类型a：学术研究报告
1. 研究作者及发表信息
本研究由Min Su Kwon、Xinghan Jin、Young Chan Kim和Jong Wan Hu共同完成，研究团队来自韩国仁川国立大学（Incheon National University）土木与环境工程系及仁川防灾研究中心。研究成果发表于期刊《Construction and Building Materials》第442卷（2024年），文章标题为《Development of microencapsulated PCM concrete with improved strength and long-term thermal performance using MWCNTs》，在线发布于2024年7月30日。
2. 学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于建筑材料与节能技术的交叉领域，聚焦于相变材料（Phase Change Material, PCM）在混凝土中的应用及其性能优化。
研究背景：全球CO₂排放量在1990至2020年间增长53%，建筑行业占全球能源消耗的36%和碳排放的39%。相变材料（PCM）因其在相变温度下储存/释放大量潜热的特性，被用于建筑温控和道路除冰，但直接应用PCM会导致泄漏、混凝土强度下降等问题。微胶囊化PCM（Microencapsulated PCM, M-PCM）可解决泄漏问题，但会降低混凝土力学性能。
研究目标：通过添加多壁碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs）和硅灰（Silica Fume），开发一种兼具高强度和长期热性能的M-PCM混凝土，并优化M-PCM的混合工艺。
3. 研究流程与方法
（1）M-PCM材料实验
- 核心材料选择：选用十四烷（Tetradecane）作为PCM核心材料，其相变温度为4–6°C，热容量200–230 J/g，适合冬季建筑保温和道路防冻。
- 胶囊壁材料筛选：通过差示扫描量热法（DSC）对比三聚氰胺（Melamine）和聚氨酯（Urethane）胶囊壁的性能。结果显示，三聚氰胺M-PCM的热释放能力为148 J/g（比纯PCM降低34.6%），相变起始温度为2.6°C，优于聚氨酯（相变起始温度-1.2°C，不适用）。
- 耐久性测试：在-5°C至15°C范围内循环40次，M-PCM的温度波动比纯PCM小1°C，且未发生过冷现象，证明其长期稳定性。
（2）MWCNTs材料实验
- 分散性优化：通过超声分散（20 kHz频率，30%振幅）结合混凝土外加剂（1:1比例），发现超声时间≥90分钟可避免碳纳米管沉降，悬浮液稳定性超过100天。
- 最佳添加量：通过砂浆强度实验确定MWCNTs的最佳添加量为水泥质量的0.05%（砂浆）和0.75%（混凝土），过量添加会降低强度。
（3）混凝土设计与性能测试
- 配合比设计：M-PCM按粘结剂质量的3%、6%、15%添加，同时掺入MWCNTs和硅灰。为减少搅拌损伤，M-PCM在混凝土浇筑最后阶段加入。
- 力学性能测试：
- 抗压强度：28天后，含6% M-PCM的混凝土（P6SC组）强度与普通混凝土（OPC组）相近（仅降低1.87%），而15% M-PCM组（P15SC）强度显著下降。
- 抗折强度：MWCNTs和硅灰使抗折强度提升12.5%~42.6%，尤其在高M-PCM含量（15%）时效果显著。
- 热性能测试：在-5°C至15°C循环50次后，含MWCNTs的混凝土（SC组）核心温度比OPC组高1.1–1.4°C，长期性能稳定。
- 微观结构分析：扫描电镜（SEM）显示，M-PCM在最后阶段加入可减少胶囊破损（P15组），而早期混合（P15-mix组）会导致PCM泄漏和孔隙增多。
4. 研究结果与逻辑关联
- 材料筛选：三聚氰胺M-PCM和0.75% MWCNTs的组合在强度和热性能间取得平衡。
- 工艺优化：M-PCM后期加入可减少搅拌损伤，SEM结果验证了其必要性。
- 性能验证：MWCNTs通过增强导热性和纤维增韧作用，抵消了M-PCM的强度损失，同时提升了热循环稳定性。
5. 研究结论与价值
- 科学价值：首次系统评估了MWCNTs对M-PCM混凝土力学和热性能的协同增强机制，提出了胶囊壁材料选择和分散工艺的优化方案。
- 应用价值：6% M-PCM+MWCNTs的混凝土可用于冬季建筑保温（降低供暖成本）和道路防冻（减少除冰剂使用），兼具节能和耐久性。
6. 研究亮点
- 创新方法：结合超声分散技术和后期混合工艺，解决了M-PCM混凝土的强度与耐久性矛盾。
- 重要发现：MWCNTs可使含15% M-PCM的混凝土抗折强度提升42.6%，突破了高PCM含量导致强度下降的瓶颈。
- 跨学科意义：为纳米材料在节能建筑中的应用提供了实验依据。
7. 其他价值
研究还指出，M-PCM的长期热性能优于纯PCM，且通过SEM明确了混合顺序对微观结构的影响，为工业化生产提供了工艺指导。