本研究由西南交通大学土木工程学院的李福海、杨博、霍佳腾、李金、杨宗驰和陈昭合作完成，并于2025年12月9日在《西南交通大学学报》网络首发。论文题目为《相变材料对陶粒泡沫混凝土热工性能的影响》，聚焦于建筑节能领域，旨在探究两种相变材料——固-固相变材料（SS）和相变微胶囊（MC）——对陶粒泡沫混凝土（Ceramsite Foam Concrete）热工性能的调控机制及其实际应用潜力。

学术背景

在全球“双碳”战略背景下，建筑行业碳排放占全国总量的40%，其中运行阶段占比达22%。泡沫混凝土因其轻质、高孔隙率和优良保温性能，被广泛用于建筑围护结构。然而，传统泡沫混凝土缺乏主动储热能力，难以缓冲温度波动。相变材料（Phase Change Materials, PCM）通过相态变化吸收/释放潜热，可显著提升材料的热调节能力。但现有研究多集中于普通混凝土，对陶粒泡沫混凝土与PCM结合的协同效应研究不足，尤其缺乏对不同类型PCM（如SS与MC）性能差异的系统对比及实际工况验证。本研究首次将SS与MC引入陶粒泡沫混凝土，通过实验室测试与微型房屋试验，全面评估其热工性能与温控效果。

研究流程与方法

1. 材料制备与配合比设计

研究选用P.O 42.5R普通硅酸盐水泥与快硬硫铝酸盐水泥（质量比11.5:1），以页岩陶粒（1.5-2.0 cm）为骨料，微米蛋白发泡剂制备泡沫。两种PCM分别为25℃固-固相变材料（SS）和28℃相变微胶囊（MC），其基本性能如表2所示。设计7组配合比（表3），包括对照组（CTR）、SS掺量50%-100%三组（SS-50%至SS-100%）、MC掺量50%-100%三组（MC-50%至MC-100%），通过调整水和外加剂用量解决PCM吸附水分导致的泡沫消散问题。

2. 试件制备与养护

制备流程分两步：
- SS组：干料搅拌3分钟后加入水与减水剂，发泡后掺入SS搅拌1分钟，避免振动消泡；
- MC组：MC直接与干料混合搅拌，后续步骤同SS组。试件养护28天（20±1℃, RH≥95%），抗压强度均≥4.2 MPa，满足GB/T 2351-2023标准。

3. 性能测试

• 软化系数：依据GB/T 30100测定泡水24小时前后的抗压强度比值；
  
• 导热系数：采用DRH-600稳态法测试（试件尺寸600×600×60 mm），参照GB10294；
  
• 比热容与相变行为：通过DSC404差示扫描量热仪分析（-10~60℃，速率5℃/min）；
  
• 恒温传热试验：55℃加热平台监测温度变化，计算温度阻尼系数（γ=τ2/τ1）；
  
• 微型试验房测试：搭建500×500×450 mm房屋，监测墙面与室内中心温度（自然光照条件）。
  

主要结果

1. 热物理性能

• 导热系数：MC显著降低导热系数（MC-100%较CTR降低18.16%至0.2006 W/(m·K)），而SS组反而升高（SS-100%增加25.74%至0.3082 W/(m·K)）。SEM显示MC组孔隙连通性更高（图6a-b），而SS组界面存在微裂缝（图6d）。
  
• 比热容：MC与SS均提升比热容，但MC效果更优（MC-100%达1.292 J/(g·K)，SS-100%为1.265 J/(g·K)）。
  
• 相变潜热：MC-100%潜热为9.08 J/g，较SS-100%（8.48 J/g）高7.32%，且MC组相变温区更宽（24.59~29.15℃ vs SS组21.31~27.23℃）。
  

2. 保温隔热性能

• 恒温传热：MC-100%峰值温度延迟53.03%（101 min vs CTR 66 min），温度阻尼系数达0.446，远高于SS-100%（0.222）。
  
• 微型房屋试验：MC-100%试验房峰值温度延迟20-30分钟，最高温降低0.8~1.1℃，谷值温度提高0.3~0.4℃（图12-13），证实其优异的温度延迟与削峰能力。
  

3. 耐久性

SS组软化系数提升（SS-100%为0.92），而MC组略降（MC-100%为0.83），但仍满足轻度潮湿环境要求（>0.75）。MC需通过降低水胶比或表面憎水处理以提高耐水性。

结论与价值

本研究首次系统对比SS与MC对陶粒泡沫混凝土热工性能的影响，揭示MC通过优化孔隙结构与高潜热特性，显著提升材料的保温隔热与温控能力。其科学价值在于：
1. 机理阐释：阐明MC降低导热系数的微观机制（孔隙连通性增加）及相变潜热主导的温度延迟效应；
2. 应用指导：提出MC-75%~100%为最优掺量，满足A10密度等级导热限值（≤0.27 W/(m·K)），适用于建筑围护结构；
3. 工程验证：通过微型房屋试验实现实验室-实际场景闭环验证，为PCM泡沫混凝土的工程应用提供数据支撑。

研究亮点

1. 创新性对比：首次将SS与MC的性能差异量化，明确MC在陶粒泡沫混凝土中的优势；
   
2. 方法整合：结合DSC、恒温传热与自然工况测试，多尺度评估热工性能；
   
3. 应用导向：提出MC改性泡沫混凝土的防潮优化措施，推动其在高湿环境中的适用性。
   

该研究为开发低碳建筑围护材料提供了理论与实践依据，对实现“双碳”目标下的建筑节能具有重要意义。