将相变材料 (PCM) 结合到建筑材料中，以通过热能储存 (TES) 和热调节来提高建筑物的能源效率。PCM 在其相变温度下将其相从固态变为液态，反之亦然，吸收或释放大量能量。通过将 PCM 集成到建筑材料中，可以显着增加建筑物的热惯性（质量）。在缩小能源/电力需求的高峰和非高峰负荷之间的差距、减少昼夜温度波动以及利用夜间自然冷却来削减白天的高峰冷负荷方面，PCM 被认为是一种很有前景的 TES 方法。
两种主要方法已被用于将 PCM 掺入建筑材料中：
(1) PCM 的微封装
PCM 被封装在保护性聚合物外壳中。所生产的微囊化 PCM 可以通过加热/冷却循环尽可能长时间地保存 PCM。这种微封装方法增加了传热面积，降低了 PCM 的反应性，限制了与建筑材料的相互作用，增强了低导热性，并有利于 PCM 的处理。然而，它也存在一些缺点，阻碍了 PCM 在建筑材料中的实际应用。例如，保护壳由通常具有低机械刚度和强度的聚合物制成。因此，添加微胶囊可显着降低建筑材料的机械刚度和强度。微胶囊在混凝土搅拌过程中也很容易破裂，导致 PCM 泄漏。聚合物壳还具有低化学和热稳定性。它会因紫外线、氧化和其他腐蚀性化学物质而变质。当温度超过其玻璃化转变温度时，它也会失去稳定性。聚合物外壳也可能是易燃的，因此不能被建筑行业采用。此外，聚合物外壳的热导率通常非常低，使得外壳内部的 PCM 与外部环境之间的热交换更加困难。微胶囊在混凝土搅拌过程中也很容易破裂，导致 PCM 泄漏。聚合物壳还具有低化学和热稳定性。它会因紫外线、氧化和其他腐蚀性化学物质而变质。当温度超过其玻璃化转变温度时，它也会失去稳定性。聚合物外壳也可能是易燃的，因此不能被建筑行业采用。此外，聚合物外壳的热导率通常非常低，使得外壳内部的 PCM 与外部环境之间的热交换更加困难。微胶囊在混凝土搅拌过程中也很容易破裂，导致 PCM 泄漏。聚合物壳还具有低化学和热稳定性。它会因紫外线、氧化和其他腐蚀性化学物质而变质。当温度超过其玻璃化转变温度时，它也会失去稳定性。聚合物外壳也可能是易燃的，因此不能被建筑行业采用。此外，聚合物外壳的热导率通常非常低，使得外壳内部的 PCM 与外部环境之间的热交换更加困难。当温度超过其玻璃化转变温度时，它也会失去稳定性。聚合物外壳也可能是易燃的，因此不能被建筑行业采用。此外，聚合物外壳的热导率通常非常低，使得外壳内部的 PCM 与外部环境之间的热交换更加困难。当温度超过其玻璃化转变温度时，它也会失去稳定性。聚合物外壳也可能是易燃的，因此不能被建筑行业采用。此外，聚合物外壳的热导率通常非常低，使得外壳内部的 PCM 与外部环境之间的热交换更加困难。
(2) 形状稳定的 PCM 复合材料。
在第二种方法中，PCM首先被吸收到多孔材料中，例如轻质骨料和硅藻土颗粒，形成稳定的复合材料，然后将其添加到建筑材料中。当使用多孔颗粒吸收 PCM 时，复合材料表面没有保护层。因此，一旦温度超过相变材料，PCM 仍会从多孔材料中泄漏，从而导致所声称的储热容量降低或损失。
在将 PCM 以外的材料引入建筑材料时，已经尝试过类似的方法。这在将外加剂引入混凝土时尤其普遍。当外加剂直接添加到混合物中时，外加剂和水泥水化之间的不相容性是混凝土制造中的主要问题。例如，减水剂是混凝土中最常用的外加剂，可能会产生不良的副作用，例如快速丧失和易性、过度加速/延迟凝固、降低强度增益率和长期性能变化。同样，用于减少混凝土构件的干燥和自收缩的减缩外加剂也会对混凝土产生副作用，因为它们会降低混凝土的水泥水化速率和强度发展。
作为混凝土的主要成分，水还被用作高强度混凝土 (HSC) 中的外加剂，以通过内部养护减少混凝土的自收缩。自收缩主要是由自收缩引起的孔隙流体中的毛细张力引起的。在水灰比 (W/C) 低于 0.3 的 HSC 情况下，自收缩可占总收缩变形的 50% 以上。自收缩可导致早龄混凝土出现严重开裂。由于 HSC 的紧凑孔隙结构和非常低的渗透率，这些开裂问题无法通过传统的全水固化来缓解。为了最大限度地减少或消除自收缩，必须在需要时在混凝土内提供额外的水分。这种额外的水分主要用作混凝土中的外加剂。但是，在搅拌过程中不能直接添加到混凝土中，因为 HSC 的抗压强度会显着降低。
与水泥水化的不良相互作用会妨碍在混凝土中使用其他一些外加剂。例如，生物活性剂已被证明可以防止不锈钢和铝的腐蚀。它们提供了一种环保的方法来防止混凝土腐蚀。然而，当这些生物活性剂简单地与混凝土混合时，混凝土的 28 天抗压强度降低了 60% 以上。这是因为生物活性剂可以覆盖水泥颗粒的表面，从而阻止水泥颗粒与水反应，导致产生的CSH较少，抗压强度低得多。
与 PCM 一样，基于聚合物的微胶囊或多孔复合材料已被尝试作为一种将外加剂掺入混凝土中的方法，而不会产生由外加剂和混凝土相互作用引起的不良影响。例如，改变粘度、赋予抗菌性能、提高耐腐蚀性或耐火性或改变所需水的组合物已被微囊化或吸附到多孔复合材料中，然后与混凝土混合。然而，如所指出的，这些方法可能具有缺点，例如微胶囊破裂、制造成本高、混合物泄漏、混合物输送不良或性能不佳。
因此需要新的组合物和方法，可用于将 PCM 和其他外加剂掺入建筑材料如混凝土中。本文公开的组合物和方法寻求解决这些和其他需要。