將相變材料 (PCM) 結合到建筑材料中，以通過熱能儲存 (TES) 和熱調節(jié)來提高建筑物的能源效率。PCM 在其相變溫度下將其相從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，反之亦然，吸收或釋放大量能量。通過將 PCM 集成到建筑材料中，可以顯著增加建筑物的熱慣性（質量）。在縮小能源/電力需求的高峰和非高峰負荷之間的差距、減少晝夜溫度波動以及利用夜間自然冷卻來削減白天的高峰冷負荷方面，PCM 被認為是一種很有前景的 TES 方法。
兩種主要方法已被用于將 PCM 摻入建筑材料中：
(1) PCM 的微封裝
PCM 被封裝在保護性聚合物外殼中。所生產(chǎn)的微囊化 PCM 可以通過加熱/冷卻循環(huán)盡可能長時間地保存 PCM。這種微封裝方法增加了傳熱面積，降低了 PCM 的反應性，限制了與建筑材料的相互作用，增強了低導熱性，并有利于 PCM 的處理。然而，它也存在一些缺點，阻礙了 PCM 在建筑材料中的實際應用。例如，保護殼由通常具有低機械剛度和強度的聚合物制成。因此，添加微膠囊可顯著降低建筑材料的機械剛度和強度。微膠囊在混凝土攪拌過程中也很容易破裂，導致 PCM 泄漏。聚合物殼還具有低化學和熱穩(wěn)定性。它會因紫外線、氧化和其他腐蝕性化學物質而變質。當溫度超過其玻璃化轉變溫度時，它也會失去穩(wěn)定性。聚合物外殼也可能是易燃的，因此不能被建筑行業(yè)采用。此外，聚合物外殼的熱導率通常非常低，使得外殼內部的 PCM 與外部環(huán)境之間的熱交換更加困難。微膠囊在混凝土攪拌過程中也很容易破裂，導致 PCM 泄漏。聚合物殼還具有低化學和熱穩(wěn)定性。它會因紫外線、氧化和其他腐蝕性化學物質而變質。當溫度超過其玻璃化轉變溫度時，它也會失去穩(wěn)定性。聚合物外殼也可能是易燃的，因此不能被建筑行業(yè)采用。此外，聚合物外殼的熱導率通常非常低，使得外殼內部的 PCM 與外部環(huán)境之間的熱交換更加困難。微膠囊在混凝土攪拌過程中也很容易破裂，導致 PCM 泄漏。聚合物殼還具有低化學和熱穩(wěn)定性。它會因紫外線、氧化和其他腐蝕性化學物質而變質。當溫度超過其玻璃化轉變溫度時，它也會失去穩(wěn)定性。聚合物外殼也可能是易燃的，因此不能被建筑行業(yè)采用。此外，聚合物外殼的熱導率通常非常低，使得外殼內部的 PCM 與外部環(huán)境之間的熱交換更加困難。當溫度超過其玻璃化轉變溫度時，它也會失去穩(wěn)定性。聚合物外殼也可能是易燃的，因此不能被建筑行業(yè)采用。此外，聚合物外殼的熱導率通常非常低，使得外殼內部的 PCM 與外部環(huán)境之間的熱交換更加困難。當溫度超過其玻璃化轉變溫度時，它也會失去穩(wěn)定性。聚合物外殼也可能是易燃的，因此不能被建筑行業(yè)采用。此外，聚合物外殼的熱導率通常非常低，使得外殼內部的 PCM 與外部環(huán)境之間的熱交換更加困難。
(2) 形狀穩(wěn)定的 PCM 復合材料。
在第二種方法中，PCM首先被吸收到多孔材料中，例如輕質骨料和硅藻土顆粒，形成穩(wěn)定的復合材料，然后將其添加到建筑材料中。當使用多孔顆粒吸收 PCM 時，復合材料表面沒有保護層。因此，一旦溫度超過相變材料，PCM 仍會從多孔材料中泄漏，從而導致所聲稱的儲熱容量降低或損失。
在將 PCM 以外的材料引入建筑材料時，已經(jīng)嘗試過類似的方法。這在將外加劑引入混凝土時尤其普遍。當外加劑直接添加到混合物中時，外加劑和水泥水化之間的不相容性是混凝土制造中的主要問題。例如，減水劑是混凝土中最常用的外加劑，可能會產(chǎn)生不良的副作用，例如快速喪失和易性、過度加速/延遲凝固、降低強度增益率和長期性能變化。同樣，用于減少混凝土構件的干燥和自收縮的減縮外加劑也會對混凝土產(chǎn)生副作用，因為它們會降低混凝土的水泥水化速率和強度發(fā)展。
作為混凝土的主要成分，水還被用作高強度混凝土 (HSC) 中的外加劑，以通過內部養(yǎng)護減少混凝土的自收縮。自收縮主要是由自收縮引起的孔隙流體中的毛細張力引起的。在水灰比 (W/C) 低于 0.3 的 HSC 情況下，自收縮可占總收縮變形的 50% 以上。自收縮可導致早齡混凝土出現(xiàn)嚴重開裂。由于 HSC 的緊湊孔隙結構和非常低的滲透率，這些開裂問題無法通過傳統(tǒng)的全水固化來緩解。為了最大限度地減少或消除自收縮，必須在需要時在混凝土內提供額外的水分。這種額外的水分主要用作混凝土中的外加劑。但是，在攪拌過程中不能直接添加到混凝土中，因為 HSC 的抗壓強度會顯著降低。
與水泥水化的不良相互作用會妨礙在混凝土中使用其他一些外加劑。例如，生物活性劑已被證明可以防止不銹鋼和鋁的腐蝕。它們提供了一種環(huán)保的方法來防止混凝土腐蝕。然而，當這些生物活性劑簡單地與混凝土混合時，混凝土的 28 天抗壓強度降低了 60% 以上。這是因為生物活性劑可以覆蓋水泥顆粒的表面，從而阻止水泥顆粒與水反應，導致產(chǎn)生的CSH較少，抗壓強度低得多。
與 PCM 一樣，基于聚合物的微膠囊或多孔復合材料已被嘗試作為一種將外加劑摻入混凝土中的方法，而不會產(chǎn)生由外加劑和混凝土相互作用引起的不良影響。例如，改變粘度、賦予抗菌性能、提高耐腐蝕性或耐火性或改變所需水的組合物已被微囊化或吸附到多孔復合材料中，然后與混凝土混合。然而，如所指出的，這些方法可能具有缺點，例如微膠囊破裂、制造成本高、混合物泄漏、混合物輸送不良或性能不佳。
因此需要新的組合物和方法，可用于將 PCM 和其他外加劑摻入建筑材料如混凝土中。本文公開的組合物和方法尋求解決這些和其他需要。
