打破使用老化困境：一种用于建筑围护结构自主热调节的仿生多功能混凝土系统

《Energy》：Breaking the aging-with-use trap: A bio-inspired multifunctional concrete system for autonomous thermal regulation in building envelopes

　　一个受生物启发的混凝土系统，集成了相变材料、生物炭和自修复微胶囊。负反馈回路将热循环耐久性提升了四倍以上。现场试验显示，温度衰减达41.4%，潜热保持率为92.0%。自修复实现了110.60%的修复率，相变材料泄漏量仅为0.6%。优化后的混凝土达到LC30等级，包封成本仅为传统方法的1/27。引言建筑部门占全球终端能源消耗的30%至40%[1]，[2]，并贡献了约37%的全球CO2排放，使其成为气候变化的主要驱动因素。在建筑运行能耗中，约一半用于供暖、通风和空调（HVAC）系统——而其中超过50%的HVAC能耗通过建筑围护结构的热交换损失[3]，[4]。即使所有发电一夜之间脱碳，围护结构热损失的巨大规模仍将持续产生大量能源需求和相关排放。换言之，如果不从根本上改善围护结构的热工性能，就无法实现碳中和——围护结构性能与碳中和之间存在着密不可分的联系。相变材料（PCM）被视为建筑领域首选的被动热调节策略。通过在固液相变过程中吸收和释放潜热，PCM可减轻室内温度波动并降低空调需求[5]，[6]。这一前提在文献中几乎是公认的。然而，本研究挑战了这一共识，揭示了一个长期被忽视的现象：集成PCM的建筑围护结构并不会随着使用而变得更高效——而是变得更加耗能[7]，[8]，[9]。这种反直觉的可能性源于PCM围护结构在长期服役中固有的系统性失效机制。热循环诱发微裂纹穿透PCM包封层，使液态PCM通过裂纹通道迁移；PCM损失降低了热调节能力；温度波动加剧；进而产生更多裂纹[10]，[11]，[12]，[13]，[14]——由此形成了一个经典的正反馈回路。系统并非线性老化，而是随着每次循环加速自身的劣化。一旦启动，该回路缺乏任何内在的自终止机制。每次裂纹事件都会导致不可逆的PCM损失，而热缓冲能力的丧失使随后的温度波动更加剧烈——损伤被回路放大而非消散。这并非推测，而是有经验证据佐证。Zhang等人证明，穿透包封层的微裂纹形成了泄漏通道，加速了热循环过程中PCM的损失[15]。Deb等人通过对PCM轻骨料混凝土板进行为期三年的室外暴露试验，确认了因PCM浸出和微胶囊壳降解而导致的显著效率损失——热调节能力随时间持续下降[16]。此外，PCM的掺入本身就削弱了基体：多孔PCM载体引入了薄弱区，导致抗压强度降低10%至30%[17]，[18]，[19]，而PCM的疏水性进一步抑制了水泥水化[20]。这三种衰减模式——PCM损失、包封失效和基体劣化——相互强化，形成了一个自加速的“热-力-损伤”陷阱。现有技术无法主动中断这一循环。近期研究通过多种方法探索了PCM在建筑围护结构中的集成，包括热带气候下结合PCM和热反射涂料的竹基系统[21]，PCM增强建筑构件的多目标优化[22]，[23]，结合PCM和热反射涂料的轻质空心聚碳酸酯屋顶[24]，以及炎热气候被动冷却策略的综合综述[25]，[26]。这些研究共同强调了基于PCM的围护结构系统在建筑能效方面日益增长的潜力，同时也揭示了这类系统在反复热循环下的长期耐久性——这一对实际部署至关重要的关注点——所获得的关注相对有限。迄今为止的努力是孤立且零散的。自修复微胶囊可释放修复剂封堵扩展中的裂纹[27]，[28]，[29]，但其触发效率受尺寸控制限制的制约[30]，[31]，[32]，[33]；而生物炭可通过填充、成核和火山灰效应致密化基体[34]，[35]，[36]，[37]。然而，这些策略一直沿着独立平行的轨道推进，对其潜在协同效应的关注甚少——或者它们的集成能否产生一种超越各部分之和的涌现性、自维持反馈机制[38]，[39]，[40]，[41]。更重要的是，关键且悬而未决的问题是：微胶囊在修复裂纹的同时，是否也能保护PCM免受泄漏？生物炭通过基体致密化，是否能提高微胶囊触发的可靠性？这些问题对于打破正反馈回路至关重要，但至今仍未解决[42]，[43]。自然界提供了一个经过验证的范例。人体无论外部热扰动如何，都能维持37°C的恒定核心温度——通过出汗和颤抖，执行经典的负反馈回路[44]。相比之下，PCM围护结构并非自稳定而是自放大。这一对比指向了一个根本性的设计方向：建筑围护结构需要一种类似于人体的负反馈机制，该机制包含三项不可或缺的功能：热调节以阻尼温度波动的驱动力、结构增强以减缓损伤积累、以及自修复以在损伤发生后进行修复并使系统恢复到初始状态。本研究提出了一种受生物启发的多功能混凝土系统，集成了三种功能组分——PCM骨料（热调节）、自修复微胶囊（裂纹修复）和污泥生物炭（基体增强）——它们以“源头衰减、通路阻隔、损伤修复”的时间级联顺序协同作用，旨在实现建筑围护结构热调节的负反馈回路。本工作的贡献有三个方面：（1）提出了“正反馈回路”框架，揭示了传统PCM围护结构长期性能衰减的基本机制；（2）提供了混凝土尺度的实验验证，证明微胶囊修复的裂纹封堵了PCM泄漏通道；（3）通过实验与数学分析相结合，证明负反馈回路将潜热衰减从指数模式转变为线性模式，从而展示了自维持热调节的理论可行性。本文结构如下。第2节详述材料与实验方法。第3节报告结果与讨论。第4节总结主要发现与未来展望。章节片段原材料原材料如图1所示，其性能汇总于表1。细度模数为2.7的河砂作为细骨料，粒径5–20 mm的页岩陶粒作为轻骨料。采用固含量20%的聚羧酸系高效减水剂。共晶组分通过Schr?der方程预测指导的逐步冷却曲线筛选确定。纯癸酸和硬脂酸在冷却过程中显示出结晶平台。受生物启发的功能材料通过差示扫描量热法（DSC）分析了癸酸–硬脂酸共晶PCM的热性能。如图6所示，加热过程中观察到一个单一的吸热峰，证实形成了稳定的共晶体系而无相分离。起始熔融温度确定为24.83°C，潜热为154.38 J/g。值得注意的是，该熔融温度正好落在ASHRAE人体热舒适范围20–26°C之内[45]，表明其...结论受生物体温调节、组织修复和骨骼增强的启发，本研究开发了一种集成PCM骨料、生物炭和自修复微胶囊的生物启发混凝土，以闭合传统PCM集成围护结构固有的正反馈回路——其中热循环诱发微裂纹、PCM泄漏和热衰减，进而加速进一步劣化。该系统以源头衰减、通路阻隔和损伤修复的级联顺序运行...CRediT作者贡献声明De Chen：写作—审阅与编辑、资金获取、数据管理、概念化。Jiaxing Tao：方法学。Qian Su：监督、资源、项目管理。Yukun Li：写作—初稿、验证、软件、方法学、概念化。Tingting Wang：监督、资源、项目管理、正式分析。利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，可能影响本文报告的工作。数据可用性数据可应要求提供。利益冲突声明? 作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，可能影响本文报告的工作。致谢本研究由四川省自然科学基金重点项目（批准号：2026NSFSC0290）、甘肃省科技厅（批准号：25YFFA078）、甘肃省交通运输厅（批准号：2024-47）、青海省科技厅（批准号：2025-QY-232）、内蒙古自治区科技厅（批准号：2025YFKL0016）、青海省交通运输厅...资助。Yukun Li|Tingting Wang|Jiaxing Tao|Qian Su|De Chen