实验研究与简化评估：基于球架系统和张力钢缆串联的长距离海底电缆牵引极限拉伸长度 陆春昊、 黄志度、 甘伟 Zhu、 秦华、 徐伟、 巴玲珍、 顾仁国

《Buildings》：Experimental Investigation and Simplified Assessment of Ultimate Pulling Length for Long-Distance Submarine Cable Pulling Using a Ball-Frame and Tensioned Steel Cable Series System Chunhao Lu, Zhidu Huang, Weizhu Gan, Hua Qin, Wei Xu, Lingzhen Ba and Renguo Gu

　　**摘要**
本研究评估了添加了固体聚氨酯（PU）废物作为部分砂替代品以及铝粉（AP，1%）作为发泡剂的泡沫地质聚合物混凝土（FGC）的性能。混合物基于麦土矿、粉煤灰和硅灰制成。测试了新鲜状态和硬化状态下的各种性能，包括工作性、凝结时间、密度、抗压强度、抗弯强度、分裂拉伸强度、弹性模量、吸水性、孔隙率、气体渗透性和氯离子渗透性。通过扫描电子显微镜（SEM）分析了微观结构特征。结果表明，适量添加PU显著提高了机械性能。最佳配方（PU30）在180天时的抗压强度达到了47.25 MPa，比对照组提高了15.6%。抗弯强度和分裂拉伸强度分别提高了19.9%和16.7%，弹性模量增加到了0.95 GPa。这些改进归因于颗粒排列更加紧密以及应力在基体中的传递更加高效。相反，较高的PU含量（>30%）由于总孔隙率增加和界面粘结力减弱而降低了机械性能。耐久性相关指标显示，PU20–PU30配方表现出较低的渗透性和优化的孔隙结构，表现为较低的孔隙连通性。SEM观察证实，在最佳PU含量下，基体更加致密且孔隙分布均匀。此外，随机森林回归结合基于GLCM的纹理分析在从SEM图像预测机械性能方面表现出很强的能力。总体而言，PU废物和铝粉的联合使用能够生产出轻质、结构高效且可持续的FGC，同时提升了其机械和耐久性性能。

**1. 引言**
泡沫地质聚合物混凝土（FGC）是一种新型建筑材料，它结合了轻质特性和地质聚合物技术的先进特性[1]。该材料主要由碱性活化粘合剂、骨料、发泡剂和矿物掺合料组成，在可持续性和使用效率之间取得了平衡[2,3]。最重要的是，与基于波特兰水泥的混凝土相比，FGC可将二氧化碳排放量减少多达80%，从而显著促进建筑行业的环境可持续性[4]。由于泡沫地质聚合物混凝土具有优异的隔热性能、耐久性和隔音能力，其研究和应用不断增长，这些特性促进了环保建筑的实践[5]。这些优势使得FGC适用于多种用途，包括建筑和结构中的轻质混凝土以及热绝缘和声绝缘。另外，由于其轻质多孔的结构，FGC还有助于环境修复工作，因为它可以固定污染物[6]。然而，FGC的适用性仍受到一些因素的限制，例如强度限制和热收缩问题[7,8]。历史上，FGC的拉伸强度和抗压强度低于其他类型的混凝土，这在承受较大荷载时对其结构完整性构成威胁[9]。

轻质地质聚合物混凝土（LWGC）作为一种环保选择，因其较低的碳排放量和更好的隔热性能而受到关注。Zhang等人[5]通过向混合物中添加膨胀珍珠岩，在高强度LWGC的机械性能和隔热性能之间取得了平衡。Thukkaram和Ammasi[11]通过修改ACI指南，开发了一种新的LWGC混合物设计方法，以降低其碳足迹。Hilal等人[2]研究了用废弃沸石部分或完全替代粉煤灰的方法，展示了生产具有较低密度和适当抗压强度的可持续LWGC的可能性。Tayeh等人[12]分析了向LWGC中添加铝粉和硅铁渣等发泡剂的影响，发现由于孔隙率增加导致抗压强度有所下降，但强度水平仍符合结构要求。Chanda等人[1]评估了基于渣的LWGC的性能，并指出了泡沫稳定性和泛碱控制方面的不足，同时提出了未来研究的建议。Swaminathan等人[13]研究了添加酸性浮石和膨胀珍珠岩后LWGC的强度性能，指出由于孔隙率增加，其热绝缘和声绝缘性能得到了提升。Youssf等人[14]的研究中，用橡胶和蛭石等轻质骨料替代部分砂，提高了抗冲击性和工作性。Rawat和Dinakar[15]开发了一种利用粉煤灰、粒化高炉矿渣和烧结粉煤灰骨料的LWGC混合物设计，发现这些成分的协同作用提升了材料性能。Alnasur和Al-hydary[4]研究了用碎橡胶部分替代传统骨料在LWGC中的应用，降低了密度同时保持了抗压强度。Kalinowska-Wichrowska[16]描述了含有轻质人造骨料的地质聚合物混凝土的物理和机械性能，并确定了对其性能有积极影响的NaOH最佳浓度。Udvardi[17]研究了在LWGC生产过程中使用玻璃泡沫骨料的情况，发现这种材料的轻质特性并未影响其机械强度，显示出作为建筑材料的潜力。

聚氨酯（PU）广泛应用于混凝土中，作为粘合剂或改性剂，以提高抗收缩性、降低吸水性、增强隔热性能和促进界面粘结[18]。图1展示了来自不同行业的聚氨酯形式[18]。将固体PU泡沫废物整合到混凝土中是一种通过回收高孔隙率和密度材料来提高建筑可持续性的新颖方法。固体PU废物来自隔热板的剥离层，这些材料体积密度低且孔隙率高（超过95%）。如果将其细磨后用于混凝土混合物中，可以减轻复合材料的重量，从而提高适用于轻质非结构部件（如砌块和保温层）的隔热性能。然而，疏水且可压缩的PU废物会使混合物变软，影响工作性并降低抗压强度，因此需要优化混合设计。尽管存在这些缺点，将其添加到混凝土中可以减少废弃物处理量，更符合循环经济原则，有助于创造更环保的建筑复合材料。添加蛭石对泡沫反应性和整体形态的影响很小，表明加工行为稳定且结构特性得到改善（见图2[19]）。图2展示了合成生物基多元醇的假设化学结构，突出了不同合成路径导致的分子构型和官能团的变化。这些结构特性与本研究直接相关，因为它们影响聚氨酯改性地质聚合物系统的反应性、交联密度和整体性能[19]。Mohi-Ud-Din等人[20]研究了将固体PU泡沫废物作为粗骨料替代品对轻质结构混凝土机械性能的影响，使用了10%的硅灰进行增强。他们评估了混合物的密度、抗压强度、抗弯强度、弹性模量、收缩率、热导率、冻融耐久性等相关因素。未经涂层的PU混凝土密度为1829 kg/m3，抗压强度为19.5 MPa，抗弯强度为2.78 MPa，弹性模量为6.98–12.52 GPa；同时收缩率降低了30%，冻融耐久性提高了5%，证明了PU在提高可持续混凝土热性能和机械性能方面的优势[21]。Al-kahtani[21]研究了添加生物基聚氨酯（PU）对普通和快硬波特兰水泥砂浆性能的影响，发现PU的添加使抗弯强度提高了10.62%，吸水性降低了67.97%，并减少了裂缝产生（通过RESRD设备测量），同时控制了PU含量在15%。自养砂浆表现出较低的收缩率、更好的耐久性和裂缝控制能力，同时保持了足够的柔韧性[22]。Sousa León等人[22]证明，在抹灰砂浆中用回收的膨胀聚苯乙烯（EPS）部分替代砂（30%）显著提高了工作性，同时保持了与参考混合物相当的抗压强度、抗弯强度和粘附性；特别是当采用优化混合工艺时，回收EPS的机械性能优于原生EPS[23]。Kytinou[23]报告称，挤出聚苯乙烯（XPS）废物可有效用作水泥基复合材料中的轻质骨料，实现了低密度和增强隔热性能的平衡，同时保持了足够的结构强度和应用性能。最近的研究集中在使用铝粉（AP）作为混凝土发泡剂，以提高其可持续性和成本效益[24-26]。Liu等人[24]发现从铝渣回收的铝粉尘可以替代AP用于生产蒸压加气混凝土（AAC），15.6克的铝粉尘产生的气体量相当于1克AP，生成的AAC密度约为800 kg/m3，抗压强度约为2.5 MPa。Bouglada等人[25]研究了含有AP和矿物添加剂（包括矿渣和火山灰）的非蒸压蜂窝混凝土复合材料，发现当用矿渣替代15%的砂、用火山灰替代10%的砂时，材料的机械性能和密度得到了进一步提升[26]。Leiva等人[26]考虑了将铝工业废物Paval用作地质聚合物的孔形成剂，发现Paval的添加使得地质聚合物具有更好的隔音性能，拓宽了其作为隔音屏障的应用范围[27]。Anggarini等人[27]研究了合成发泡剂与AP在非蒸压加气混凝土中的应用，发现AP由于其更均匀的孔结构提供了更好的机械性能。

**2. 材料和配比**
**2.1. 材料**
用于生产轻质地质聚合物泡沫混凝土的原材料经过仔细鉴定，以确保最佳性能和兼容性。图3展示了来自Sika Egypt的粉煤灰（FA）的化学氧化物组成和关键物理性能，粉煤灰是主要的前体材料。细砂（FS）作为填充材料，比重为2.52，细度模数为2.29。用于混合物的水符合英国标准BS 3148的要求，保证了高性能 cementitious 材料所需的纯度和一致性。作为活化剂溶液，使用了比重为1.531 g/cm3的硅酸钠溶液，该溶液由Egypt Global Company提供，pH值为12.7。其中SiO2/Na2O的比例分别为29.5%和14.9%，氢氧化钠片状粉末由Al-Nasr Intermediate Chemicals Company提供，纯度为98–99%。混合前24小时准备了14摩尔浓度的溶液。阿拉伯树胶用于改善工作性[3]。

**2.2. 聚氨酯泡沫废物**
PU泡沫废物来源于建筑中使用的隔热板。这类废物来自生产隔热板的工厂，被分装在两个容器中：一个容器装有直径大于10毫米的粗颗粒，另一个容器装有直径小于10毫米的细颗粒[4]。本文使用的是粗粒和细粒材料，这些材料并不完全符合ASTM骨料分类标准，但根据颗粒大小的两个范围将材料分为两类。在本文中，我们主要关注细粒部分。细粒废料的中间材料其均匀性和颗粒大小程度具有代表性。从收集的样本中观察到广泛的颗粒大小范围，并且细度很高。在这种情况下，观察到了一定程度的细化，因为约68%的总体积由小于2毫米的颗粒组成。聚氨酯泡沫的体积密度（ρ PUR foam）通过实验测量为45 ± 2 kg/m3，与制造商提供的40 kg/m3的值相当，这是通过三个立方体样本得出的结果。根据聚氨酯泡沫的材料数据表，还应注意到该泡沫的孔隙率为98%。45 kg/m3的值是在干燥且无应力条件下的泡沫密度。基于上述参数，可以计算出非多孔固体聚氨酯材料的真实密度ρ PUR，公式为：ρ PUR = ρ PUR foam × (1 - n × ρair)，其中ρ PUR foam是泡沫的表观密度（kg/m3），ρ air是空气的密度（20摄氏度时约为1.2 kg/m3）。图5显示了研磨前后聚氨酯的外观变化。图4展示了天然砂和聚氨酯（PU）颗粒的粒径分布，并与ASTM C33 [28]标准中规定的细粒骨料的上下限进行了比较。图5展示了聚氨酯的制备过程。

2.3 实验计划
2.3.1 混合比例和程序
表1显示了含有1%重量百分比AP粉末（粒径为150–300 μm）的FGC混合物的混合比例。该混合物中加入了灰分（FA）、偏高岭土（MK）、硅灰（SF）和废聚氨酯（PU），作为主要粘合剂和发泡剂。FA的用量设定为600 kg/m3，MK的含量保持在240至300 kg/m3之间。SF在整个混合物中的用量保持恒定，为60 kg/m3。为了评估PU废料对孔结构和密度的影响，其用量从0变化到200 kg/m3。所有混合物中均使用6 kg/m3的AP作为发泡剂。为了改善机械性能和流变特性，按控制量加入砂（最多300 kg/m3）。碱性活化剂系统由氢氧化钠溶液（SHS）和硅酸盐钠溶液（SSS）组成，两者比例为1:1，活化剂与粘合剂的摩尔比为14，溶液与固体的比例为2.5。还添加了2%质量百分比的增塑剂（SP），比例为0.37，以确保良好的可加工性。这种混合设计策略有助于评估使用工业废料制成的轻质地质聚合物发泡混凝土的密度降低、孔结构优化以及机械性能的提升。

表1 FGC混合物的混合比例

2.3.2 混合程序
混合过程使用专为水泥和地质聚合物混凝土设计的标准鼓式搅拌机进行[30]。混合步骤如下：首先仔细称量所有成分。将FA、MK、SF和AP加入干混合物中搅拌2分钟，然后加入砂和PU再搅拌2分钟。同时，用硅酸盐钠和氢氧化钠制备碱性溶液，并将AG加入该溶液中。接着将碱液倒入搅拌机中搅拌5分钟，以确保混合物完全均匀。混合均匀后，将混合物倒入模具中（见图6）。模具用塑料覆盖以防止碱液蒸发。最后，将样品在80°C下烘烤24小时，以确保化学反应完成并形成最终的模具形状。表1显示了混合物的重量混合比例。

3. 实验装置
3.1 新鲜状态性能
为了评估发泡混凝土的新鲜状态参数，检查了其操作性和放置特性。这里的可加工性使用ASTM C 230-97 [31]标准中的塌落流动测试进行评估，该测试要求测量扩展直径以确保其在210–250毫米的最佳范围内。新鲜密度的值根据BS 12350-6 [32]得出，该标准提供了材料硬化前的质量与体积比。此外，根据BS EN 196-3 [33]使用维卡仪（Vicat apparatus）测量针穿透阻力来确定凝固时间。这些测试提供了材料在新鲜状态下的流变行为的相对评估。

3.2 强度性能
为了评估发泡混凝土的机械性能，按照国际标准进行了一系列测试。抗压强度使用100毫米立方体模具根据BS 12390-3 [34]进行测量。抗弯强度使用尺寸为100 × 100 × 500毫米的棱柱形试样根据BS 12390-5 [35]进行测量。劈裂抗拉强度根据BS 12390-6 [36]对直径100毫米、高度200毫米的圆柱形试样进行测定。静态弹性模量根据ASTM C469 [37]进行评估。所有数值均基于三个试样的平均值，以确保每个测试结果的准确性和可靠性。

3.3 运输性能测试
为了评估发泡混凝土（FC）的耐久性相关运输特性，在第28天进行了一组标准化测试。根据BS 1881-122 [38]，使用直径50毫米、高度100毫米的圆柱形试样进行吸水率测试（见图7）。根据ASTM C1202 [39]标准，我们使用了Djerbi等人[40]开发的氯离子迁移仓进行测试，将试样放置在含有NaCl（0.513 mol/L）、KOH（0.083 mol/L）和NaOH（0.025 mol/L）的两个腔室之间（见图8）。本报告中呈现的所有数值都是对三个独立试样进行测试后的平均值，以确保测量的实验变异性具有重复性和精确性。

3.4 孔结构
采用定性和定量方法研究了发泡混凝土的孔结构特征。使用Quanta FEG 650电子显微镜根据ISO 16700标准进行了扫描电子显微镜（SEM）分析。准备了尺寸为10 × 10 × 10毫米的样品块，并在120倍放大倍率下观察表面形貌和孔隙空间形态。我们确定了孔径和孔隙分布，进而确定了材料的总孔隙率和孔隙连通性。这些互补技术提供了影响发泡混凝土性能特征的微观结构特征的完整视角。为了在SEM图像上进行基于纹理的特征提取，首先对图像进行预处理并转换为灰度图像。然后在不同方向和距离上计算了GLCM（灰度共生矩阵），并提取了均值和标准差等统计描述符来描述水化产品的纹理模式、空孔和裂纹。这些描述符被用作训练监督随机森林回归模型的输入变量。该模型旨在根据从图像中提取的特征预测多个目标（如抗压强度、密度、孔隙率和吸水率）。进行了交叉验证以确保模型的稳健性和泛化能力。

4. 结果与讨论
4.1 新鲜状态性能
4.1.1 塌落流动
图9显示了含有AP作为发泡剂、PU作为部分砂替代品以及AG作为增塑剂的发泡地质聚合物混凝土的塌落流动结果。结果表明，不含PU废料的参考混合物的塌落流动值为255毫米。然而，当PU替代比例达到10–50%时，塌落流动值分别降低了0.39%、1.96%、3.14%、5.10%和5.49%。这种持续下降表明PU废料对新鲜状态下地质聚合物混合物的流变性能有显著影响[41]。PU废料的加入可能通过两种方式干扰这一过程：首先，PU颗粒的疏水性和聚合物特性限制了水的可及性，阻碍了活化溶液中的离子移动，并增加了流动的内部阻力；其次，用不规则的低密度PU颗粒替代密集的角砂增加了空气捕获的表面积，从而降低了新鲜混合物的粘度，增加了塌落流动[42]。此外，AP在碱性条件下通过气体释放促进内部发泡，增加了流动的均匀性，但削弱了结构的完整性并降低了孔隙率，进一步影响了混合物的流变性质[25]。

4.1.2 初始和最终凝固时间
图10展示了含有AP和PU作为部分砂替代品的发泡地质聚合物混凝土的初始和最终凝固时间。参考混合物的初始凝固时间为158分钟，最终凝固时间为359分钟。随着PU含量的增加（从10%增加到50%），初始凝固时间在157至168分钟之间变化，而最终凝固时间略微增加至最大379分钟。初始和最终凝固时间分别增加了6.3%和5.6%，这些变化在实验可变范围内。因此，这些结果表明PU含量的变化对凝固行为没有显著影响。凝固过程主要由地质聚合物粘合剂系统控制，特别是铝硅酸盐前体（FA、MK和SF）在碱性活化剂（14 M NaOH）中的溶解，随后形成N-A-S-H或C-A-S-H凝胶[43]。虽然AP产生的氢气有助于孔隙形成并可能略微影响早期动力学，但其对凝固时间的总体影响仍然有限[24]。此外，PU废料作为惰性填料与地质聚合物基体的化学反应极少，因此不会显著影响地质聚合物化过程；任何观察到的凝固时间变化可归因于正常的实验波动，而不是骨料替代的系统性效应[44]，特别是在高替代水平时。凝固时间的增加也可能是因为材料的热导率改变和内部压实作用的增强，这使得局部热量积累减少，这对加速地质聚合物反应和时间延迟至关重要[42]。同时，AP发泡效应产生的钴以及PU替代作用也限制了系统的结构刚性。由于铝诱导的发泡效应和惰性、低密度、非极性PU废料对反应路径的物理阻碍，初始和最终凝固时间的延长随着PU含量的增加而增加。这项研究的结果强调了在含有轻质聚合物填料的地质聚合物中平衡活化剂的可及性和发泡效率的重要性。

4.1.3 塑性、脱模和烘烤干燥密度
图11显示了不同PU掺量下6种混合物的密度。通过塑性、脱模和烘烤干燥密度测量评估了用PU替代砂对地质聚合物发泡混凝土密度的影响。与经过烤箱干燥、脱模处理且塑料密度分别为1500、1606和1744千克/立方米的参考混合物相比，所有改性混合物在三种密度状态下的性能都呈现出逐渐提升的趋势，这是因为聚脲（PU）的替代比例从10%增加到了50%。具体来说，当PU替代比例从10%增加到50%时，烤箱干燥后的密度分别增加了0.8%、2.8%、4.0%、5.5%和6.3%，而塑料密度分别增加了0.9%、1.8%、2.5%、3.3%和4.4%。这种现象与轻质混凝土的典型行为相反，表明存在多种相互竞争的影响因素。尽管聚脲是一种轻质材料，但其部分替代砂并不会导致密度降低。首先，聚脲与碱性介质反应会产生气体，形成蜂窝状结构[45]。然而，这种效应被混合物黏度和凝聚力的增加所抵消，因为随着聚脲含量的增加，能够捕获的空气孔隙量减少了。另一个原因是聚脲颗粒的弹性恢复能力和低吸水性使得在混合过程中压缩程度提高，减少了泌水现象，并改善了基体的密实度。此外，由于其不规则的形态，聚脲颗粒可以作为微尺度填料，从而在单位体积内增加固体含量，弥补了由于其低比重而预期导致的密度降低[46]。这一点从脱模后的密度数值中可以得到证实，当PU替代比例为50%时，密度增加了高达5.7%，表明在固化过程中内部结构得到了更好的巩固。聚脲废物的化学惰性对胶凝剂凝胶的形成影响不大；因此，由偏高岭土和铝粉（FA）激活引起的地聚合物化反应仍然可以正常进行。但从物理角度来看，聚脲可能会限制凝胶的膨胀，导致硬化后的基体更加致密。这种物理效应可以解释为什么随着聚脲含量的增加，烤箱干燥后的密度也会增加。总体而言，聚脲替代比例的增加揭示了多种相互作用的复杂性，其中疏水性、压缩性和微观结构致密化主导了通常预期的强度降低现象。

图11. 不同FGC混合物的塑料密度、脱模密度和烤箱干燥密度。

4.2. 力学性能
将聚脲废料和铝粉作为部分砂替代品加入泡沫地聚合物混凝土中，测试了其在养护龄期7天、14天、28天、56天和180天时的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度以及弹性模量。

4.2.1. 抗压强度
图12显示了FGC在7天、14天、28天、56天和180天时的抗压强度结果。在7天时，早期抗压强度反映了地聚合物化进程和初级铝硅酸盐骨架交联网络的形成情况。参考混合物的抗压强度为22.84兆帕（MPa），而聚脲改性的混合物根据聚脲含量的不同表现出不同的性能。PU20和PU30的表现优于参考混合物，分别达到了27.37兆帕和29.62兆帕，分别提高了19.8%和29.7%。这表明适度的聚脲含量是有益的，因为它在早期地聚合物化反应中增强了离子迁移性[47]。相反，高聚脲含量导致PU40和PU50的抗压强度大幅下降，PU50的抗压强度仅为15.45兆帕，比参考混合物低32.3%。这归因于过多的非反应性聚脲颗粒抑制了凝胶网络的形成，并产生了大量的空气孔隙，而铝粉的释放进一步加剧了这一问题[25]。

图12. 不同FGC混合物的抗压强度结果
在14天时，随着聚合物凝胶结构的成熟和致密化，地聚合物混凝土的抗压强度显著提高，这一过程通常在两周后发生。参考混合物的抗压强度达到了28.45兆帕，PU30的抗压强度最高，为36.48兆帕，提高了28.2%。PU20紧随其后，抗压强度为32.49兆帕，表明适度的聚脲替代有助于促进有利的微观结构发展。另一方面，PU40和PU50的抗压强度低于参考混合物，分别为21.58兆帕和18.41兆帕，表明过量的聚脲会对胶凝剂的连续性产生负面影响，导致孔隙结构不稳定[45]。

在28天时，对于大多数结构混凝土来说这是一个重要的指标。参考混合物的抗压强度达到了34.97兆帕，而PU20和PU30的抗压强度显著超过了这一数值，分别为40.89兆帕和42.56兆帕，分别提高了16.9%和21.7%。这些改进是由于MK和FA的持续碱性激活作用下，N-A-S-H/C-A-S-H凝胶的持续地聚合物化和致密化。适量的聚脲废物补充通过作为微填料帮助维持内部湿度，从而促进了这一过程，这对延长的反应动力学至关重要[49]。同时，PU40和PU50的抗压强度进一步下降，分别为26.59兆帕和21.86兆帕。因此，尽管铝粉的加入减轻了整体系统的重量，但反应性相与惰性相之间的平衡限制了28天时观察到的效果[44]。

预计地聚合物混凝土在56天时会进入第二个反应阶段，并持续凝胶成熟。参考混合物的抗压强度达到了38.45兆帕，而PU30的抗压强度进一步提高到了45.76兆帕，相当于提高了约18.9%。这表明聚脲在内部孔隙率、机械互锁性和持久的地聚合物稳定性之间提供了最佳的平衡[50]。此外，PU20的抗压强度也保持在较高水平，为39.63兆帕。较长的养护时间促进了偏高岭土的反应速率以及硅灰的固化，这可能得益于内部固化和偏高岭土反应性的增强[47,48]。尽管如此，在这些较高的替代水平下，由氢气和夹带空气形成的孔隙占据了基体的中心位置，降低了硬化胶凝阶段的刚度和连续性[51]。因此，56天时的强度测量结果展示了适量聚脲在水化动力学和长期致密化过程中的有益影响。

在180天时，PU30试样的抗压强度为47.24兆帕，比参考混合物的41.24兆帕提高了14.6%。PU20的抗压强度为46.04兆帕，比参考混合物提高了11.6%，证实了最佳聚脲含量所带来的持续反应性和致密化效果。这些结果支持了这样一个假设：即疏水性聚脲颗粒在水化动力学和长期致密化过程中的有益影响。另一方面，PU40和PU50的表现较差，抗压强度分别为32.27兆帕和28.42兆帕，比参考混合物低31.1%。

4.2.2. 抗弯强度
图13显示了FGC在7天、14天、28天、56天和180天时的抗弯强度结果。在7天时，参考混合物的抗弯强度为5.19兆帕，表明地聚合物胶凝剂网络开始形成。聚脲改性混合物的抗弯强度随替代比例的不同而变化，PU30的抗弯强度最高，为7.15兆帕，比参考值提高了约37.7%；PU20的抗弯强度为6.60兆帕。Heah等人[52]指出，地聚合物系统在早期阶段的抗弯强度得益于通过细小、均匀的填料应力路径分布的裂缝桥接机制。然而，PU50的抗弯强度大幅下降至3.85兆帕（比参考值低25.8%），明显表明在高聚脲含量下，胶凝剂骨架的不稳定性以及孔隙率过高导致了这一现象。

图13. 不同FGC混合物的抗弯强度结果
在14天时，随着地聚合物化的继续以及基体的进一步致密化，抗弯强度有所提高。参考混合物的抗弯强度达到了6.54兆帕，而PU30和PU20的抗弯强度分别提高了8.80兆帕和8.27兆帕，分别提高了34.6%和26.5%，表明适度的聚脲含量有助于提高基体的韧性和抗裂性。PU30的优势与Deb等人的研究结果一致[53]，他们指出地聚合物与填料的混合物由于其能量吸收作用，提高了抗弯性能，有助于裂缝后的恢复。PU10的抗弯强度也有所提高，而PU40和PU50的抗弯强度较低，分别为6.05兆帕和5.75兆帕，再次证明了过量聚脲引起的孔隙和颗粒间弱结合对弯曲应力传递的不利影响。

在28天时，控制混合物的抗弯强度为8.11兆帕，而PU30的抗弯强度再次领先，达到了10.50兆帕，提高了29.5%，证实了这一替代水平的有效性。PU20的抗弯强度为9.86兆帕。这两个值都显著高于传统的泡沫混凝土在28天时的抗弯强度（通常在5到8兆帕之间）。抗弯性能的提高可能是由于地聚合物凝胶和交联聚合物泡沫的协同效应，它们提高了能量耗散能力[54]。这些观察结果与Zhao等人的研究结果一致[54]，他们发现多孔改性的碱活化体系的应力集中较低，因此抗弯强度更高。相比之下，PU40和PU50的抗弯性能较差，分别为7.42兆帕和6.24兆帕，这表明过量的聚脲会损害基体的抗拉性能和裂缝闭合能力。

在56天时，控制混合物的抗弯强度为8.95兆帕，而PU30的抗弯强度达到了11.04兆帕，增加了23.4%，表明由于进一步的聚合和孔隙细化，基体得到了进一步加强。PU20的抗弯强度也表现良好，为10.51兆帕。PU10的抗弯强度与控制组相似，而PU40和PU50的抗弯强度显著低于参考值，分别为7.00兆帕和7.19兆帕，证实了过量聚脲对基体长期整合的负面影响[55]。这些结果与Soutsos等人的研究结果一致[55]，他们强调了最佳颗粒级配和孔结构控制对于保持轻质地聚合物泡沫的抗弯性能的重要性[56]。参考混凝土的抗弯强度为9.63兆帕，而PU30的抗弯强度达到了11.54兆帕，提高了19.9%。PU20的抗弯强度也保持在较高水平，为11.10兆帕，表明这两种混合物都进一步增强了内部结构强度。这一阶段强度的提高可能归因于孔隙结构的改善、凝胶相的致密化以及持续的抵抗开裂能力[57]。PU10的抗弯强度稳定在8.84兆帕（略低于参考值），而PU40和PU50的抗弯强度分别为7.78兆帕和7.19兆帕，表明由于过多的空气夹带和低刚性贡献，它们的结构性能较差。

4.2.3. 劈裂抗拉强度
图14解释了劈裂抗拉强度的结果。在7天时，参考混合物的劈裂抗拉强度为3.12兆帕，表明地聚合物凝胶开始形成并具有一定程度的机械互锁。聚脲改性混合物的抗剪强度有所不同，PU30的抗剪强度为4.51兆帕，比参考值提高了44.5%。PU20的抗剪强度也超过了参考值，为4.17兆帕，表明适量的聚脲废物添加增强了微观结构的连通性。Nath和Sarker[57]还报告说，细小的聚合物填料改善了早期地聚合物的抗拉强度，因为它们改善了应力分布和裂缝桥接机制。然而，PU50的抗剪强度显著下降至2.07兆帕（比参考值低约33.6%），这是由于聚脲含量过高导致的孔隙率增加和界面过渡区较弱。

图14. FGC的劈裂抗拉强度结果
在14天后，所有混合物的抗剪强度都有所提高，因为地聚合物凝胶的聚合物化和致密化仍在继续进行。参考混合物的抗压强度达到了3.97 MPa，而PU20和PU30的抗压强度分别超过了参考混合物40%以上，达到5.60 MPa和5.71 MPa。这一改进与实验结果一致，可以归因于AP（铝粉）产生的发泡效果，以及在最佳PU添加量下内部孔隙结构的精细化作用[58]。PU40和PU50的抗压强度则较低，分别为3.45 MPa和3.31 MPa。高PU混合物性能的下降与泡沫混凝土的已知行为相符：当孔隙率超过某一阈值时，由于缺乏连续的压力加载和颗粒间的弱结合，材料的强度会呈指数级下降。

28天的抗拉强度是评价其结构应用的重要指标。参考混合物的抗拉强度为4.96 MPa，而PU30的抗拉强度达到6.63 MPa（增加了33.7%），PU20紧随其后，为6.06 MPa。然而，PU40和PU50的抗拉强度分别为4.16 MPa和3.78 MPa，这表明泡沫材料的稳定性开始减弱，而与基体之间的粘结力变得相对较弱[6,59]。

在56天时，地理聚合物凝胶系统继续发生缩合反应，同时内部结构得到进一步细化，从而显著提高了材料的抗压强度。参考混合物的抗拉强度为5.65 MPa，而PU30的抗拉强度达到了6.97 MPa，比参考值高出了约23.3%。PU20的抗拉强度也为6.54 MPa，证实了其对提高材料长期韧性的贡献。这支持了Deb等人的先前研究结果[53]，他们指出含有混合填料的地理聚合物系统可以通过逐渐增稠和改善应力分布来提高抗拉强度。相比之下，尽管PU40和PU50的抗拉强度相对于早期阶段有所提升，但仍低于参考混合物，分别为4.98 MPa和4.42 MPa。这种下降是由于过度添加PU导致孔隙连通性和颗粒间粘结力减弱所致。

在180天时，地理聚合物泡沫混凝土的抗拉强度和抗压粘合力出现了最大程度的恶化。PU30的抗拉强度达到了7.28 MPa，比参考混合物高出约16.7%，其次是PU20，为6.89 MPa。所有这些结果都超过了水泥基泡沫混凝土在180天时的抗拉强度（通常不超过5 MPa）。这进一步证明了加入AP以实现可控发泡以及优化PU废料用量对提高材料轻质化和强度的协同效应。PU10的抗拉强度接近参考值5.74 MPa，表明较低含量的PU达到了收益递减的临界点。然而，PU50的抗拉强度仍然最低，为4.40 MPa，比参考值低29.5%。这也表明过量的PU会导致微观结构的不连续性、气孔的聚集，并且随着时间的推移这些问题会变得更为严重。Li等人的研究[60]也指出，泡沫地理聚合物系统的抗拉强度高度依赖于孔隙大小分布、粘结剂连续性以及填料与基体之间的相互作用。

**4.2.4 弹性模量**
图15展示了含有1%铝粉（作为发泡剂）和不同量PU废料（替代砂子的）FGC（泡沫地理聚合物混凝土）混合物的弹性模量。不含PU废料的参考混合物的基线模量为0.71 GPa。当加入10%的PU废料后，弹性模量略微下降至0.68 GPa（降低了4.2%）。然而，当PU含量增加到20%时，弹性模量提升至0.89 GPa（增加了25.4%），在30%时达到峰值0.95 GPa（增加了约33.8%），表明内部刚度和孔隙结构得到了显著改善。当PU含量继续增加到40%时，弹性模量降至0.60 GPa（比参考值降低了15.5%），而当PU含量达到50%时降至最低值0.44 GPa（降低了38%）。这种随着PU含量增加而降低的趋势是由于过高的孔隙率和低密度填料导致的基体凝聚力减弱。总体而言，适量的PU替代（尤其是在30%左右）能够显著提高材料的弹性性能，而过量替代则会因基体连通性的降低而损害材料的结构完整性[61]。

**4.3 输运性能**
**4.3.1 吸水性**
图16显示了含有1%铝粉和不同量PU废料的FGC混合物的吸水率，以评估其在吸水能力方面的耐久性和孔隙连通性。不含PU废料的参考混合物的吸水率为34.38%。当加入10%的PU废料后，吸水率略微上升至35.55%（增加了3.4%）。值得注意的是，当PU含量增加到20%和30%时，吸水率分别下降至34.62%（增加了0.7%）和34.12%（减少了0.8%），表明在中等PU添加量下孔隙结构得到了改善。然而，当PU含量过高时（40%），吸水率显著上升至35.66%（增加了3.7%），在50%时达到峰值36.17%（增加了5.2%），表明基体密度有所提高。这种适度的PU替代有利于提高材料的耐久性，而过量的替代则会导致结构整合能力减弱和孔隙连通性增加[7,48]。

**4.3.2 氯离子扩散**
图17测试了含有1%铝粉和不同量PU废料的FGC混合物在恶劣氯化物环境下的耐久性，通过测量其氯离子渗透阻力来进行评估。评估耐久性的关键因素是氯离子扩散系数和总电荷。参考混合物的氯离子扩散系数为4.98 × 10^-12 m^2/s，总电荷为4872库仑。含有10% PU废料的混合物的这两个参数均有所提高，分别为5.14 × 10^-12 m^2/s和4913库仑，表明由于聚合物相增加了气孔数量，孔隙结构得到了改善。然而，当PU含量增加到20%和30%时，这两个参数分别降至4.45 × 10^-12 m^2/s和4.01 × 10^-12 m^2/s，比参考值降低了10.6%和19.4%。这些改善归因于疏水性PU片段的均匀分布和更高的孔隙填充密度，从而减少了水的传输[62]。如预期[63]，通过30%的PU添加后电荷略有增加，达到最低值4662库仑，比参考值降低了4.3%，提高了基体的电阻率。然而，当PU含量超过30%时，扩散系数和电荷值均有所下降：40%和50%的PU混合物的扩散系数分别升至5.21 × 10^-12 m^2/s和5.39 × 10^-12 m^2/s，电荷值分别升至4901和4980库仑。这表明过量的PU会干扰地理聚合物凝胶的形成，导致大孔隙与薄弱区域相连，孔隙间的结合力减弱[20]。这些数据表明，适量的PU添加（尤其是在30%时）可以提高材料的结构性能与重量比，而过量添加则会损害材料的离子传输能力[20]。

**4.4 微观结构特性**
图18的扫描电子显微镜（SEM）图像展示了FGC混合物的微观结构特征。图中显示了一个由未反应的粉煤灰颗粒组成的非均匀但具有凝聚力的基体，这些颗粒被包裹在连续的地理聚合物凝胶网络中。在中等PU含量（PU30）下，基体较为致密，孔壁的连通性较低。在致密的地理聚合物凝胶中，地理聚合物化和孔隙稳定化过程得到显著增强[64,65]。铝粉作为发泡剂的作用体现在均匀分布的圆形孔洞上，这些孔洞有助于实现轻质化结构，同时不会对基体完整性造成显著损害。此外，地理聚合物凝胶与剩余颗粒之间形成的致密、紧密结合的界面表明了强韧的粘结力和良好的流体流动性能[66]。

相比之下，高PU含量的混合物（虽然在此图中不可见，但已有相关研究报道）通常表现出微观结构紊乱和孔隙扩大，以及由于轻质骨料过量添加导致的凝胶连通性下降[66,67]。SEM图像显示了不同PU替代比例（10%-50%）的FGC混合物的微观结构变化。其中，PU30的孔隙结构最为平衡，孔径约为70-135微米，嵌在胶状基体中，表明其在保持轻质性的同时具有理想的基体强度。在PU10和PU20混合物中，孔径在50-114微米之间。尽管存在微裂纹，但这些混合物仍保持了连续的凝胶完整性。这些结果表明，适度的PU添加有助于材料的轻质化。当PU含量达到40%和50%时，孔洞变大且聚集，导致结构严重破坏。过量的PU分解会导致材料均匀性降低和强度下降。控制混合物的基体致密且孔隙率低（<20微米），表明虽然发生了有限的地理聚合物化，但缺乏PU的轻质特性。

**4.5 抗压强度预测和SEM图像分析**
对使用铝粉作为发泡剂的泡沫地理聚合物混凝土样品进行的预测分析表明，实际测得的物理性质与模型预测值之间存在较强相关性，如图19所示。对于抗压强度，模型预测的值为34.7 MPa至37.4 MPa，而实际测得的值范围为21.86 MPa至43.52 MPa。尽管模型在低强度样品（如PU50）中的预测值偏高，但在总体上仍然符合实际情况。该模型还能捕捉到抗压强度的相关特征，并在SEM图像中反映了这些特征。对于密度，模型预测的值与实际测量值（1485-1598 kg/m^3）基本一致。这种建模缺陷表明，虽然模型能够有效识别与密度相关的微观结构特征，但仍需进一步优化以捕捉更复杂的混合效应。参考混合物显示，界面过渡区（ITZ）在微观结构中占主导地位（35.3%），其次是结晶石英石（CSH）（28.3%）、微裂纹（12.9%）、骨料（8.4%）、孔隙（6.8%）和埃特林ITE（ettringite）（4.4%）。在第二张SEM图像中，ITZ的占比仍最高（34.1%），CSH为28.3%，但骨料占比上升至10.3%，孔隙占比升至8.7%，微裂纹占比略微下降至12.8%，埃特林ITE占比降至2.7%，孔隙含量也略微下降至3.1%。这些变化表明微观结构的局部不均匀性可能受到制备或固化过程中水化速率、材料分布或机械加载等因素的影响[68,69]。

本研究表明，将深度学习-based的图像分析技术应用于水泥基材料研究有助于实现微观结构的自动量化。两张图像中ITZ和CSH的显著主导地位进一步强调了它们在决定材料机械性能和耐久性方面的核心作用[70]。第二张图像中较高的骨料和孔隙含量可能表明该区域的颗粒-浆体粘结力较弱或结构更加多孔。相反，第一张图像中较高的埃特林ITE含量表明可能存在局部膨胀反应，如埃特林ITE形成的延迟，这可能导致微裂纹[71]。这些细微但重要的差异强调了多区域SEM分析在全面理解混凝土行为中的重要性[72]。总的来说，这种诊断成像方法不仅提高了微观结构表征的精度，还有助于开发更耐久和优化的混凝土配方[73]。总之，研究结果验证了基于图像的机器学习模型在估算泡沫地理聚合物混凝土的机械和物理性质方面的有效性。对于低密度或低强度且孔隙率较高的试样，其预测准确性较低，这表明通过多样化训练数据和特征提取可以提高预测准确性[74]。图19展示了GFC的SEM图像分割和混凝土性能预测结果。需要注意的是，从SEM图像分割中得到的孔结构表征提供了定性与半定量的评估。虽然这种方法有助于了解孔隙分布和形态，但它不能替代直接孔隙表征技术，如汞侵入孔隙度测量（MIP）。因此，其解释结果是通过与测量的孔隙率、渗透性和吸水率结果的一致性间接支持的。5. 讨论 本研究的结果扩展了人们对含聚氨酯废物（PU）和活性磷酸盐（AP）的FGC（Foamed Geopolymer Concrete）性能特性的理解。结果表明，用PU废物适度替代砂，特别是在30%（PU30）时，显著改善了混凝土的机械性能和微观结构。PU30混合物的压缩强度、抗弯强度和劈裂抗拉强度的提高表明，在这种程度的PU废物掺入下，基质密度与孔隙分布之间达到了良好的平衡。这一改善是由于PU颗粒与地质聚合物基体的共同作用，增强了微观结构的均匀性和凝聚力。弹性模量的显著增加也支持了适量PU含量可以提升混凝土耐久性的理论。另一方面，研究还显示，高PU含量（>30%）会由于孔隙率增加和基质粘结力下降而损害机械性能。这一发现强调了平衡PU废物利用与结构性能的重要性的必要性。PU20-PU30范围内获得的最佳孔隙率和渗透率也反映了更好的孔结构以及降低的孔隙连通性。这些发现对于FGC的有效性和使用寿命具有重要意义，因为较低的渗透率可能增强其对恶劣环境因素的抵御能力，并减少土木工程应用中的结构加固腐蚀[75,76,77]。SEM分析以及宏观性能评估表明，在中等PU含量下，孔结构均匀性与更致密的基质之间达到了平衡。这种一致性强化了在不同尺度上进行材料表征以调整性能的必要性，这一点不容忽视。通过RSM（Random Surface Modeling）分析不同PU含量对多个性能参数的影响，展示了如何构建一个模型来同时捕捉所有效应[78]，体现了响应面方法的力量。确定30%的PU含量为最佳水平，为针对性改进基质连续性和泡沫分布提供了很好的指导。总之，这项研究表明将PU废物掺入FGC是一种可行的废物管理方法和混凝土性能提升方式。这种添加PU的做法不仅有助于提高混凝土性能，还有助于废物管理。从而，这项研究有助于推动更可持续的建筑材料的发展，同时生产出更加环保的混凝土，如图20所示。图20展示了研究的输入数据和发现。6. 结论 本研究评估了使用聚氨酯废物和活性磷酸盐制备的可持续、轻质、高强结构发泡地质聚合物混凝土的配方。测试结果如下：随着PU废物含量的增加，由于地质聚合物反应受到疏水性抑制，混合物的易操作性降低；较高的PU含量导致凝固时间延长；尽管与预期相反，但UP含量高达30%时，孔隙率却有所增加；最大吸水率和孔隙率出现在20%-30%的PU含量范围内，表明这些PU百分比下孔隙结构最优；在PU含量为30%时，抗压强度、抗弯强度和劈裂抗拉强度分别比对照组提高了21.7%、19.9%和16.7%；PU含量为30%时，弹性模量增加了33.8%；在20%-30%的PU含量范围内，微观结构分析显示孔隙结构有所改善，基质变得更致密；在PU30时，AP发泡剂使整个试样形成了均匀的孔结构；结果表明，通过优化PU废物和AP的含量，可以开发出可持续、轻质、高强的结构发泡地质聚合物混凝土。将随机森林回归与基于GLCM（Graduation Matrix Chromatography）的纹理分析相结合，提供了一种有效且易于解释的方法，用于从SEM图像预测混凝土性能；传统的人工智能技术在将微观结构图像分析与建筑材料工程的性能特性联系起来方面发挥着关键作用；在PU含量为30%时，实现了密度降低、高级机械性能提升和耐久性改善的最佳平衡。