摘要：研究了0、3%、6%、10%四種摻量的可再分散性乳膠粉在不同養(yǎng)護(hù)齡期下粉煤灰－偏高嶺土（FA－MK）基地聚合物砂漿與混凝土板的粘結(jié)強(qiáng)度、干濕－凍融循環(huán)下的粘結(jié)耐久性及其耐高溫粘結(jié)性能。結(jié)果表明，在20℃、相對濕度為50%的條件下，3%乳膠粉的摻入對粉煤灰－偏高嶺土基地聚合物砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度稍有改善，6%和10%乳膠粉的摻入降低了FA－MK 基地聚合物砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度；在3 天養(yǎng)護(hù)齡期時，0~10%乳膠粉摻量對地聚合物砂漿粘結(jié)強(qiáng)度幾乎沒有影響；粉煤灰－偏高嶺土基地聚合物砂漿粘結(jié)強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而增加，14 天之后，粘結(jié)強(qiáng)度的增長幅度趨于平緩。乳膠粉摻量為6%~10%時，粉煤灰－偏高嶺土基地聚合物在10 次干濕－凍融循環(huán)下的粘結(jié)強(qiáng)度可以達(dá)到對比強(qiáng)度的92~97%，顯示出非常優(yōu)異的粘結(jié)耐久性。FA-MK 基地聚合物砂漿的耐高溫性能隨乳膠粉摻量的不同而變化，乳膠粉摻量為0%和3%時，其高溫后的粘結(jié)強(qiáng)度幾乎沒有變化；乳膠粉摻量為6%和10%時，其高溫后的粘結(jié)強(qiáng)度提高幅度分別為22%和38%左右。乳膠粉的摻入大大提高了地聚合物砂漿的彎曲斷裂能量，同時，吸水率也隨乳膠粉的摻入減少，這些正是提高其粘結(jié)耐久性的關(guān)鍵。
關(guān)鍵詞：地聚合物砂漿；偏高嶺土；粉煤灰；可在分散乳膠粉；粘結(jié)性能
從結(jié)構(gòu)到裝飾，從屋面、墻面到地面，建筑砂漿在建筑物的各個部位幾乎無所不用。隨著建筑結(jié)構(gòu)要求的提高，以及建筑材料的發(fā)展，砂漿的性能及品種也在不斷的改進(jìn)和增加，逐步實(shí)現(xiàn)了砂漿品種系列化、配方多元化，制造工業(yè)化，施工簡單化，應(yīng)用綜合化。砂漿的功能也在不斷的完善并系列化，如以粘結(jié)性能為主的，以防護(hù)作用為主的，以修補(bǔ)功能為主的砂漿等等。砂漿的原材料也從單一的水泥和砂，發(fā)展到使用大量的工業(yè)廢棄物（礦渣、粉煤灰、硅灰等）[1]~[6]。地聚合物是一種由堿激發(fā)硅鋁質(zhì)材料而成的膠凝材料，是沸石的前身或中間產(chǎn)物[7]~[10]。富含硅鋁質(zhì)的天然粘土、礦物和工業(yè)副產(chǎn)品，比如礦粉、粉煤灰、煤矸石及各種巖石等都可以用來制備地聚合物。目前，地聚合物的種類已經(jīng)從單一偏高嶺土材料過渡到了多種混合材料同時摻入，例如，偏高嶺土－粉煤灰地聚合物,（偏）高嶺土－巖石粉末地聚合物、粉煤灰地聚合物等[11]-[13]，其種類得到了迅猛的發(fā)展，由此，地聚合物水泥和混凝土也得到了迅猛的發(fā)展。
目前地聚合物通常被用作耐高溫、防火、耐酸材料[14]~[15]，而對地聚合物本身的粘結(jié)性能卻少有研究。本研究的主要任務(wù)是利用粉煤灰、偏高嶺土為原材料，采用堿激發(fā)的方法，配制出新型膠凝材料，并研究該材料的粘結(jié)性能及其粘結(jié)耐久性能，以拓寬地聚合物的應(yīng)用領(lǐng)域。
1 原材料及試驗(yàn)方法
1.1 原材料
粉煤灰和磨細(xì)礦粉由上海寶田新型建筑材料有限公司提供。偏高嶺土由中國高嶺土公司提供的DB-2。粉煤灰、偏高嶺土、煤矸石和磨細(xì)礦粉的化學(xué)成分如表1 所示。
表1 原材料化學(xué)成分 wt./%
Table 1 The chemical component of raw materials/wt.%
乳膠粉為德國Wacker 公司生產(chǎn)的RE5010 EVA 乳膠粉，其最低成膜溫度為4℃，中等硬度。水玻璃模數(shù)為3.1~3.4，水玻璃中Na2O 含量為8.7%，SiO2 含量為28.8%，水含量為63%左右。標(biāo)準(zhǔn)砂、自來水。
1.2 試驗(yàn)方法
采用德國標(biāo)準(zhǔn)DIN18555-5 進(jìn)行。主要實(shí)驗(yàn)步驟及方法如下：
1.2.1 試樣的制備
測試混凝土板與地聚合物砂漿的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度。預(yù)制混凝土板的抗壓強(qiáng)度≥30MPa，尺寸為250mm×250mm×50mm。先用吸塵器吸去混凝土板的表面灰塵，然后將拌和好的地聚合物砂漿在混凝土板表面抹出一個50mm×50mm×5mm 大小的粘結(jié)塊。
1.2.2 試樣的養(yǎng)護(hù)
在試樣成型后，放在溫度為20±3℃、50±5%相對濕度的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期。本實(shí)驗(yàn)測試四個齡期，分別為3d、7d、14d 和28d。每個配比測試8 組數(shù)據(jù)。
1.2.3 粘結(jié)性能耐久性試驗(yàn)方法
參照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 5126-2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)。成型10塊試件分成A、B 兩組，先將其養(yǎng)護(hù)在20±3℃、50±5%相對濕度下14 天，接著保持A 組養(yǎng)護(hù)條件不變，將B 組試件進(jìn)行粘結(jié)耐久性試驗(yàn)：先放入（20±2）℃的水中浸泡18 小時取出，然后放在（-20±3）℃的冰箱中恒溫3 小時，再取出放入（50±3）℃的高溫箱中恒溫3 小時。24 小時為一個循環(huán)，共進(jìn)行10 個循環(huán)。10 個循環(huán)后，同時測試A 組和B 組的粘結(jié)強(qiáng)度。
1.2.4 粘結(jié)抗拉強(qiáng)度測試和計(jì)算
養(yǎng)護(hù)到齡期后，在50mm×50mm×5mm 的試塊上用涂環(huán)氧樹脂粘結(jié)鐵塊，4h 后環(huán)氧樹脂
固化后用測試一起拉拔起試塊，讀出拉拔強(qiáng)度。試塊粘結(jié)抗拉強(qiáng)度按下式計(jì)算：
τ = P/ S
式中：τ——粘結(jié)抗拉強(qiáng)度，MPa；P——破壞荷載，N；S——粘結(jié)面積，mm2。
1.2.5 拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法
參照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 5126-2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)。用八字模
成型試件，每組五個。養(yǎng)護(hù)到測試齡期后，用布擦去表面黏附的顆粒，稱其質(zhì)量并測試試件中部的寬度和厚度，并計(jì)算面積A。
拉伸強(qiáng)度的測試：把試件放置于試驗(yàn)機(jī)的上下兩圓環(huán)夾具之間，以5mm/min 的加荷速度均勻加荷到試件破壞。記錄破壞荷載和試件破壞情況。拉伸強(qiáng)度按下式計(jì)算：
F=P/A
式中：F——拉伸強(qiáng)度，MPa；P——破壞荷載，N；A——破壞面積，mm2。
2 結(jié)果與討論
2.1 地聚合物砂漿配合比粉煤灰－偏高嶺土（簡稱FA－MK，以下同）基地聚合物砂漿的配合比見表2。乳膠粉的摻量（乳膠粉/（偏高嶺土+粉煤灰））分別為0%、3%、6%、10%；MK/（MK+FA）=50%；砂/（MK+FA+砂）=70%。堿激發(fā)劑的配比相同，水玻璃：固體NaOH：拌合水=6：1：3。將水玻璃、NaOH 粉末和拌合水按照以上比例配好溶液，冷卻備用。膠凝材料與堿激發(fā)劑的比例為1.6：1。
表2 地聚合物配合比
Table 2 The proportion of the geopolymers
2.2 乳膠粉摻量對FA－MK 基地聚合物粘結(jié)性能的影響
表3 和圖1 示出了乳膠粉摻量對FA－MK 基地聚合物砂漿與混凝土板粘結(jié)性能的影響。從圖1 中可以看出，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 天時，0~10%的乳膠粉摻量對FA－MK 基地聚合物砂漿粘結(jié)強(qiáng)度的影響幾乎可以忽略；FA－MK 基地聚合物砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而增加，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到14 天時，F(xiàn)A－MK 基地聚合物砂漿粘結(jié)強(qiáng)度增長幅度逐漸增大，超過14 天養(yǎng)護(hù)齡期之后，粘結(jié)強(qiáng)度增長幅度開始變緩。另外，與不摻乳膠粉的地聚合物粘結(jié)強(qiáng)度相比，摻入3%的乳膠粉可以使FA－MK 基地聚合物砂漿粘結(jié)強(qiáng)度有少許增加，摻入6%和10%乳膠粉后，F(xiàn)A－MK 基地聚合物砂漿粘結(jié)強(qiáng)度有些下降。
表 3 乳膠粉摻量對地聚合物砂漿粘結(jié)性能的影響
Table 3 The influence of the water redispersible polymer powder on bond properties of the geopolymer mortar
圖1 乳膠粉摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對FA-MK 基地聚合物粘結(jié)強(qiáng)度的影響
Figure 1 Effect of polymer powder and curing ages on
bond strength of FA-MK based geopolymers
表4 乳膠粉摻量對地聚合物砂漿的粘結(jié)耐久性的影響
Table 4 The influence of the water redispersible polymer powder on bond durability of the geopolymer mortar
注：B 是在20±3℃、50±5%相對濕度下14 天，然后再干濕－凍融循環(huán)10 次后的粘結(jié)強(qiáng)度；A 是20±3℃、50±5%相對濕度下24 天的粘結(jié)強(qiáng)度；C 先是在20±3℃、50±5%相對濕度下14 天，然后再于70℃的烘箱中干燥養(yǎng)護(hù)14 天的粘結(jié)強(qiáng)度。
2.3 乳膠粉摻量對FA－MK 基地聚合物砂漿耐干濕－凍融粘結(jié)性能的影響FA－MK 基地聚合物砂漿與混凝土板的粘結(jié)耐久性試驗(yàn)方法詳見2.2.3。乳膠粉摻量對FA－MK 基地聚合物砂漿粘結(jié)耐久性的影響如表4 和圖2 所示。
表4 中，B 是在20±3℃、50±5%相對濕度下14 天，然后再干濕－凍融循環(huán)10 次后砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度；A 是20±3℃、50±5%相對濕度養(yǎng)護(hù)下24 天砂漿對比樣的粘結(jié)強(qiáng)度。從中可以看出，雖然對比樣中地聚合物砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度隨乳膠粉摻量的增加而下降，但是，干濕－凍融循環(huán)10 次之后，地聚合物砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度卻隨著乳膠粉摻量的增加而增加。與不摻乳膠粉相比，3%、6%和10%乳膠粉摻入后，使地聚合物砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度分別提高了約14%、15%和36%。6%~10%乳膠粉摻量的FA-MK基地聚合物砂漿經(jīng)10 次干濕－凍融循環(huán)之后，在循環(huán)前粘結(jié)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，其粘結(jié)強(qiáng)度還在緩慢增加，10%乳膠粉摻量地聚合物砂漿循環(huán)10 次后的粘結(jié)強(qiáng)度幾乎與對比樣的相同，表明6%~10%乳膠粉摻量的FA-MK 基地聚合物砂漿似乎更能抵御干濕－凍融循環(huán)破壞。
與對比樣的粘結(jié)強(qiáng)度相比，當(dāng)乳膠粉摻量為0 和3%時， 10 次干濕－凍融循環(huán)之后地聚合物砂漿與混凝土板的粘結(jié)強(qiáng)度下降了30%~40%，甚至低于14 天對比樣的粘結(jié)強(qiáng)度。當(dāng)乳膠粉摻量為6%和10%時，經(jīng)10 次干濕－凍融循環(huán)之后地聚合物砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度僅下降3%~8%。
2.4 乳膠粉摻量對FA－MK 基地聚合物砂漿耐高溫粘結(jié)性能的影響
圖2 乳膠粉摻量對地聚合物粘結(jié)耐久性能的影響
Figure 2 Effect of polymer powder on bond durability
of the FA-MK based geopolymers
圖3 不同乳膠粉摻量下FA-MK 基地聚合物砂漿耐高溫粘結(jié)性能
Figure 3 The high temperature resistant properties of the FA-MK based geopolymers with different polymer powder
為測試FA－MK 基地聚合物砂漿耐高溫粘結(jié)性能，試件先在20±3℃、50±5%相對濕度下養(yǎng)護(hù)14 天，然后于70±2℃的烘箱中干燥養(yǎng)護(hù)14 天，再于20±3℃、50±5%相對濕度下24h 后，測試其耐高溫粘結(jié)強(qiáng)度。結(jié)果見表4（C 欄）和圖3。
從圖3 中可以看出，F(xiàn)A-MK 基地聚合物砂漿經(jīng)70℃再養(yǎng)護(hù)之后，其與混凝土板的粘結(jié)強(qiáng)度隨乳膠粉摻量的不同而變化。當(dāng)乳膠粉摻量為0%和3%時，經(jīng)再熱養(yǎng)護(hù)14d 后的粘結(jié)強(qiáng)度與20±3℃、50±5%相對濕度下養(yǎng)護(hù)14d 的粘結(jié)強(qiáng)度幾乎相等；當(dāng)乳膠粉摻量為6%和10%時，經(jīng)再熱養(yǎng)護(hù)14d 后的粘結(jié)強(qiáng)度高于20±3℃、50±5%相對濕度下養(yǎng)護(hù)14d 的粘結(jié)強(qiáng)度，提高幅度分別為22%和38%左右。表明，6%和10%乳膠粉摻量能夠提高地聚合物的耐高溫粘結(jié)性能。
2.5 乳膠粉提高FA-MK 地聚合物砂漿粘結(jié)耐久性的機(jī)理干濕和凍融破壞程度取決于材料抵抗變形的能力和吸水性能，本文用彎曲斷裂能量來表示地聚合物砂漿抵抗變形的能力。材料抵抗變形的能力越強(qiáng)，越能吸納干濕－凍融破壞對多孔材料孔壁產(chǎn)生反復(fù)伸－縮而產(chǎn)生的能量，從而避免了孔壁周圍裂紋的產(chǎn)生。乳膠粉的摻入，大大增加了地聚合物砂漿的彎曲斷裂能量（圖4），3%、6%、10%乳膠粉摻量地聚合物砂漿的彎曲斷裂能量分別是不摻乳膠粉地聚合物砂漿的16 倍、25 倍和32 倍。
圖4 乳膠粉摻量對FA-MK 基地聚合物砂漿彎曲斷裂能量的影響
Figure 4 Effect of polymer powder on bend fractural energy
of the FA-MK based geopolymer motar
圖5 乳膠粉摻量對FA-MK 基地聚合物砂漿吸水率的影響
Figure 5 Effect of polymer powder additions on water absorption of the FA-MK based geopolymer mortar
材料的吸水率是表示材料吸水性大小的指標(biāo)，它與材料本身的親水性或憎水性有關(guān)。FA-MK 基地聚合物砂漿的吸水率隨著乳膠粉摻量的增加而降低（圖5）。
以上結(jié)果的產(chǎn)生主要是由于可再分散乳膠粉分布在攪拌均勻的地聚合物砂漿中， 砂漿加水?dāng)嚢韬缶酆衔锓勰┲匦路稚⒌叫掳铦{體內(nèi)而再次乳化[16]；隨地聚合物的分解－重構(gòu)－縮聚過程的進(jìn)行、表面蒸發(fā)或基層的吸收造成內(nèi)部孔隙自由水分不斷消耗，并形成不溶于水的連續(xù)膜?？稍俜稚⑷槟z粉形成的膜層具有較強(qiáng)的抵抗變形能力（圖5），從而使得地聚合物砂漿抵抗干濕－凍融循環(huán)開裂能力得以提高。
3 結(jié)論
?。?）20±3℃、50±5%相對濕度下養(yǎng)護(hù)14d 后，3%的乳膠粉可以使FA－MK 基地聚合物砂漿粘結(jié)強(qiáng)度有少許增加， 6%和10%乳膠粉摻入后，F(xiàn)A－MK 基地聚合物砂漿粘結(jié)強(qiáng)度下降；
?。?）20±3℃、50±5%相對濕度的養(yǎng)護(hù)條件下，F(xiàn)A－MK 基地聚合物砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)
齡期的延長而增加；
（3）6%和10%乳膠粉摻量的FA－MK 基地聚合物砂漿具有優(yōu)異的抵御干濕－凍融循環(huán)破
壞的能力。
（4）FA－MK 基地聚合物砂漿具有很好的耐高溫粘結(jié)性能。
參考文獻(xiàn)
[1] 李玉海; 趙銳球. 粉煤灰對自流平砂漿性能的影響[J].新型建筑材料，2006,(10):16-18.
[2] 蔣正武; 孫振平; 梅世龍; 楊志剛; 礦物摻合料對機(jī)制砂砂漿性能的影響[J].粉煤灰綜合利用，2006,(5):17-19.
[3] 丁慶軍,張高展,王紅喜,胡曙光.砂漿鋼渣－偏高嶺土體系地聚合物硬化和粘結(jié)性能的研究[C]。第九屆全國水泥和
混 凝土化學(xué)及應(yīng)用技術(shù)年會.pp1004-1008.
[4] 李永鑫; 陳益民; 磨細(xì)礦物摻合料對水泥硬化漿體孔結(jié)構(gòu)及砂漿強(qiáng)度的影響[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào),2006,34(5):575-579.
[5] 馬保國; 高小建; 羅忠濤; 礦物摻合料對水泥砂漿TSA 侵蝕的影響[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006,24(2):234-234+240.
[6] Almeida AEFD, Sichieri EP.Experimental study on polymer-modified mortars with silica fume applied to fix porcelain tile[J]. BUILDING AND ENVIRONMENT, 2007,42 (7): 2645-2650.
[7] J.Davidovits.Synthesis of new high –temperature Geopolymers for reinforced plastics/composites[C]. SPE PACTEC’79,Society of plastic Engineers, Brookfield Center,USA,1979:151:154.
[8] J.Davidovits. Geopolymers:Man-made rock geosynthesis and the resultion development of very early high strength cement[J]. Journal of Materials Education,Vol.16(2&3),1994:91-137.39
[9] Hua Xu, J.S.J.Van Deventer. The geopolyerisation of alumino-silicate minerals[J].Int.J.Miner.Process.2000(59):247-266.
[10] A.Palomo, M.T.Blanco-Varela, M.L.Granizo, et al. Chemical stability of cementitious materials based on metakaolin[J].Cement and Concrete Research.1999,29(7):997-10004..
[11] Swanepoel J C and Strydom C A. Utilisation of fly ash in a geopolymeric materia[J]l., Applied Geochemistry,, 2002,17(8) :1143-1148.
[12] Bakharev T. Geopolymeric materials prepared using Class F fly ash and elevated temperature curing[J],, Cement andConcrete Research, 2005, 35(6): 1224-1232.
[13] Davidovits J, Comrie D C Paterson J H et al. Geopolymeric concretes for environmental protection[J]. Concrete International:Design & Construction, 1990,12(7):30-40..
[14] Bakharev, T. Resistance of geopolymer materials to acid attack[J]. Cement and Concrete Research,2005, 35(4), 658-670.
[15] Joseph Davidovits and Michel Davidovics.Geopolymer: Ultea-high temperature tooling materials for the manufacture of advanced composites[C]. SAMPE 1991, 2(36),:1939-1949.
[16] 張義順,朱伶俐. 聚合物改性防水干混砂漿的試驗(yàn)研究[J]. 混凝土，2006,(204):85-88+93.
BOND PROPERTY OF FA-MK BASED GEOPOLYMER MORTARS MODIFIED BY WATER REDISPENSIBLE POLYMER POWDER
WANG Pei-ming LIU Si-feng
(Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials, Ministry of Education,
Tongji University, 1239 Siping Road, Shanghai 200092, China)
Abstract：The bond strength between FA –MK based geopolymer mortars, which modified by water redispersible polymer powder of 0, 3%, 6%, 10% dosage, and concrete slab under different curing ages and its durability of the mortars were investigated. The results indicated that the 3% dosage redispersible polymer powder seemed to improve the bond strength slightly, and the addition of 6% and 10% redispersible polymer powder decreased the bond strength cured at 20℃、50%RH.The effect of the water redispersible polymer powder of 3%~10% dosages on the bond performance is negligible at 3dayscuring age, the bond performance enhance with the curing age. However, the bond strength of the mortars with 6%，10% redispersible polymer powder reached 92%~97% of standard samples after 10 times dry and wet-freeze and thaw cycles, the bond durability can be improved remarkably. The high temperature resistant of FA –MK based geopolymer mortars waschanged by the water redispersible polymer powder addition, the bond strength almost kept constant after 70℃ recurred 14days while the 0% and 3% of water redispersible polymer powder incorporated respectively. Nevertheless the increment ofbond strength reached 22% and 38% when 6% and 10% of water redispersible polymer powder added respectively. Thereason is that the bend fracture energy increase with the addition of the redispersible polymer powder, and the waterabsorption reduce.
Keywords：Geopolymer mortars; Metakaolin; Fly ash; Water Redispersible Polymer Powder; Bond property.
