展望：从“实验室”到“路面”的距离

这项技术的创新点在于“一举三得”：3D打印骨料解决PCM泄漏问题，碱激发矿渣减少水泥使用（降低碳排放），PCM赋予混凝土主动调温能力。不过，目前3D打印骨料成本较高，大规模应用还需优化打印效率。团队计划下一步通过调整骨料表面纹理（如模仿天然骨料的粗糙感）增强与混凝土基体的粘结，进一步提升强度。

来源: FrontCIVlL