基于相变微胶囊掺杂的泡沫混凝土热湿物性参数研究

Research on thermal and moisture physical properties of foam concrete doped with phase change microcapsules

摘要

目前相变材料掺量与相变泡沫混凝土物性参数之间内在联系尚未系统明确。本文通过实验研究，全面量化了相变材料掺量对相变泡沫混凝土物性参数的影响，获取了相变泡沫混凝土设计参数与物性参数及微观孔隙特征之间的内在联系。通过控制相变材料掺量（掺量分别占胶凝材料的5%、10%、15%、20%、25%）制备了目标干密度为1 000 kg/m³的相变泡沫混凝土并进行了相关物性参数的测试。结果表明，随相变材料掺量增加，相变泡沫混凝土干密度与导热系数呈现先增后降的趋势，当相变材料掺量为10%时，干密度与导热系数达到最高1 513.10 kg/m³、0.244 0 W/（m·K）。在相同相对湿度下，随相变材料掺量增加，相变泡沫混凝土平衡含湿量、水蒸气渗透系数和透过率呈下降趋势，并在相变材料掺量15%时趋势减缓，当掺量为25% 时其防潮隔湿性能最佳。进一步的XRD、DSC以及孔径分析测试表明，相变材料的掺量对其孔隙特征的影响是其物性参数变化的根本原因。

Abstract

The relationship between phase-change material content and the physical properties of phase-change foam concrete （FC-mPCM） has not yet been systematically clarified. This study experimentally quantifies the influence of PCM dosage on the physical properties of FC-mPCM and establishes the intrinsic correlation among the design parameters， physical properties， and micro-pore characteristics. Phase change foam concrete with a target dry density of 1000 kg/m³ was prepared by controlling the dosage of phase change materials （accounting for 5%， 10%， 15%， 20% and 25% of the cementitious material， respectively）， and relevant physical property parameters were tested. The results show that with the increase of phase change material dosage， the dry density and thermal conductivity of phase change foam concrete present a trend of first increasing and then decreasing. When the phase change material dosage is 10%， the dry density and thermal conductivity reach the maximum values of 1513.10 kg/m³ and 0.2440 W/（m·K）， respectively. Under the same relative humidity， as the phase change material content increases， the equilibrium moisture content， water vapor permeability coefficient， and transmission rate of phase change foam concrete exhibit a decreasing trend. This trend slows down when the PCM content reaches 15%， and the best moisture-proof and moisture-barrier performance is achieved at a content of 25%. Further XRD， DSC， and pore size analysis tests indicate that the effect of phase change material content on its pore characteristics is the fundamental reason for the variation of its physical property parameters.

Graphical abstract

关键词

围护结构 / 泡沫混凝土 / 相变微胶囊 / 孔隙特征 / 物性参数

Key words

building envelope / foam concrete / phase change microcapsules / pore characteristics / physical properties

建筑围护结构作为建筑重要组成部分，在抵御建筑室外气候变化、营造室内热湿环境等诸多方面发挥着关键作用^［1-2］。通过将相变材料（Phase Change Material， PCM）与围护结构深度集成，能够减缓建筑室内温度波动并显著提升建筑能效^［3-5］，通过提升围护结构热惯性，调节室内热环境，提高建筑能效和热舒适性^［6］。因此，当前将PCM与围护结构的高效集成已经变成了建筑围护结构性能优化领域的研究热点。

当前针对PCM与围护结构的集成方式多种多样^［7-11］，但受制于PCM熔融后体积变化显著、易泄露等缺点^［12-13］使其在建筑领域的应用中面临极大的技术瓶颈。针对上述问题，国内外学者通过将相变材料采用微胶囊外壳进行封装后，将制备的相变微胶囊（Phase Change Microcapsules，mPCM）与混凝土集成，有效的解决了上述问题^［14］，Olivieri等^［15］将不同含量的mPCM替代等体积细骨料掺入混凝土中，结果表明，增加mPCM含量会显著降低密度，且导热系数和扩散率也分别降低了17%和31%。Ramakrishnan等^［16］通过将PCM替代砂体积集成到混凝土中，发现随着相变材料掺量的增加，相变混凝土的表观密度以及强度的显著下降，且导热系数随PCM含量的增加而降低。上述研究表明，mPCM集成于混凝土在应用中存在力学与热工性能倒置，在混凝土中掺入mPCM导致其强度大幅度降低，从而影响建筑整体结构强度，这进一步导致了相变混凝土中mPCM掺量不宜过高，致使其能量密度提升面临瓶颈。

为提升相变混凝土的能量密度，国内外学者将mPCM与在应用中对强度要求较低的泡沫混凝土（Foam Concrete，FC）集成有效的解决了上述问题。泡沫混凝土常应用于非承重结构，故其可掺入更多mPCM，以增强其热工性能。由文献^［17-18］可知相变材料与泡沫混凝土的结合对其物性参数的影响并不是单调的，相变材料的掺量是影响其物性参数的关键因素。然而，当前针对mPCM与泡沫混凝土集成后物性参数的相关研究局限于宏观对密度、导热系数、力学性能以及热容等常规物性参数的测试^［19-21］，针对其湿物性参数及相变材料对物性参数的影响机制研究尚不完善，极大的制约了mPCM此类新型建筑节能材料的发展。因此，系统的探究mPCM与泡沫混凝土的配制方案对其孔隙特征及热工性能的全面影响，对深化PCM在轻质混凝土中的掺杂机理，推动高储热、低密度的轻质建筑材料应用具有重要意义。

综上所述，针对上述研究瓶颈，本研究通过控制mPCM掺量（掺量分别占胶凝材料的5%、10%、15%、20%、25%）制备了目标干密度为1 000 kg/m³的相变泡沫混凝土，并进行了干密度、孔隙率、导热系数、水蒸气渗透系数、液态扩散系数等一系列相关物性参数的测量；同时对相变泡沫混凝土进行X射线衍射物相表征测试，以观测mPCM掺量对相变泡沫混凝土热湿性能影响。本研究首次系统量化了mPCM掺量对相变泡沫混凝土物性参数影响机理，为相变材料在建筑节能中的应用提供了工程依据与理论指导。

1 实验材料及方法

1.1 相变材料集成方式

相变材料集成于泡沫混凝土常规途径可分为直接掺杂法、浸渍法、封装法和形状稳定^［10-11］。其中，直接掺杂法是最简单且经济性最优的选择，但在制备及应用过程中存在相变材料泄露及分散性较差等弊端^［12］。浸渍法虽能提升相变材料在混凝土中分散性，但在制备过程中存在控制难度大、经济成本高等弊端，且在应用中严重影响泡沫混凝土强度及耐久性。相比之下，采用微胶囊封装能够有效解决相变材料泄露的问题^［14］，且因封装壳材导热系数较好接触面积大，能够有效提升相变材料导热效果，因此，本研究采用微胶囊封装相变材料集成方式。

1.2 试件制备

为准确获取相变泡沫混凝土（FC-mPCM）基本物性参数，并进行量化分析。研究选择常规泡沫混凝土、相变泡沫混凝土作为研究对象。同时，为对比不同掺量下的相变材料对泡沫混凝土物性参数的影响，将相变材料掺量分为5种（掺量分别占胶凝材料的5%、10%、15%、20%、25%），试件的尺寸为100 mm×100 mm×20 mm。

1.2.1 原材料

试件采用普通硅酸盐水泥、砂、自来水、发泡剂、28 ℃相变微胶囊制备而成，相变材料部分参数如表1所示。因砂粒径过大会导致泡沫混凝土中气孔塌陷^［22］，故采用1.18 mm的筛子对砂进行筛选，用于制备泡沫混凝土。

1.2.2 配合比

本研究制备FC-mPCM的目标密度选取为1 000 kg/m³，水灰比选取0.5，砂与水泥比例选取1.5，其中相变微胶囊的掺量为胶凝材料的5%、10%、15%、20%、25%。依据（JGJ/T 341—2014）^［23］标准设计配合比，详细配合比如表2所示。实际用水量以调节泡沫混凝土砂浆达到合适流动度为判定标准。

1.2.3 制备及养护

FC-mPCM制备流程大致分为：（1）称取所需干湿物料；（2）将干物料混合并搅拌至均匀且颜色一致；（3）将称取的自来水分批次加入干物料中，并采用手持搅拌器搅拌，直至获得适宜的流动度；（4）将发泡剂以1∶30的比例稀释到水中并采用水泥发泡机以65 kg/m³的密度制备泡沫；（5）当泡沫产出稳定且均匀时，称取并添加至相变水泥砂浆中，以适宜的转速搅拌至均匀；（6）将制备FC-mPCM砂浆浇筑至模具中，抹平并振荡以排除较大气泡，覆盖保鲜膜至脱膜；（7）浇筑后48 h试件脱模并包裹保鲜膜，放置于恒温养护箱中标准养护至测龄期28 d。

1.3 测试方案

为准确获取FC-mPCM基本物性参数，通过养护试件28 d后烘干至恒重，测量其干密度。采用X射线衍射仪分析了相变泡沫混凝土的物相与掺杂形式。试件经烘干、真空饱和实验，以评估其孔隙特征；热传递参数方面，采用DRE-Ⅲ导热系数测试仪测量了试件在不同湿度下的导热系数，并利用差示扫描量热仪分析了其相变性能。湿传递参数则通过等温吸放湿实验^［24］、水蒸气渗透系数测试^［25］以及毛细吸水实验进行系统测定，以研究其吸放湿特性、透湿性及液态水传输能力。等温吸放湿实验采用饱和盐溶液上方相对湿度及溶解度如表3所示。

2 结果与讨论

2.1 mPCM与泡沫混凝土掺杂形式分析

采用X射线衍射（XRD）技术对材料的物相组成进行了系统表征，其衍射图谱如图2所示。在未添加砂石的条件下，以石灰和泡沫发泡剂为主要原料成功制备了泡沫混凝土。XRD结果表明，样品中检测到氢氧化钙（JCPDS No. 72-0156）、碳酸钙（JCPDS No. 81-2027）和氧化钙（JCPDS No. 42-1300）的特征衍射峰，这些特征峰的出现证实了泡沫混凝土的成功制备。如图2（FC-mPCM-sand）图谱所示，在后续实验中，向泡沫混凝土体系中引入砂石后，XRD图谱中可观察到二氧化硅（JCPDS No. 85-1780）的特征衍射峰。值得注意的是，砂石、相变材料的引入并未导致泡沫混凝土衍射峰的位置和强度发生显著变化，这表明砂石、相变材料与泡沫混凝土基体之间未发生明显的化学反应，二者主要以物理混合的形式共存，各自保持了其固有的物相特性。通过对比相变材料引入前后的XRD图谱，发现各特征衍射峰的位置和强度均未发生显著偏移。这一现象可归因于mPCM壳材聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl Methacrylate， PMMA）的高分子聚合态特征。同时，XRD图谱中未检测到mPCM芯材正十八烷的特征衍射峰，这表明在整个制备过程中mPCM具有良好的封装完整性，未发生泄漏现象。综上所述，mPCM成功引入泡沫混凝土体系且无泄漏，二者之间无明显化学反应，主要以物理混合形式共存。

2.2 mPCM-泡沫混凝土孔隙特征分析

通过对FC-mPCM进行真空饱和实验能够反映其开、闭孔率以及孔隙率等特征，为后续实验结果分析提供准确依据。图3为FC-mPCM内部孔隙率、开孔率以及闭孔率，由图中数据可知，随mPCM掺量增加，FC-mPCM孔隙率呈先降后增的趋势，原因主要为当mPCM掺量较小时，在FC-mPCM制备过程中mPCM的高粘性会破坏部分孔隙，故导致在mPCM掺量初期FC-mPCM孔隙率降低，FC-mPCM-5%与未掺杂mPCM的泡沫混凝土相比降低了10.70%，FC-mPCM-10%与FC-mPCM-5%相比减少了14.58%；而当mPCM掺量逐渐增加达到10%时，FC-mPCM内部mPCM粘连部分孔隙，抑制其上浮，故导致FC-mPCM孔隙率缓慢增长，FC-mPCM-15%与FC-mPCM-10%相比增长了8.11%，FC-mPCM-20%与FC-mPCM-15%相比增长了5.01%，FC-mPCM-25%与FC-mPCM-20%相比增长了8.18%，这与文献^［26］得到的结论一致，随mPCM掺量增长其孔隙率逐渐增长。通过进一步观察泡沫混凝土的开孔及闭孔率（图3.b-c）表明，随mPCM的持续掺入，FC-mPCM孔隙开孔率骤降，后随mPCM掺量逐渐增加缓慢增长，FC-mPCM-5%与未掺杂mPCM的泡沫混凝土相比降低了39.27%，FC-mPCM-10%与FC-mPCM-5%相比降低了37.48%，而FC-mPCM-15%与FC-mPCM-10%相比增长了5.09%，FC-mPCM-20%与FC-mPCM-15%相比增长了9.24%，FC-mPCM-25%与FC-mPCM-20%相比增长了19.14%。FC-mPCM闭孔率随mPCM掺量增加呈现缓慢增长的趋势。

2.3 mPCM-泡沫混凝土干密度分析

图4为FC-mPCM干密度随着相变微胶囊（mPCM）掺量变化关系，未掺杂mPCM的泡沫混凝土干密度均值为1 064.47 kg/m³，而FC-mPCM-5%、FC-mPCM-10%、FC-mPCM-15%、FC-mPCM-20%和FC-mPCM-25%的干密度均值分别为1 265.32、1 513.10、1 434.23、1 387.85和1 269.43 kg/m³，FC-mPCM干密度随mPCM掺量增加呈现先增后降的趋势，且前半段增长率较大，后半段降低率较小。FC-mPCM-5%与未掺杂mPCM的泡沫混凝土相比增长了18.87%，FC-mPCM-10%与FC-mPCM-5%相比增长了19.58%，而FC-mPCM-15%与FC-mPCM-10%相比降低了5.21%，FC-mPCM-20%与FC-mPCM-15%相比降低了3.23%，FC-mPCM-25%与FC-mPCM-20%相比降低了8.53%。

由于XRD测试表征了mPCM的掺入并未产生明显的化学反应，主要为物理混合的形式共存，因此导致FC-mPCM干密度随mPCM的变化趋势可归因于两方面：（1）FC-mPCM湿混合物在混合过程中因mPCM的掺入量增加具有更高的粘稠度，在制备过程中能够观察到最终湿混合物的体积比较设计值低，mPCM因其高粘度在混合过程中破坏较大气孔并占据，导致试件孔隙率降低，而水泥和砂的密度较大，因此试件在mPCM掺入量初期密度迅速升高。（2）在其他材料用量不变的前提下，随着mPCM掺入量的增加，mPCM因其高粘性聚集而导致试件孔隙率增加，同时进一步取代试件中原有胶凝材料位置。当mPCM掺量大于10%时，FC-mPCM-15%较FC-mPCM-10%孔隙率增长3.61%，而mPCM的密度（880 kg/m³）远小于水泥（3 100 kg/m³）和砂的密度，随着mPCM掺量增加，其低密度特性对体系干密度的“稀释作用”更加显著，从而使FC-mPCM在mPCM掺入量增加后干密度逐步降低。

2.4 mPCM-泡沫混凝土热传递参数分析

图5（a）为干燥FC-mPCM导热系数随mPCM掺量变化关系，未掺杂mPCM的泡沫混凝土FC导热系数均值为0.106 8 W/m·K，而FC-mPCM-5%、FC-mPCM-10%、FC-mPCM-15%、FC-mPCM-20%和FC-mPCM-25%的导热系数均值分别为0.156 3、0.244 0、0.203 9、0.192 6和0.152 4 W/m·K。FC-mPCM-10%与FC-mPCM-5%相比增长幅度最大，约为56.11%，而FC-mPCM-25%与FC-mPCM-20%相比降低幅度最大，约为20.87%。FC-mPCM的导热系数变化趋势与干密度变化趋势基本一致，呈现先增后降的趋势且前半段增长率较大，后半段降低率较小。故导致FC-mPCM导热系数随mPCM变化趋势的原因可以归结于：（1）FC-mPCM在制备过程中由于mPCM具有高粘度，导致较大气孔被破坏并被占据，孔隙率降低，mPCM、水泥和砂的导热系数远高于气孔中空气的导热系数（0.028 W/m·K），故FC-mPCM在mPCM掺入量初期导热系数迅速升高，这与Barreneche等^［27］得到的结论一致。（2）材料导热系数变化与干密度原理类似，随着mPCM掺入量的增加，FC-mPCM孔隙率增加，同时mPCM将进一步取代试件中原有胶凝材料位置，而mPCM的导热系数小于水泥和砂的导热系数，故FC-mPCM导热系数随mPCM掺量增加到一定程度时降低。

FC-mPCM随mPCM掺量增加呈现先增后降的趋势，在mPCM掺量为25%时材料导热系数仍较普通泡沫混凝土高，但其因掺入mPCM具有较高的储热能力，故仍具有较大的节能潜力，有助于减缓室内波动，提高室内热舒适性。

FC-mPCM内部的水分主要以水蒸气和液态水两种形式存在，湿的存在形式不同导致FC-mPC。图5（b）为不同mPCM掺量下含湿量对FC-mPCM导热系数的影响。由图中可知，FC-mPCM导热系数随含湿量增加呈增加的趋势，增长幅度在低含湿量状态下较大，在较高含湿量状态下较小。因mPCM掺量不同导致试件内部气孔变化及组分差异，从而呈现不同试件类型的导热系数增加幅度出现差异。在低含湿量状态下，试件内部湿主要以水蒸气形式存在，由于FC-mPCM内部存在大量气孔，气孔内部空气被水蒸气取代，从而导致试件在低含湿量状态下导热系数迅速增长。当含湿量由0 增加至0.1 kg/kg时，未掺杂mPCM的泡沫混凝土FC的导热系数增加了348.53%，随着mPCM的掺入，FC-mPCM导热系数因含湿量增长而增加的速率急速下降，随着mPCM的进一步掺入，试件内部孔隙率呈现先降后增的趋势，但试件内部封闭孔隙增多，综合孔隙与封闭孔隙对含湿量影响，试件增长逐步稳定在20%左右。在高含湿量状态下，试件内部逐渐出现液态水，液态水在骨料之间形成液桥^［28］，增强试件传热，但骨料处于不饱和状态，导致试件吸湿效应显著，故试件在高含湿量状态下导热系数增长幅度呈现减缓的趋势。随含湿量进一步增加，试件内部液态水毛细回流增强，从而使试件导热系数增长幅度进一步减缓。

采用幂函数对材料含湿量与导热系数进行拟合（如图6所示），各个掺量下的相关系数R²分别为0.990、0.998、0.974、0.951、0.986、0.981，可知拟合模型能够准确反映FC-mPCM导热系数随含湿量变化关系。

通过对FC-mPCM进行差示扫描分析，测量不同mPCM掺量下FC-mPCM相变温度及潜热，结果如表4所示。结果表明，随mPCM掺量增加，FC-mPCM潜热逐渐增大，掺量为25%时潜热达到最大达到12.8 J/g。图7（a）呈现了不同mPCM掺量下FC-mPCM比热容随温度的变化，图7（b）呈现了26 ℃下FC-mPCM比热容随mPCM掺量变化。由图中数据可得，FC-mPCM比热容随温度变化逐渐上升，分析26 ℃下FC-mPCM比热容可知，当掺量为25%达到最大为1.68 J/g· ℃，较未掺杂mPCM的泡沫混凝土增长20.62%。

2.5 mPCM-泡沫混凝土湿传递参数分析

为准确获取不同相对湿度下试件的平衡含湿量，对吸、放湿组试件平衡含湿量求取均值，采用误差棒代表平衡含湿量的标准差。采用式（1）GAB模型对FC-mPCM等温吸放湿实验结果进行拟合，图8为不同mPCM掺量下FC-mPCM等温吸放湿拟合曲线，各个掺量下的相关系数R²分别为0.995、0.988、0.994、0.987、0.990、0.993，R²均大于0.95，可以看出GAB模型能够较好的拟合相变泡沫混凝土平衡含湿量与相对湿度的变化关系。

u=\frac{(W_m\cdot \mathrm{C}\cdot \mathrm{K}\cdot \varphi )}{(\mathrm{1}-\mathrm{K}\cdot \varphi )\cdot (\mathrm{1}-\mathrm{K}\cdot \varphi +\mathrm{C}\cdot \mathrm{K}\cdot \varphi )}（1）

式中：C为吸附热相关常数；\mathrm{u}为平衡含湿量，kg/kg；W_m为单分子层吸附水量，kg/kg；\varphi为相对湿度，%；\mathrm{K}为常量。

由图8可知，FC-mPCM在吸湿初期较为缓慢，随相对湿度的增加，试件平衡含湿量增长速率逐渐增大，当环境相对湿度达到60%时，试件平衡含湿量增长速率急剧增长。在放湿过程初期试件平衡含湿量降低较快，当环境湿度达到60%时，试件平衡含湿量降低速率减缓。分析图中数据可知，在相同相对湿度下，未掺杂mPCM的泡沫混凝土与掺杂mPCM的FC-mPCM相比平衡含湿量较高，随着mPCM掺入，FC-mPCM平衡含湿量逐渐下降。导致此现象可归结于未掺杂mPCM的泡沫混凝土具有更多的孔隙，为水蒸气吸附提供更大的比表面积，使水蒸气分子更容易在试件表面及内部孔隙中停留和聚集，从而在相同相对湿度下达到平衡时平衡含湿量较高。

等温吸放湿拟合曲线中，W_m代表单分子层吸附量，W_m能够间接反映试件孔隙结构，W_m越高试件比表面积较大，即试件拥有较多且较为密集的孔隙，在试件养护完成后能够清晰地观察到未掺杂mPCM的泡沫混凝土表面拥有最多密集的孔隙，结合真空饱和实验与孔径分析结果，随着mPCM的掺入，试件表面孔隙逐渐减少并减小，试件孔隙被破坏并填充，同时，mPCM壳材选取聚甲基丙烯酸甲酯，该材料具有疏水性从而抑制试件吸水能力，以致FC-mPCM平衡含湿量随mPCM含量增加而降低，当mPCM掺量达到15%时，试件孔隙率逐渐上升，但试件内部封闭孔隙增长与连通孔隙增长相比较大，且mPCM掺量增加，抑制试件吸水能力增强，故FC-mPCM平衡含湿量随mPCM掺量增加仍为降低趋势。从拟合曲线获得未掺杂mPCM的泡沫混凝土单分子层吸附量为0.014 05 kg/kg，而FC-mPCM-5%、FC-mPCM-10%、FC-mPCM-15%、FC-mPCM-20%和FC-mPCM-25%的单分子吸附量为0.010 95、0.010 74、0.008 02、0.007 46和0.007 01 kg/kg。

图9为FC-mPCM的mPCM掺量与水蒸气渗透系数、水蒸气渗透阻、水蒸气透过率之间的关系。随着mPCM掺量逐步增加，FC-mPCM的水蒸气渗透系数与透过率呈现下降趋势，当mPCM掺量增加到10%时，其下降趋势随着mPCM掺量的逐渐增加其下降速率逐渐减缓。材料水蒸气渗透阻力随着mPCM掺量而增加，mPCM掺量较小时，水蒸气渗透阻力迅速增长，随着mPCM掺量进一步增加，水蒸气渗透阻力增长速率减缓。未掺杂mPCM的泡沫混凝土水蒸气渗透系数与透过率最大分别为1.673 46E-08 g/m·s·pa、4.229 g/m²·h；FC-mPCM-25%的水蒸气渗透系数与透过率最小分别为4.286 69E-09 g/m·s·pa、1.083 3 g/m²·h。同时，FC-mPCM-25%的水蒸气渗透阻达到4.67E+06 m²·s·Pa/g，是常规试件的3.9倍。其主要原因为当mPCM掺量增加时，试件孔隙逐渐被破坏并填充，随着mPCM的进一步掺入，试件内部孔隙率增大但闭孔率也在增长，故FC-mPCM试件水蒸气渗透系数、透过率、渗透组逐渐趋于稳定。

随着mPCM的掺入，FC-mPCM的水蒸气渗透系数与透过率降低，而渗透阻增加。高mPCM掺量试件适用于防潮性要求较高的建筑，而低mPCM掺量试件则适用于需要面板具有一定透湿性能的建筑。因此，在FC-mPCM使用时需平衡透过率与渗透阻之间关系。

图10为不同mPCM掺量下FC-mPCM土吸水实验的结果。在吸水实验中，进行两次重复测试并求取平均值，以减少实验导致的相对误差。第一阶段材料单位面积质量增量与时间近似呈线性关系，其拟合线的斜率即为试件吸水系数；第二阶段中试件近似饱和，其吸水速率近似为0；取第一阶段与第二阶段拟合线交点即可计算试件液态水扩散系数，不同mPCM掺量下FC-mPCM吸水系数及液态水扩散系数见表5。由表中数据可得，未掺杂mPCM的吸水系数和液态水扩散系数为0.542 4 kg/m²·s^0.5和5.022 5E-08 m²/s，掺杂mPCM后FC-mPCM-5%的吸水系数和液态水扩散系数最小为0.345 9 kg/m²·s^0.5和2.927 91E-08 m²/s，FC-mPCM-10%的吸水系数和液态水扩散系数最大为0.053 85 kg/m²·s^0.5和5.868 52E-08 m²/s。

3 结论

本文通过控制相变材料掺量（掺量分别占胶凝材料的5%、10%、15%、20%、25%）制备了目标干密度为1 000kg/m³的FC-mPCM，X射线衍射测试表明mPCM的掺入未产生明显化学反应，各组分主要以物理混合的形式共存。通过对FC-mPCM进行密度、孔隙率、导热系数、水蒸气渗透系数、液态扩散系数等物性参数的测量，得出以下结论：

（1）孔隙结构调控机理。mPCM掺量通过改变内部孔隙连通性与封闭性，影响FC-mPCM热湿性能演变。随mPCM掺量增加，孔隙率呈先降后升趋势，开孔率骤降后缓升，封闭孔隙持续缓慢增长。该结构变化为其热湿性能提供关键微结构基础，为调控材料渗透与蓄热提供依据。

（2）热物理性能响应规律。FC-mPCM干密度与导热系数随mPCM掺量先增后降，且前期增幅显著，FC-mPCM-10%达峰值，后期降幅趋缓。该变化反映出mPCM对材料轻质化和隔热性能的双重调控作用，可用于优化材料配比设计。

（3）热湿耦合作用机制。导热系数随含湿量呈幂函数增长，低含湿区增幅显著，且mPCM掺入明显抑制含湿引起的导热系数增速。同时，mPCM显著提升了材料潜热储能能力。结果表明mPCM可有效缓解热湿耦合导致的传热增强，提升材料在变温环境中的热调节能力。

（4）湿传递行为调控效果。FC-mPCM平衡含湿量随环境湿度加速上升，当相对湿度≥60%时急剧增长，但同湿度下其值低于普通泡沫混凝土，且随mPCM掺量增加持续下降。水蒸气渗透系数与透过率随掺量递增而下降，在低掺量段降幅显著，液态水吸收与扩散性能受掺量调控，FC-mPCM-5%的吸水系数与扩散系数最低。结果表明，mPCM能够系统改善材料的防潮与透湿性能。

参考文献

[1] 孔凡红， 郑茂余， 韩宗伟. 新建建筑围护结构热质传递对室内温湿度环境的影响［J］. 建筑科学， 2008， 24（8）： 94-97.

[2] KONG Fanhong， ZHENG Maoyu， HAN Zongwei. Effects of heat and mass transfer of building envelope on indoor temperature and humidity environment［J］. Building Science， 2008， 24（8）： 94-97.

[3] 张佩泽，吕石磊，王冉.极端热浪叠加停电情景下相变储热围护结构提升建筑本体热韧性方法研究［J］.储能科学与技术，2026，15（3）：1004-1011.

[4] ZHANG Peize， LV Shilei， WANG Ran.Study on the method of improving building thermal resilience by phase change thermal storage envelope under extreme heatwave and power outage scenario ［J］. Energy Storage Science and Technology， 2026， 15（3）： 1004-1011.

[5] 于水，李勇，尹泽开，等.相变储能围护结构设计研究进展［J/OL］.化工新型材料，1-9［2026-03-24］.

[6] YU Shui， LI Yong， YIN Zekai， et al. Research progress in design of phase change energy storage envelope ［J/OL］. New Chemical Materials， 1-9 ［2026-03-24］.

[7] ROSTAMI S， AFRAND M， SHAHSAVAR A， et al. A review of melting and freezing processes of PCM/nano-PCM and their application in energy storage［J］. Energy， 2020， 211： 118698.

[8] 李福海，杨博，霍佳腾，等.相变材料对陶粒泡沫混凝土热工性能的影响［J/OL］.西南交通大学学报，1-14［2026-03-24］.

[9] LI Fuhai， YANG Bo， HUO Jiateng， et al. Effect of phase change materials on thermal properties of ceramsite foam concrete ［J/OL］. Journal of Southwest Jiaotong University， 1-14 ［2026-03-24］.

[10] WANG Z， QIAO Y， LIU Y， et al. Thermal storage performance of building envelopes for nearly-zero energy buildings during cooling season in Western China： An experimental study［J］. Building and Environment， 2021， 194： 107709.

[11] 徐春雯，雷星昱，丁林聚，等.自适应相变玻璃动态光热性能测试热箱实验系统设计［J］.实验室研究与探索，2024，43（11）：64-68，77.

[12] XU Chunwen， LEI Xingyu， DING Linju， et al. Design of hot box experimental system for testing dynamic opto-thermal performance of adaptive phase change glass［J］. Research and Exploration in Laboratory， 2024， 43（11）： 64-68， 77.

[13] KOSNY J， KOSSECKA E， BRZEZINSKI A， et al. Dynamic thermal performance analysis of fiber insulations containing bio-based phase change materials （PCMs）［J］. Energy and Buildings， 2012， 52： 122-131.

[14] 孟凡康，彭栋坤，蔡鹏.严寒地区相变日光温室蓄放热性能模拟研究［J］.储能科学与技术，2025，14（6）：2532-2539.

[15] MENG Fankang， PENG Dongkun， CAI Peng. Simulation study on heat storage and release performance of phase change solar greenhouse in severe cold regions［J］. Energy Storage Science and Technology， 2025， 14（6）： 2532-2539.

[16] AL-ABSI Z A A S， ISA M H M， ISMAIL M. Application of phase change materials （PCMs） in building walls： a review［C］//International Conference on Architecture and Civil Engineering Conference：. Singapore： Springer Singapore， 2018： 73-82.

[17] 曾长女，张振，宋红领.相变材料应用于粮仓屋面的节能效果分析［J/OL］.粮油食品科技，1-11［2026-03-24］.

[18] ZENG Changnü， ZHANG Zhen， SONG Hongling. Analysis on energy-saving effect of phase change materials applied to granary roof［J/OL］. Science and Technology of Cereals， Oils and Foods， 1-11［2026-03-24］.

[19] KOŚNY J. PCM-enhanced building components： an application of phase change materials in building envelopes and internal structures ［M］. Springer， 2015.

[20] WU X H， CHEN Y N， HOU J W， et al. Performance characterization of form-stable carbon-based network microcapsules for thermal energy storage ［J］. Applied Thermal Engineering， 2022， 212： 118632.

[21] CHEN M， QIAN Z， LIU H， et al. Size-tunable CaCO₃@n-eicosane phase-change microcapsules for thermal energy storage［J］. Chemical Engineering Journal， 2022， 640： 128470.

[22] OLIVIERI L， TENORIO J A， REVUELTA D， et al. Developing a PCM-enhanced mortar for thermally active precast walls［J］. Construction and Building Materials， 2018， 181： 638-649.

[23] RAMAKRISHNAN S， WANG X， SANJAYAN J， et al. Thermal energy storage enhancement of lightweight cement mortars with the application of phase change materials［J］. Construction and Building Materials， 2017， 180： 1170-1177.

[24] LIU L， CHEN J， QU Y， et al. A foamed cement blocks with paraffin/expanded graphite composite phase change solar thermal absorption material［J］. Construction and Building Materials， 2019， 200： 110038.

[25] AL-ABSI Z A， HAFIZAL M I M， ISMAIL M， et al. Properties of PCM-based composites developed for the exterior finishes of building walls［J］. Sustainable Cities and Society， 2022， 16： e00960.

[26] 尹冠生，张锦涛，史明辉，等.相变蓄热泡沫混凝土热性能［J］.复合材料学报，2023，40（7）：4246-4259.

[27] YIN Guansheng， ZHANG Jintao， SHI Minghui， et al. Thermal performance of latent heat storage foam concrete［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2023， 40（7）： 4246-4259.

[28] MA L， ZHAO X， FU E， et al. Thermophysical properties and energy-saving efficiency of phase change microcapsule foamed cement composite insulation materials［J］. Construction and Building Materials， 2024， 323： 114747.

[29] LIM M， CHOI D. Basic physical and thermal properties of PCM-light-weight concrete［J］. Int. J. Appl. Eng. Res.， 2017， 12（11）： 2738-2744.

[30] BRADY K C， WATTS G R A， JONES M R. Specification for foamed concrete［R］. Crowthorne： Transport Research Laboratory， 2001.

[31] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 泡沫混凝土应用技术规程： JGJ/T 341—2014 ［S］. 北京： 中国建筑工业出版社， 2015.

[32] Ministry of Housing and Urban–Rural Development of the People's Republic of China. Technical specification for application of foamed concrete： JGJ/T 341—2014 ［S］. Beijing： China Architecture & Building Press， 2015.

[33] 全国绝热材料标准化技术委员会（SAC/TC 191）.建筑材料及制品的湿热性能吸湿性能的测定：GB/T 20312—2006 ［S］.北京：中国标准出版社，2006.

[34] Standardization Administration of China， Technical Committee 191 on Thermal Insulation Materials （SAC/TC 191）. Hygrothermal performance of building materials and products - Determination of hygroscopic sorption properties： GB/T 20312—2006 ［S］. Beijing： China Standards Press， 2006.

[35] 全国绝热材料标准化技术委员会（SAC/TC 191）.建筑材料及其制品水蒸气透过性能试验方法：GB/T 17146—2015 ［S］.北京：中国标准出版社，2015.

[36] Standardization Administration of China， Technical Committee 191 on Thermal Insulation Materials （SAC/TC 191）. Test methods for water vapour transmission properties of building materials and products： GB/T 17146—2015 ［S］.Beijing： China Standards Press， 2015.

[37] Chinese in.

[38] DEHDEZI P K， HALL M R， DAWSON A R， et al. Thermal， mechanical and microstructural analysis of concrete containing microencapsulated phase change materials［J］. International Journal of Pavement Engineering， 2013， 14（5）： 449-462.

[39] BARRENECHE C， DE GRACIA A， SERRANO S， et al. Comparison of three different devices available in Spain to test thermal properties of building materials including phase change materials［J］. Applied Energy， 2013， 109： 421-427.

[40] SINGH A K， CHAUDHARY D R. Experimental investigation on the thermophysical properties of moist porous materials［J］. Heat Recovery Systems and CHP， 1992， 12（2）： 113-121.

基金资助

国家自然科学基金(52478099)

辽宁省教育厅高等学校基本科研项目(LJ222410153080)

辽宁省教育厅高等学校优秀博士研究生项目(2024bspy-1-003)