本研究针对传统混凝土骨料开采带来的环境问题，提出了一种创新的3D打印智能骨料技术，通过将相变材料（PCM）与仿生骨料结构相结合，实现了建筑材料的可持续性升级。该技术突破了传统PCM封装方法在混凝土中应用时存在的骨料形态不匹配、封装材料易破损、热传导效率低等瓶颈，为建筑领域提供了兼具环保效益与功能性能的新型解决方案。
在环境效益方面，传统岩石骨料开采已造成严重的生态破坏，包括水土流失、生物栖息地丧失以及高碳排放（占建筑行业总排放量的34%）。研究团队通过3D打印技术制备出与天然碎石骨料具有相同几何形态（尺寸、形状、表面粗糙度）的人工骨料，成功规避了传统骨料表面粗糙度与PCM封装不兼容的问题。这种仿生设计不仅保持了混凝土的机械强度，还通过精确控制骨料内部孔隙结构实现了PCMs的稳定存储与高效热传导。
材料创新方面，研究选用甲基棕榈酸酯作为相变材料，其熔点范围（32-35℃）完美契合建筑环境的温度波动需求（15-30℃）。与常规微胶囊封装相比，3D打印技术采用光固化树脂作为基体材料，通过分层打印工艺构建出具有分级孔隙结构的复合骨料。这种仿生结构在保证机械强度的同时，创造了微米级孔隙网络环境，使PCMs实现了均匀分布与稳定封装。实验证明，该技术可将PCM体积浓度提升至50%，较传统浸渍法提高30%以上，且封装体在100次热循环后仍保持完整。
技术突破体现在三个方面：首先，光固化树脂的交联密度可调特性，使骨料内部形成连续致密的封装层，有效防止PCM泄漏。其次，3D打印技术精准复刻天然骨料的微观形貌，包括表面裂纹与孔隙分布，这种仿生结构增强了骨料与水泥基体的界面结合，抗压强度虽较天然骨料混凝土下降约40%，但仍保持在40MPa以上，满足常规建筑需求。第三，骨料内部构建的三维导热网络，使热传导效率提升52%，突破传统有机PCM热导率低的技术瓶颈。
性能验证阶段，研究团队通过多维度测试系统评估了该智能骨料混凝土的效能。热力学测试显示，复合骨料混凝土的热导率较传统混凝土降低52%，达到0.606W/m·K，这得益于3D打印形成的纳米级孔隙结构，其比表面积较传统骨料提升2.3倍。循环稳定性测试表明，封装的PCM在500次热循环后仍能保持99%以上的潜热存储效率，这主要归功于光固化树脂的高耐久性和骨料内部仿生微结构的协同作用。
工程应用测试中，户外环境暴露实验证实该材料可有效调节建筑围护结构的热环境。在夏季高温（>35℃）工况下，骨料表面温度较传统混凝土降低5℃，同时通过相变材料的滞后热效应，使混凝土内部温度波动幅度缩小40%。冬季工况测试显示，复合骨料混凝土的导热系数较传统材料降低58%，有效延缓了建筑热桥效应。长期监测数据表明，该技术可使建筑 envelope的全年能源消耗降低18-25%，尤其在昼夜温差较大的地区效果显著。
技术经济性分析显示，3D打印骨料的生产成本较传统骨料增加约15%，但通过减少水泥用量（约12%）、降低空鼓率（提高30%）和延长使用寿命（预计延长20%），整体成本在5-7年使用周期内可实现平衡。更值得关注的是其全生命周期碳减排效益，每立方米混凝土可减少0.8吨碳排放，相当于种植25棵冷杉的年固碳量。
该技术对行业发展的启示在于：通过材料基因组工程思想，将3D打印的数字化优势与PCMs的热学特性进行系统整合。未来可拓展方向包括开发多组分复合PCM（如MP/EG石墨烯复合体系）、构建骨料-混凝土-建筑一体化热管理网络，以及建立智能骨料全生命周期评价体系。这种将制造工艺革新与材料科学突破相结合的创新模式，为应对建筑行业碳中和目标提供了可复制的技术范式。
在应用场景方面，该材料特别适用于需要被动式热调节的建筑部位。外立面装饰体系可通过智能骨料实现昼夜温差调节，使建筑获得类似双层表皮的结构效益；透水混凝土路面中嵌入该骨料，可使路面温度稳定在25±2℃范围，同时降低20%的透水层厚度；建筑地基中的智能骨料阵列，则能形成地下蓄热矩阵，配合地源热泵系统提升整体能效。
当前技术仍存在需改进之处：骨料尺寸标准化仍需优化，4mm以下微型骨料在混凝土中的分布均匀性需提升；长期暴露于潮湿环境下的封装材料耐久性仍需验证；大规模生产时3D打印设备的能耗问题需要解决。但总体而言，这种将制造工艺与功能集成创新相结合的技术路线，为发展环境友好型建筑材料开辟了新路径。
该研究的最大价值在于建立了材料功能与制造工艺的协同设计范式。通过逆向工程解析天然骨料的结构-性能关系，利用3D打印实现精准复刻，再通过功能材料（PCMs）的定向布局，最终形成结构完整、热性能优异的智能骨料体系。这种"仿生-制造-功能"三位一体的研发模式，为未来智能建筑材料的发展提供了重要参考。
