《Materials》：Mechanical Performance and Microstructural Characterization of PET-Modified Cement Mortars with Metakaolin
Aleksandra Kostrzanowska-Siedlarz,
Tomasz Ponikiewski,
Agnieszka Kocot and
Oldrich Sucharda
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本研究针对塑料废料（PET）掺入水泥基材料导致力学性能下降的难题，探讨了偏高岭土（MK）对PET改性水泥砂浆界面过渡区（ITZ）及力学性能的调控作用。通过添加10 wt%的MK，成功将PET改性砂浆的压缩强度恢复至基准水平，SEM分析证实MK可致密化ITZ并减少界面脱粘间隙。该研究为提升含塑料废料水泥基复合材料的可持续性与力学性能提供了有效的微观机理与材料设计依据。
在全球建筑行业对材料需求不断增长、水泥生产碳排放压力日益加剧的背景下，如何实现建筑材料的可持续发展成为亟待解决的关键问题。与此同时，塑料废弃物尤其是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的大量堆积也对环境构成了严重威胁。将PET废料作为天然骨料的部分替代品掺入水泥基复合材料，被认为是一种有前景的废物资源化途径。然而，众多研究指出，PET颗粒的加入通常会导致材料力学强度下降，这主要归因于PET颗粒与水泥基体之间较弱的界面粘结以及界面过渡区（Interfacial Transition Zone, ITZ）中孔隙和微裂纹的形成。这种性能缺陷严重限制了PET改性水泥基材料的实际工程应用。
为了克服这一瓶颈，探索能够改善ITZ性能的辅助性胶凝材料（Supplementary Cementitious Materials, SCMs）显得尤为重要。其中，偏高岭土（Metakaolin, MK）因其较高的火山灰活性、较细的粒径以及显著细化孔结构和界面区域的能力而备受关注。虽然PET改性砂浆和MK掺合体系各自已被广泛研究，但二者结合对ITZ的改性作用及其对力学性能的影响机制尚未被充分探索。为此，本文的研究团队系统探究了MK对PET改性水泥砂浆力学性能与微观结构特征的影响，重点关注了ITZ的演变规律。
本研究采用的主要关键技术方法包括：材料制备与配比设计、标准养护与测试、以及微观结构表征。研究人员制备了以10 wt%和50 wt% MK替代水泥，并以5 vol.% PET薄片替代天然砂的砂浆试件，所有试件养护28天后进行测试。力学性能通过压缩和弯曲强度试验进行评价。微观结构分析则主要借助扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）并结合背散射电子成分（Backscattered Electron Composition, BEC）模式成像，对ITZ进行重点观察。此外，还利用能量色散X射线光谱（Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS）对改性基体进行了定性的化学分析。
3.1. 物理与力学性能
通过密度与强度测试发现，掺入5 vol.% PET薄片会使基准砂浆的压缩强度降低约13.5%，这主要归因于较弱的ITZ。然而，添加10 wt% MK可有效抵消这种强度损失，使PET改性砂浆的压缩强度比仅含PET的系列提高17.8%，性能恢复至与基准配合比相当的水平。而过高的MK替代量（50 wt%）则会导致强度显著下降超过58%，这可能与高MK体系的自干燥和自收缩有关。力学性能结果与密度变化趋势相符，证实了适量MK对PET负面效应的补偿作用。
3.2. 微观结构分析（SEM）
SEM观测为力学性能的变化提供了微观证据。在基准砂浆中，PET薄片与水泥浆体之间存在明显、连续的脱粘间隙，表明ITZ薄弱。相比之下，在掺有10 wt% MK的样品中，界面区域局部更为致密，PET薄片边缘与基体结合更紧密，显示出MK对ITZ的致密化作用。而在含有50 wt% MK的砂浆中，则可观察到基体孔隙率增加和微裂纹，这解释了其力学性能的显著劣化。这些观察结果证实，适量MK（10 wt%）可以通过细化ITZ微观结构来改善PET与基体间的应力传递。
3.3. MK改性基体的EDS分析
对50 wt% MK砂浆基体进行的EDS点分析显示，存在富含硅（Si）和钠（Na）的颗粒，这与所用商业MK基材料中引入的玻璃粉末成分一致。在某些微区未检测到钙（Ca），表明这些区域可能被富硅相主导。尽管EDS分析是定点和定性的，但其结果与SEM观察到的趋势一致，支持了MK的掺入引入了活性富硅相，并可能通过火山灰反应参与基体致密化的推论。
本研究的结论强调了ITZ在调控PET改性水泥基复合材料性能中的关键作用。主要发现如下：首先，掺入5 vol.% PET薄片会因弱界面粘结导致砂浆压缩强度下降。其次，添加10 wt% MK可有效弥补这一强度损失，使PET改性砂浆的力学性能恢复至基准水平，这主要归功于MK对ITZ的致密化和对界面孔隙的减少。第三，过高的MK替代量（50 wt%）在无适当养护条件下会导致严重的强度损失，这被归因于严重的自干燥和自收缩。微观结构分析进一步证实，MK通过细化ITZ、减少PET-基体界面处的可见空隙来提升性能。此外，未处理的PET薄片在高碱性的砂浆环境中显示出表面不稳定的迹象，这突显了使用MK等高活性SCMs进行基体细化的重要性。
该研究为开发更可持续的水泥基复合材料提供了新的见解，表明通过合理利用MK等辅助性胶凝材料优化ITZ，可以在不明显牺牲力学性能的前提下，有效利用塑料废物。研究结果指出，含有少量PET和MK的砂浆可能适用于非结构或中等荷载的应用场景，这在追求可持续性和材料效率的现代建筑材料领域具有重要意义。尽管SEM分析主要是定性的，但观察到的趋势一致地支持了MK作为ITZ有效改性剂的作用。论文发表于《Materials》期刊，为相关领域的研究与工程应用提供了有价值的参考。
