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新型相变混凝土的制备与性能研究：基于多孔相变骨料的综合比较

1. 研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为东南大学交通学院岩土工程研究所的Zhibin Liu，第一作者为Peng Ye，合作单位包括广西北投公路建设投资集团有限公司。研究成果发表于《Construction and Building Materials》期刊第439卷（2024年），文章标题为《Preparation and characterization of novel phase-change concrete based on different porous phase-change aggregates: comprehensive comparison of various phase change composites》。

2. 学术背景与研究目标
随着全球能源需求增长和建筑行业能耗占比高达40%的现状，降低建筑能耗成为迫切需求。相变材料（Phase Change Materials, PCM）因其高储能密度和温度调控潜力被广泛研究，但传统PCM存在泄漏、机械性能劣化等问题。本研究旨在开发一种基于多孔骨料（火山岩、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石）和聚乙二醇1000（PEG 1000）的新型相变混凝土，通过真空浸渍技术制备复合相变骨料，并系统评估其物理化学性能、热稳定性及混凝土的力学与隔热性能，最终实现建筑节能目标。

3. 研究流程与方法
3.1 材料制备
- 多孔骨料与PCM选择：选用火山岩（孔隙率28%）、膨胀珍珠岩（82%）和膨胀蛭石（49%）作为载体，PEG 1000（相变温度33–35°C）为相变材料。
- 真空浸渍工艺：将多孔骨料与熔融PEG 1000在60°C、-90 kPa条件下浸渍3小时，冷却固化后形成复合相变骨料（PCM复合材料）。

3.2 性能表征
- 吸附能力与防泄漏测试：通过质量变化计算吸附率（η），并对比水泥浆与环氧树脂封装效果。结果显示膨胀珍珠岩吸附率最高（89.5%），水泥封装后质量损失率%。
- 微观结构分析：扫描电镜（SEM）显示膨胀珍珠岩的层状多孔结构更利于PEG填充；汞侵入孔隙率测试（MIP）表明其孔径集中在10–500 μm。
- 热性能测试：差示扫描量热法（DSC）显示PCM复合材料的相变焓（106.9 J/g）接近纯PEG（117.8 J/g），500次循环后焓值仅下降9.7–13.8%。热重分析（TGA）证实材料在300°C以下稳定。

3.3 相变混凝土制备与评估
- 混凝土配比：以10–50%比例替换粗骨料，测试坍落度、抗压强度（7天/28天）及温控性能。
- 温控模拟：建造40×40×24 cm混凝土箱体，记录24小时内外部温度变化。结果显示，50%膨胀珍珠岩-PCM混凝土的墙体内外温差降低4.9°C，但抗压强度下降51.83%。

4. 主要结果与逻辑关联
- 吸附与热性能：膨胀珍珠岩因高孔隙率表现出最优吸附能力和储能性能，其PCM复合材料的相变焓为106.9 J/g，验证了多孔结构对PCM负载的关键作用。
- 力学与温控平衡：尽管PCM添加导致混凝土强度下降（火山岩-PCM强度损失26.52%），但水泥封装有效解决了泄漏问题，且温控性能显著提升。
- 循环稳定性：500次热循环后相变焓降幅<14%，表明材料具备长期应用潜力。

5. 研究结论与价值
- 科学价值：揭示了多孔骨料孔隙结构与PCM吸附效率的关联性，为相变材料载体设计提供了理论依据。
- 应用价值：开发的相变混凝土可显著降低建筑能耗，膨胀珍珠岩-PCM在40%添加量下兼顾强度（19.64 MPa）与温控性能（温差降低4.9°C），适用于非承重节能墙体。

6. 研究亮点
- 创新方法：首次将火山岩、膨胀珍珠岩和膨胀蛭石作为PCM载体系统比较，提出水泥浆封装工艺，泄漏率%。
- 多尺度性能关联：从微观孔隙结构到宏观混凝土性能的全链条分析，明确了材料-性能的定量关系。

7. 其他发现
- 经济性：膨胀珍珠岩成本低廉且储量丰富，适合大规模应用。
- 局限性：高PCM添加量（>50%）会显著牺牲混凝土强度，需进一步优化骨料级配或添加增强纤维。

本研究为建筑节能材料开发提供了可工业化的解决方案，兼具学术创新性与工程实践意义。