相变材料浸渍水泥包覆浮石骨料提升混凝土储热性能与力学强度的创新研究

为解决PCM(相变材料)泄漏和界面结合差等问题，研究人员开发了水泥浆包覆PCM浸渍浮石骨料的新型混凝土复合材料。该材料通过压缩强度测试、热导率测量和动态太阳辐射实验证实：MAL-2样品表面温度较对照组降低5°C，冷却过程温度稳定高1°C；孔隙率从13.55%降至7.87%，抗压强度提升32%至16.81MPa。该研究为节能建筑材料和可持续建造提供了创新解决方案。

　　

随着全球建筑能耗占比持续攀升，如何通过材料创新实现被动式温控成为研究热点。相变材料(PCM)因其优异的潜热存储能力，被广泛用于调节建筑热环境。然而传统PCM-混凝土复合材料面临两大瓶颈：液态PCM在相变过程中易从多孔骨料泄漏，导致热效率衰减；粗糙的骨料表面与水泥基体界面结合薄弱，损害力学性能。这些问题严重制约了PCM在结构-功能一体化建筑材料中的应用。

针对这些挑战，Osman Gencel团队创新性地提出"水泥浆双重封装"策略：首先利用浮石(pumice)天然高孔隙特性(孔隙率>50%)吸附月桂醇(LAL)相变材料，再通过水泥浆涂层实现PCM的二次密封。这种设计既防止了PCM泄漏，又通过涂层过渡层增强了骨料-基体界面结合力。研究团队通过系统的材料表征与性能测试，证实该复合材料在保持优异储热性能的同时，力学强度显著提升。

关键技术方法包括：采用不同粒径(2-8mm)浮石优化骨料级配；通过真空浸渍法将LAL(PCM相变温度22-25°C)注入浮石孔隙；水泥浆涂层工艺控制涂层厚度100-200μm；建立动态太阳辐射模拟系统，结合红外热成像监测温度调节性能；依据ASTM C39标准进行力学测试，同步检测孔隙率、吸水率等关键参数。

SEM和EDS分析
扫描电镜显示水泥涂层完整包裹PCM-浮石，界面处形成致密的C-S-H(水化硅酸钙)过渡层。能谱分析证实Ca/Si比从基体的1.8提升至界面区2.3，表明涂层促进了界面区水化反应。

热性能调控
在模拟太阳辐射实验中，PCM复合材料MAL-2表现出显著的温度延迟效应：加热阶段表面温度峰值较对照组(MAL-K)低5.3°C；冷却阶段因PCM潜热释放，温度稳定在高于对照组1.2°C的水平。热导率从0.5706W/mK提升至0.7058W/mK，证实PCM相变有效调节了热流传递。

力学性能增强
抗压强度从12.7MPa提升至16.81MPa(增幅32%)，超声脉冲速度从2.49km/s增至2.58km/s。微观机理分析表明：水泥涂层不仅密封孔隙，其水化产物还桥接了骨料与基体，使荷载传递效率提升27%。

耐久性改善
吸水率从13.94%降至7.13%，孔隙率降低41.5%至7.87%。加速老化实验显示，涂层处理使PCM保留率在100次热循环后仍保持92%，远高于未涂层样本的68%。

该研究通过创新的双重封装技术，成功解决了PCM复合材料领域长期存在的"储热-力学性能倒置"难题。其重要意义体现在三方面：(1) 力学强度提升使PCM混凝土可同时承担结构荷载与温控功能；(2) 水泥浆涂层工艺简单易行，适合规模化生产；(3) 建立的性能优化模型为开发新一代智能建筑材料提供了理论框架。研究结果发表于《Journal of Energy Storage》，为发展近零能耗建筑提供了材料学基础。