类型a：学术研究报告
本研究由Muhammad Zeeshan Haider、Xinghan Jin、Syed Nayyar Raza Naqvi和Jong Wan Hu*（通讯作者）共同完成，作者团队来自韩国仁川国立大学土木与环境工程系及仁川防灾研究中心。研究成果发表于Journal of Energy Storage（2025年，第107卷，文章编号114937）。
学术背景
该研究属于建筑材料与热能存储交叉领域，聚焦于解决寒冷地区因频繁使用除冰盐导致的混凝土路面劣化问题。传统除冰方法（如机械除雪和化学盐）不仅成本高、环境不友好，还会加速混凝土结构腐蚀。为此，研究者提出将相变材料（Phase Change Materials, PCMs）融入混凝土，通过其潜热储能特性延缓路面温度变化，从而减少除冰盐的使用。然而，PCM在低温下易出现过冷现象（supercooling），导致热效率降低。本研究通过碳纳米管（Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWCNTs）改性PCM混凝土，旨在提升其导热性能与热循环稳定性，最终实现高效融雪功能。
研究流程与方法
研究分为五个核心环节：
材料制备与表征
- PCM选择与封装：选用十四烷（Tetradecane）作为PCM（相变温度5.5°C），通过真空浸渍法将其注入多孔膨胀黏土轻骨料（Lightweight Aggregates, LWA），形成PCM-LWA复合材料。为防止PCM泄漏，骨料表面依次涂覆环氧树脂和硅灰（Silica Fume, SF）。
- MWCNTs分散：将MWCNTs（纯度96.5%）与聚羧酸醚（PCE）按1:4比例混合，通过超声波处理（20 kHz，30分钟）实现均匀分散。
混凝土配合比设计
- 以普通硅酸盐水泥（OPC）为基体，用PCM-LWA替代50%体积的普通骨料，并添加不同比例的MWCNTs（0.05%~0.20%胶凝材料重量），共设计6组配合比（如OPC、PCM-LWA、0.05CNT等）。
热物理与力学性能测试
- 差示扫描量热法（DSC）与热重分析（TGA）：测定PCM-LWA的相变温度、潜热值及热稳定性。结果显示，PCM-LWA的结晶与熔化温度分别为2.4°C和6.8°C，潜热值约97 J/g，且TGA证实其高温下质量损失缓慢（42.33%），表明封装有效。
- 抗压强度测试：28天水养护后，PCM-LWA混凝土强度下降58%，但添加0.1% MWCNTs后强度提升25.13%，归因于MWCNTs细化孔隙结构并促进水化产物生成。
热循环与融雪性能评估
- 热循环实验：在15°C至-5°C的循环中，嵌入热电偶监测内部温度。0.1CNT组表现出最佳热稳定性，-5°C时内部温度仍保持2.5°C，优于未改性组（1.8°C）。
- 融雪实验：在7°C预平衡的试件表面放置3 cm冰层，环境温度降至1°C。0.1CNT组在20小时内完全融雪，证实MWCNTs通过提升导热性减少过冷效应。
极端条件验证
- 补充实验（-15°C至15°C）表明，长时间低温仍会导致PCM储能能力下降，需结合主动加热技术（如电热路面）以应对极端气候。
主要结果与逻辑关联
- 热性能提升：MWCNTs的加入使PCM-LWA混凝土导热性增强，热循环中温度波动更小（图10-12），直接支持其融雪效率（图13）。
- 力学性能平衡：尽管PCM-LWA降低强度，MWCNTs通过纳米增强作用部分弥补了这一缺陷（图7），为实际应用提供结构安全性保障。
- 数据链闭合：DSC/TGA验证PCM稳定性→热循环实验验证MWCNTs改善热响应→融雪测试证实实际效能，形成完整证据链。
结论与价值
本研究开发了一种纳米改性PCM混凝土，其核心创新点包括：
1. 科学价值：首次将MWCNTs直接加入水泥基体（而非PCM本身），通过提升基质导热性间接优化PCM热性能，为过冷现象控制提供新思路。
2. 应用价值：0.1% MWCNTs的添加使融雪效率显著提高，可减少80%以上除冰盐使用，降低维护成本与环境负担。
3. 局限性：极端低温下需结合主动加热系统，未来需研究PCM与电热技术的协同方案。
研究亮点
- 方法创新：真空浸渍+双涂层封装技术解决PCM泄漏问题；MWCNTs分散工艺优化（超声+PCE）确保纳米材料均匀分布。
- 多尺度验证：从材料（DSC/TGA）到构件（热循环/融雪）的全尺度实验设计，数据可靠性高。
- 跨学科融合：结合相变储能、纳米材料与土木工程，为绿色基础设施建设提供范例。
其他有价值内容
- 作者提出PCM-LWA与电热路面联用的设想（参考文献[18,49]），为后续研究指明方向。
- 补充数据（DOI:10.1016/j.est.2024.114937）包含热循环视频，直观展示温度场变化。