摘要：研究了0、3%、6%、10%四种掺量的可再分散性乳胶粉在不同养护龄期下粉煤灰－偏高岭土（FA－MK）基地聚合物砂浆与混凝土板的粘结强度、干湿－冻融循环下的粘结耐久性及其耐高温粘结性能。结果表明，在20℃、相对湿度为50%的条件下，3%乳胶粉的掺入对粉煤灰－偏高岭土基地聚合物砂浆的粘结强度稍有改善，6%和10%乳胶粉的掺入降低了FA－MK 基地聚合物砂浆的粘结强度；在3 天养护龄期时，0~10%乳胶粉掺量对地聚合物砂浆粘结强度几乎没有影响；粉煤灰－偏高岭土基地聚合物砂浆粘结强度随养护龄期的延长而增加，14 天之后，粘结强度的增长幅度趋于平缓。乳胶粉掺量为6%~10%时，粉煤灰－偏高岭土基地聚合物在10 次干湿－冻融循环下的粘结强度可以达到对比强度的92~97%，显示出非常优异的粘结耐久性。FA-MK 基地聚合物砂浆的耐高温性能随乳胶粉掺量的不同而变化，乳胶粉掺量为0%和3%时，其高温后的粘结强度几乎没有变化；乳胶粉掺量为6%和10%时，其高温后的粘结强度提高幅度分别为22%和38%左右。乳胶粉的掺入大大提高了地聚合物砂浆的弯曲断裂能量，同时，吸水率也随乳胶粉的掺入减少，这些正是提高其粘结耐久性的关键。
关键词：地聚合物砂浆；偏高岭土；粉煤灰；可在分散乳胶粉；粘结性能
从结构到装饰，从屋面、墙面到地面，建筑砂浆在建筑物的各个部位几乎无所不用。随着建筑结构要求的提高，以及建筑材料的发展，砂浆的性能及品种也在不断的改进和增加，逐步实现了砂浆品种系列化、配方多元化，制造工业化，施工简单化，应用综合化。砂浆的功能也在不断的完善并系列化，如以粘结性能为主的，以防护作用为主的，以修补功能为主的砂浆等等。砂浆的原材料也从单一的水泥和砂，发展到使用大量的工业废弃物（矿渣、粉煤灰、硅灰等）[1]~[6]。地聚合物是一种由碱激发硅铝质材料而成的胶凝材料，是沸石的前身或中间产物[7]~[10]。富含硅铝质的天然粘土、矿物和工业副产品，比如矿粉、粉煤灰、煤矸石及各种岩石等都可以用来制备地聚合物。目前，地聚合物的种类已经从单一偏高岭土材料过渡到了多种混合材料同时掺入，例如，偏高岭土－粉煤灰地聚合物,（偏）高岭土－岩石粉末地聚合物、粉煤灰地聚合物等[11]-[13]，其种类得到了迅猛的发展，由此，地聚合物水泥和混凝土也得到了迅猛的发展。
目前地聚合物通常被用作耐高温、防火、耐酸材料[14]~[15]，而对地聚合物本身的粘结性能却少有研究。本研究的主要任务是利用粉煤灰、偏高岭土为原材料，采用碱激发的方法，配制出新型胶凝材料，并研究该材料的粘结性能及其粘结耐久性能，以拓宽地聚合物的应用领域。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
粉煤灰和磨细矿粉由上海宝田新型建筑材料有限公司提供。偏高岭土由中国高岭土公司提供的DB-2。粉煤灰、偏高岭土、煤矸石和磨细矿粉的化学成分如表1 所示。
表1 原材料化学成分 wt./%
Table 1 The chemical component of raw materials/wt.%
乳胶粉为德国Wacker 公司生产的RE5010 EVA 乳胶粉，其最低成膜温度为4℃，中等硬度。水玻璃模数为3.1~3.4，水玻璃中Na2O 含量为8.7%，SiO2 含量为28.8%，水含量为63%左右。标准砂、自来水。
1.2 试验方法
采用德国标准DIN18555-5 进行。主要实验步骤及方法如下：
1.2.1 试样的制备
测试混凝土板与地聚合物砂浆的粘结抗拉强度。预制混凝土板的抗压强度≥30MPa，尺寸为250mm×250mm×50mm。先用吸尘器吸去混凝土板的表面灰尘，然后将拌和好的地聚合物砂浆在混凝土板表面抹出一个50mm×50mm×5mm 大小的粘结块。
1.2.2 试样的养护
在试样成型后，放在温度为20±3℃、50±5%相对湿度的养护室内养护至预定龄期。本实验测试四个龄期，分别为3d、7d、14d 和28d。每个配比测试8 组数据。
1.2.3 粘结性能耐久性试验方法
参照电力行业标准 DL/T 5126-2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》进行试验。成型10块试件分成A、B 两组，先将其养护在20±3℃、50±5%相对湿度下14 天，接着保持A 组养护条件不变，将B 组试件进行粘结耐久性试验：先放入（20±2）℃的水中浸泡18 小时取出，然后放在（-20±3）℃的冰箱中恒温3 小时，再取出放入（50±3）℃的高温箱中恒温3 小时。24 小时为一个循环，共进行10 个循环。10 个循环后，同时测试A 组和B 组的粘结强度。
1.2.4 粘结抗拉强度测试和计算
养护到龄期后，在50mm×50mm×5mm 的试块上用涂环氧树脂粘结铁块，4h 后环氧树脂
固化后用测试一起拉拔起试块，读出拉拔强度。试块粘结抗拉强度按下式计算：
τ = P/ S
式中：τ——粘结抗拉强度，MPa；P——破坏荷载，N；S——粘结面积，mm2。
1.2.5 拉伸强度实验方法
参照电力行业标准 DL/T 5126-2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》进行试验。用八字模
成型试件，每组五个。养护到测试龄期后，用布擦去表面黏附的颗粒，称其质量并测试试件中部的宽度和厚度，并计算面积A。
拉伸强度的测试：把试件放置于试验机的上下两圆环夹具之间，以5mm/min 的加荷速度均匀加荷到试件破坏。记录破坏荷载和试件破坏情况。拉伸强度按下式计算：
F=P/A
式中：F——拉伸强度，MPa；P——破坏荷载，N；A——破坏面积，mm2。
2 结果与讨论
2.1 地聚合物砂浆配合比粉煤灰－偏高岭土（简称FA－MK，以下同）基地聚合物砂浆的配合比见表2。乳胶粉的掺量（乳胶粉/（偏高岭土+粉煤灰））分别为0%、3%、6%、10%；MK/（MK+FA）=50%；砂/（MK+FA+砂）=70%。碱激发剂的配比相同，水玻璃：固体NaOH：拌合水=6：1：3。将水玻璃、NaOH 粉末和拌合水按照以上比例配好溶液，冷却备用。胶凝材料与碱激发剂的比例为1.6：1。
表2 地聚合物配合比
Table 2 The proportion of the geopolymers
2.2 乳胶粉掺量对FA－MK 基地聚合物粘结性能的影响
表3 和图1 示出了乳胶粉掺量对FA－MK 基地聚合物砂浆与混凝土板粘结性能的影响。从图1 中可以看出，当养护龄期为3 天时，0~10%的乳胶粉掺量对FA－MK 基地聚合物砂浆粘结强度的影响几乎可以忽略；FA－MK 基地聚合物砂浆的粘结强度随养护龄期的延长而增加，当养护龄期达到14 天时，FA－MK 基地聚合物砂浆粘结强度增长幅度逐渐增大，超过14 天养护龄期之后，粘结强度增长幅度开始变缓。另外，与不掺乳胶粉的地聚合物粘结强度相比，掺入3%的乳胶粉可以使FA－MK 基地聚合物砂浆粘结强度有少许增加，掺入6%和10%乳胶粉后，FA－MK 基地聚合物砂浆粘结强度有些下降。
表 3 乳胶粉掺量对地聚合物砂浆粘结性能的影响
Table 3 The influence of the water redispersible polymer powder on bond properties of the geopolymer mortar
图1 乳胶粉掺量和养护龄期对FA-MK 基地聚合物粘结强度的影响
Figure 1 Effect of polymer powder and curing ages on
bond strength of FA-MK based geopolymers
表4 乳胶粉掺量对地聚合物砂浆的粘结耐久性的影响
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%相对湿度下14 天，然后再干湿－冻融循环10 次后的粘结强度；A 是20±3℃、50±5%相对湿度下24 天的粘结强度；C 先是在20±3℃、50±5%相对湿度下14 天，然后再于70℃的烘箱中干燥养护14 天的粘结强度。
2.3 乳胶粉掺量对FA－MK 基地聚合物砂浆耐干湿－冻融粘结性能的影响FA－MK 基地聚合物砂浆与混凝土板的粘结耐久性试验方法详见2.2.3。乳胶粉掺量对FA－MK 基地聚合物砂浆粘结耐久性的影响如表4 和图2 所示。
表4 中，B 是在20±3℃、50±5%相对湿度下14 天，然后再干湿－冻融循环10 次后砂浆的粘结强度；A 是20±3℃、50±5%相对湿度养护下24 天砂浆对比样的粘结强度。从中可以看出，虽然对比样中地聚合物砂浆的粘结强度随乳胶粉掺量的增加而下降，但是，干湿－冻融循环10 次之后，地聚合物砂浆的粘结强度却随着乳胶粉掺量的增加而增加。与不掺乳胶粉相比，3%、6%和10%乳胶粉掺入后，使地聚合物砂浆的粘结强度分别提高了约14%、15%和36%。6%~10%乳胶粉掺量的FA-MK基地聚合物砂浆经10 次干湿－冻融循环之后，在循环前粘结强度的基础上，其粘结强度还在缓慢增加，10%乳胶粉掺量地聚合物砂浆循环10 次后的粘结强度几乎与对比样的相同，表明6%~10%乳胶粉掺量的FA-MK 基地聚合物砂浆似乎更能抵御干湿－冻融循环破坏。
与对比样的粘结强度相比，当乳胶粉掺量为0 和3%时， 10 次干湿－冻融循环之后地聚合物砂浆与混凝土板的粘结强度下降了30%~40%，甚至低于14 天对比样的粘结强度。当乳胶粉掺量为6%和10%时，经10 次干湿－冻融循环之后地聚合物砂浆的粘结强度仅下降3%~8%。
2.4 乳胶粉掺量对FA－MK 基地聚合物砂浆耐高温粘结性能的影响
图2 乳胶粉掺量对地聚合物粘结耐久性能的影响
Figure 2 Effect of polymer powder on bond durability
of the FA-MK based geopolymers
图3 不同乳胶粉掺量下FA-MK 基地聚合物砂浆耐高温粘结性能
Figure 3 The high temperature resistant properties of the FA-MK based geopolymers with different polymer powder
为测试FA－MK 基地聚合物砂浆耐高温粘结性能，试件先在20±3℃、50±5%相对湿度下养护14 天，然后于70±2℃的烘箱中干燥养护14 天，再于20±3℃、50±5%相对湿度下24h 后，测试其耐高温粘结强度。结果见表4（C 栏）和图3。
从图3 中可以看出，FA-MK 基地聚合物砂浆经70℃再养护之后，其与混凝土板的粘结强度随乳胶粉掺量的不同而变化。当乳胶粉掺量为0%和3%时，经再热养护14d 后的粘结强度与20±3℃、50±5%相对湿度下养护14d 的粘结强度几乎相等；当乳胶粉掺量为6%和10%时，经再热养护14d 后的粘结强度高于20±3℃、50±5%相对湿度下养护14d 的粘结强度，提高幅度分别为22%和38%左右。表明，6%和10%乳胶粉掺量能够提高地聚合物的耐高温粘结性能。
2.5 乳胶粉提高FA-MK 地聚合物砂浆粘结耐久性的机理干湿和冻融破坏程度取决于材料抵抗变形的能力和吸水性能，本文用弯曲断裂能量来表示地聚合物砂浆抵抗变形的能力。材料抵抗变形的能力越强，越能吸纳干湿－冻融破坏对多孔材料孔壁产生反复伸－缩而产生的能量，从而避免了孔壁周围裂纹的产生。乳胶粉的掺入，大大增加了地聚合物砂浆的弯曲断裂能量（图4），3%、6%、10%乳胶粉掺量地聚合物砂浆的弯曲断裂能量分别是不掺乳胶粉地聚合物砂浆的16 倍、25 倍和32 倍。
图4 乳胶粉掺量对FA-MK 基地聚合物砂浆弯曲断裂能量的影响
Figure 4 Effect of polymer powder on bend fractural energy
of the FA-MK based geopolymer motar
图5 乳胶粉掺量对FA-MK 基地聚合物砂浆吸水率的影响
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标，它与材料本身的亲水性或憎水性有关。FA-MK 基地聚合物砂浆的吸水率随着乳胶粉掺量的增加而降低（图5）。
以上结果的产生主要是由于可再分散乳胶粉分布在搅拌均匀的地聚合物砂浆中， 砂浆加水搅拌后聚合物粉末重新分散到新拌浆体内而再次乳化[16]；随地聚合物的分解－重构－缩聚过程的进行、表面蒸发或基层的吸收造成内部孔隙自由水分不断消耗，并形成不溶于水的连续膜。可再分散乳胶粉形成的膜层具有较强的抵抗变形能力（图5），从而使得地聚合物砂浆抵抗干湿－冻融循环开裂能力得以提高。
3 结论
（1）20±3℃、50±5%相对湿度下养护14d 后，3%的乳胶粉可以使FA－MK 基地聚合物砂浆粘结强度有少许增加， 6%和10%乳胶粉掺入后，FA－MK 基地聚合物砂浆粘结强度下降；
（2）20±3℃、50±5%相对湿度的养护条件下，FA－MK 基地聚合物砂浆的粘结强度随养护
龄期的延长而增加；
（3）6%和10%乳胶粉掺量的FA－MK 基地聚合物砂浆具有优异的抵御干湿－冻融循环破
坏的能力。
（4）FA－MK 基地聚合物砂浆具有很好的耐高温粘结性能。
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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.
