冬天桥面结冰导致交通事故，夏天路面高温引发车胎爆胎——基础设施的“温度病”如何破解？近日，土耳其伊斯坦布尔理工大学团队研发出一种“智能温控混凝土”，通过3D打印人工骨料储存相变材料（PCM），掺入碱激发矿渣混凝土后，不仅能在零下5℃阻止表面结冰，还能将28天抗压强度维持在42.5MPa。这项发表于《Frontiers of Structural and Civil Engineering》的技术，既减少了水泥使用（降低碳排放），又赋予混凝土“冬暖夏凉”的调温能力，为智慧基建提供了新思路。

传统混凝土的“双重困境”：高碳排与低温脆化

普通混凝土依赖水泥作为胶凝材料，生产1吨水泥会排放约0.8吨二氧化碳，全球水泥行业碳排放占比达8%。而在寒冷地区，混凝土路面和桥梁还要面对“冻融循环”的威胁——水渗入裂缝后结冰膨胀，如同“冻豆腐”般逐渐碎裂。为除冰撒下的氯盐融雪剂，更是会加速钢筋锈蚀，导致路面寿命缩短30%。

相变材料（PCM）本是理想的“温度调节器”，能在特定温度（如5℃）通过固液相变吸收或释放热量。但直接掺入混凝土时，PCM容易泄漏，就像“油洒进面团”，既降低强度又污染环境。此前用轻质骨料吸附PCM的尝试，又因骨料强度不足难以推广。

3D打印“储热外壳”：给PCM穿上“塑料铠甲”

团队另辟蹊径，用3D打印技术制造“储热胶囊”：

• FDM打印：用玉米淀粉制成的PLA塑料丝，层层堆叠出直径8mm的中空球体，密度仅0.93g/cm³（比水还轻），但垂直抗压强度达12.7MPa（约为普通红砖的2倍）。
• SLA打印：紫外光固化树脂打印出更致密的球体（密度1.35g/cm³），强度均匀（8.1-13.5MPa），表面光滑如玻璃珠。

两种“胶囊”内部注入生物基PCM（94%可再生成分，熔点5℃），就像给“能量海绵”套上坚固外壳。实验显示，这些3D打印骨料在混凝土中既不泄漏PCM，又能让热量自由进出。

实验室里的“冰火考验”：-5℃不结冰，强度堪比普通混凝土

团队将3D打印骨料按15%、30%体积比替代天然骨料，掺入碱激发矿渣混凝土（用工业废渣替代水泥），进行了多项测试：

抗冻测试中，当环境温度降至-5℃，普通混凝土30分钟内表面结冰，而含15% SLA骨料的混凝土表面温度始终保持在-1.3℃以上，4小时无冰形成。PCM就像“隐形电热毯”，通过释放相变潜热（191.9J/g）让表面温度比基准组高3.7℃，延缓冻结时间达1小时。

抗压强度方面，15% SLA组28天强度达42.5MPa，接近基准组的43.6MPa；即使30%替代率，强度仍有32MPa，满足市政道路设计要求。耐磨性测试显示，30% SLA组质量损失比基准组减少54%，相当于路面寿命延长近一倍。

环保效益同样显著：碱激发矿渣混凝土比普通混凝土减少80%水泥用量，3D打印骨料则缓解了天然砂石资源枯竭问题。团队测算，若推广该技术，每公里公路可减少碳排放约200吨。

从“实验室样品”到“工程应用”：还需突破成本关

这项技术的创新点在于“三合一”：3D打印解决PCM封装难题，碱激发矿渣实现低碳，PCM赋予调温功能。但目前3D打印骨料成本是天然骨料的5倍，大规模应用需优化打印效率。团队计划下一步用回收塑料作为打印材料，同时设计带纹理的骨料表面增强与混凝土基体的粘结力。

来源: FrontCIVlL