CC BY
10Способы получения модифицированных бетонов, обладающих сенсорными свойствами
Тамов Мурат Мухамедович,
доцент кафедры строительных конструкций, ФГБОУ ВО "Кубанский государственный технологический университет", murat.tamov@gmail.com
Грешкина Екатерина Владимировна,
старший преподаватель кафедры строительных конструкций ФГБОУ вО "Кубанский государственный технологический университет"
ekaterinavgreshkina@gmail.com
Табагуа Георгий Ревазович,
аспирант кафедры строительных конструкций, ФГБОУ ВО "Кубанский государственный технологический университет", 79298335933@ya.ru
Получение модифицированных бетонов, обладающих сенсорными свойствами, имеет важное практическое значение. Одним из способов достижения этих свойств является включение в состав бетонов наночастиц. Основным фактором, определяющим успешное модифицирование бетонов углеродными наночастицами, является их равномерное распределение в объеме цементного камня. В настоящей статье выполнен обзор подходов решения этой задачи, применявшихся в исследованиях, посвященных пьезорезистивным свойствам бетонов с добавлением углеродных нанотрубок и нановоло-кон. Отмечается высокая эффективность использованных различными авторами физических и химических способов распределения нанотрубок, в том числе в части повышения электропроводности и тензочувствительности бетонов. Однако при этом приводимые в рассмотренных исследованиях результаты при применении идентичных методов распределения наночастиц оказываются достаточно разнородными. Авторами статьи сделан вывод о необходимости проведения дальнейших исследований, направленных на изучение влияния способов получения бетонов с наночастицами на их пье-зорезистивные свойства.
Ключевые слова: мониторинг состояния железобетонных конструкций, сенсор, углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна, пьезорезистивность.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и администрации Краснодарского края в рамках научного проекта № 19-48-233006.
Введение
Углеродные нанотрубки (УНТ) и нановолокна считаются одними из самых многообещающих и перспективных наполнителей для композитных материалов [1]. К настоящему времени они широко используются в электронике, медицине, химической и энергетической промышленности по причине обладания высокой прочностью, тепловой и электрической проводимостью [2].
Основной сложностью в модифицировании бетонов при помощи УНТ является обеспечение их равномерного распределения в объеме цементного камня, вызванная склонностью УНТ к агломерированию [3, 4]. Последнее является следствием притяжения УНТ друг к другу из-за действия высоких сил Ван-дер-Ваальса [5]. Это явление наряду с высокой гидрофобностью УНТ считается причиной относительно невысокого армирующего эффекта УНТ при добавлении их в цементные бетоны - повышение прочности бетонов при введении в их структуру УНТ составляет 10 -30% [2], а иногда и вовсе не наблюдается [6].
Добавление УНТ в состав бетона придает последнему пьезорезистивные свойства, открывая возможность использования его в качестве сенсора для мониторинга напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций [7-10]. В этом вопросе равномерное распределение УНТ также играет важную роль, способствуя формированию электропроводящей сети [8]. В настоящей статье рассматриваются предлагаемые различными исследователями способы распределения УНТ в процессе изготовления цементных композитов с пьезорезистивными свойствами.
Способы получения цементных композитов
В зарубежной литературе чаще всего способы диспергирования УНТ разделяют на «химические» и «физические». К первым относится применение растворителей, поверхностно-активных веществ (ПАВ), функционализация УНТ кислотами [2, 11, 12], нековалентная функционализация [13] и пр. Основным традиционным физическим способом является диспергирование УНТ в водной среде ультразвуковой обработкой с последующим затворением цемента полученной суспензией [14]. Химические способы диспергирования могут применяться только в сочетании с физическими, способствуя взаимодействию нанотрубок с водой и повышая стабильность суспензии [15].
В большинстве рассмотренных исследований сенсорных свойств наномодифицированного бетона диспергирование УНТ осуществлялось одним лишь физическим способом. Типовая после-
х
X
о
го А с.
X
го т
о
ю О
м о
а>
о
es
0
01
О Ш
m
X
<
m о х
X
довательность приготовления бетонной смеси в них включала следующие операции:
1) перемешивание УНТ с водой в выбранной пропорции;
2) ультразвуковая обработка состава;
3) затворение цемента или цементно-песчаной смеси полученным раствором УНТ.
Ультразвуковая обработка разделяет глобулы УНТ. При этом чрезмерная интенсивность ультразвука приводит к повреждениям УНТ, снижая среднее их аспектное отношение [16]. Длительность ультразвуковой обработки водного раствора в исследованиях варьируется от 10 минут [17] до одного часа [18].
В диссертационной работе Азхари [18] в дополнение к указанному способу в состав водного раствора УНТ вводились метилцеллюлоза и суперпластификатор. Цемент для образцов предварительно вручную смешивался с микрокремнеземом. В полученную сухую смесь вливались суспензия УНТ ипе-ноудалитель. В другой работе этого же автора [19] рассмотрены свойства изготовленных подобным способом сенсоров с добавлением углеродных волокон (УВ), а также с сочетанием УВ и УНТ («hybrid sensor, т.е. гибридный сенсор). Ожидалось, что введение в структуру сенсоров УНТ обеспечит образование эффективных электропроводящих путей, и сочетанием УВ и УНТ будут достигнуты более высокие значения электрической проводимости и пьезорезистивности. Однако прирост проводимости гибридных сенсоров составил лишь 10%. Автор предлагают несколько объяснений невысокого прироста показателей при применении УНТ, основным из которых считают невысокую эффективность принятого способа диспергирования. В опытах Ким и др. [20] также рассматривалось сочетание УНТ и УВ, причем содержание УВ в эксперименте являлось варьируемым параметром (0 - 0,5% массы цемента), а концентрация УНТ была принята фиксированной (0,5 % массе цемента). Образцы с более высоким содержанием УВ продемонстрировали более низкое сопротивление, причем при концентрации УВ 0,5 % сопротивление снизилось более чем в 13 раз по отношению к образцам с нулевым содержанием УВ. Изготовление образцов в этом исследовании производилось без применения ультразвуковой обработки при простом сухом смешивании УНТ, УВ и цемента с последующим затворе-нием водой.
В исследовании Коппола и др. [17] за основу метода диспергирования УНТ в образцах из цементного камня без заполнителей и мелкозернистого бетона также была принята вышеуказанная последовательность действий. В водный раствор при этом для нековалентной модифиакции поверхности УНТ было добавлено ПАВ - бензол с линейным алкильным заместителем. При приготовлении бетонной смеси для удаления пены добавлялся также трибутилфосват. Концентрация
УНТ по отношению к массе цемента в образцах составляла 0,1, 0,5 и 1%. Наилучшие пьезорези-стивные свойства при работе на сжатие продемонстрировали образцы цементного камня с добавлением ПАВ и самой низкой концентрацией УНТ 0,1 %. Изменение сопротивления в них при приложении нагрузки, составляющей 30% прочности, превышало 25%.
Исследователи Перуджинского университета Д'Алессандро и др. [21] для получения водных растворов УНТ применили девять различных диспергирующих добавок с концентрацией 0,1:1, 1:1 и 10:1 по отношению к массе УНТ. Распределение УНТ в воде до затворения цемента производилось двумя способами: механическим перемешиванием миксером и ультразвуковой обработкой. Продолжительность первого составляла 60 мин, второго - 30 мин. В общей сложности были испытаны образцы с 54 различными сочетаниями диспергирующих добавок, их массовой доли и метода перемешивания. Сравнение качества водных растворов производилось по интегральному показателю, учитывающему время образования осадка и результаты анализа снимков электронного микроскопа. Подвергавшиеся ультразвуковой обработке растворы в большинстве случаев превосходили по этому показателю растворы, полученные простым перемешиванием. Также высокое качество показали растворы со всеми диспергирующими добавками при концентрации 10:1. Сравнение сенсорных свойств выполнялось на образцах с концентрацией УНТ 1% к массе цемента, соответствующей порогу протекания. Испытания показали, что образцы, при получении которых применялось механическое перемешивание и ультразвуковая обработка, обладают близкими характеристиками электрической проводимости и тензочувствительности.
Ли и др. [22] выполнили сравнение электрической проводимости и пьезорезистивных свойств цементных композитов с добавлением УНТ с обработкой серной и азотной кислотой и без неё. В обоих случаях наблюдалось как повышение проводимости, так и улучшение сенсорных свойств цементного камня. При этом пьезорезистивность композитов в большей степени повышалась при применении обработанных УНТ, а проводимость - при применении необработанных УНТ. Объясняется это тем, что продукты гидратации цемента, покрывая обработанные УНТ, блокируя образование проводящей сети. При такой микроструктуре как количество контактных точек, так и расстояние между УНТ оказываются в сильной зависимости от деформированного состояния образца.
В работе Соболькиной и др. [23] исследовались диспергируемость УНТ в водной среде и последующее распределение в цементной матрице при применении двух ПАВ - неионогенного и ани-оногенного - в различных концентрациях в соче-
тании ультразвуковой обработкой в течение 30 -210 мин. Оценка дисперсий производилась методом оптической спектроскопии.
В некоторых исследованиях диспергирование наночастиц в цементном камне осуществлялось и вовсе без применения ультразвука. Так, в опытах при сухом смешивании цемента, микрокремнезема и УНТ с последующим затворением водой с поли-карбоксилатным кислотным суперпластификатором были получены образцы, электрическое сопротивление которых снизилось на несколько порядков в сравнении с контрольными образцами без УНТ [24]. Ди Гао и др. [25] выполнили сравнение свойств обычного и самоуплотняющегося бетонов, изготовленных аналогичным образом с добавлением углеродных нановолокон. В образцах из самоуплотняющегося бетона было достигнуто лучшее распределение нановолокон в объеме цементного камня. Тензочувствительность этих образцов также оказалась выше, чем у образцов из обычного бетона.
Рассмотренные примеры из научной литературы представляют собой неполный перечень предлагаемых способов получения наномодифицированных бетонов, обладающих пьезорезистивными свойствами. Оценки этих способов авторами нередко различны, а в некоторых случаях даже противоречива. Тем не менее, в большинстве случаев диспергирование наночастиц в объеме бетона успешно достигается. Это свидетельствует о перспективности наномодифицированного бетона, как потенциального средства мониторинга напряженно-деформированного состояния конструкций. Необходимо проведение дальнейших исследований, направленных на изучение влияния способов получения бетонов с добавлением наночастиц на их пьезорезистивные свойства.
Литература
1. Foldyna J., Foldyna V., Zelenak M. Dispersion of carbon nanotubes for application in cement composites // International Conference on Manufacturing Engineering and Materials. Novy Smokovec, Slovakia: Procedia Engineering, 2016. pp. 94-99.
2. Kang S.-T., Seo J.-Y. and Park S.-H. The Characteristics of CNT/Cement Composites with Acid-Treated MWCNTs // Advances in Materials Science and Engineering. 2015.
3. Петрунин С.Ю. Повышение прочности бетона углеродными нанотрубками с применением гидродинамической кавитации: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. - М., 2015.
4. Raki L., Beaudoin J., Alizadeh R., Makar J., Sato T. Cement and Concrete Nanoscience and Nanotechnology // Materials . 2010. №3. pp. 918-942.
5. Yazdanbakhsh A., Grasley Z.C., Tyson B. and Abu Al-Rub R.K. Carbon Nano Filaments in Cementitious Materials: Some Issues on Dispersion
and Interfacial Bond // ACI Special Publication. American Concrete Institute, 2009.
6. Cwirzen A., Habermehl-Cwirzen K., Nasibulin A.G., Kaupinen E.I., Mudimela P.R., Penttala V. SEM/AFM studies of cementitious binder modified by MWCNT and nano-sized Fe needles // Materials characterization. 2009. №60. pp. 735 - 740.
7. Han B., Yu X., Kwon E., Ou J. Piezoresistive Multi-Walled Carbon Nanotubes Filled Cement-Based Composites // Sensor letters. 2010. №8. pp. 344-348.
8. Han B., Ding S., Yu X. Intrinsic self-sensing concrete and structures: A review // Measurement. 2015. №59. pp. 110-128.
9. Horszczaruk E., Sikora P., Lukowski P. Application of nanomaterials in production of self-sensing concretes: contemporary developments and prospects // Archives of civil engineering. 2016. №3 (62).
10.Monteiro A. O., Cachim P. B., Costa P. M. F. J. Carbon nanoparticles cement-based materials for service life monitoring // International RILEM Conference on Materials, Systems and Structures in Civil Engineering. Lyngby, Denmark: Technical University of Denmark, 2016.
11. Пасько Т.В. Функционализация углеродных нанотрубок кислородсодержащими группами // Научный форум: Технические и физико-математические науки: сб. ст. по материалам V междунар. науч.-практ. конф.. М.: Изд. «МЦНО», 2017. С. 35-42.
12.Peng H., Alemany L. B., Margrave J. L. and Khabashesku V. N. Sidewall Carboxylic Acid Functionalization Of Single-Walled Carbon Nanotubes // Journal of the American Chemical Society. 2003. №125.
13.Parveen S., Rana S. and Fangueiro R. A Review on Nanomaterial Dispersion, Microstructure, and Mechanical Properties of Carbon Nanotube and Nanofiber Reinforced Cementitious Composites // Journal of Nanomaterials. 2013.
14.Мохамед Э. А. Э. М. Повышение прочности, водонепроницаемости и морозостойкости тяжелого бетона наномодификаторами: дис. ... канд. техн. наук: 05.23.05. Ижевск, 2016.
15.Alsharef J. M. A. , Taha M. R., Khan T. A. Physical dispersion of nanocarbons in composites -A review // Technology Journal. 2017. №5 (79). pp. 69-81.
16.Chuah S., Pan Z., Sanjayan J. G. , Wang C. M. , Duan W. H. Nano reinforced cement and concrete composites and new perspective from graphene oxide // Construction and Building Materials. 2014. №73. pp. 113-124.
17.Coppola L., Buoso A., Corazza F. Electrical Properties of Carbon Nanotubes Cement Composites for Monitoring Stress Conditions in Concrete Structures // Applied Mechanics and Materials. 2011. №82. pp. 118-123.
X X О го А С.
X
го m
о
ю о
м о
to
a>
o
CN
0
01
O LU
m
X
<
m o x
X
18.Azhari F. Cement-based sensors for structural health monitoring : MSc Thesis. Vancouver, 2008.
19.Azhari F., Banthia N. Cement-based sensors with carbon fibers and carbon nanotubes for piezoresistive sensing // Cement & Concrete Composites . 2012. №34. pp. 866-873.
20.Kim G.M., Yang B.J., Cho K.J., Lee H.K. Electrical characteristics of hierarchical conductive pathways in cementitious composites incorporating CNT and carbon fiber // Cement and Concrete Composites. 2017. №82. pp. 165-172.
21.D'Alessandro A., Rallini M., Ubertini F., Materazzi A. L., Kenny J. M. Investigations on scalable fabrication procedures for self-sensing carbon nanotube cement-matrix composites for SHM applications // Cement and Concrete Composites. 2016. №65. pp. 200-213.
22.Li G.Y., Wang P.M., Zhao X. Pressure-sensitive properties and microstructure of carbon nanotube reinforced cement composites // Cement & Concrete Composites. 2007. №29. pp. 377-382.
23.Sobolkina A., Mechtcherine V., Khavrus V., Maier D., Mende M., Ritschel M., Leonhardt A. Dispersion of carbon nanotubes and its influence on the mechanical properties of the cement matrix // Cement & Concrete Composites . 2012. №34. pp. 866-873.
24. Kim G.M., Yang B.J., Cho K.J., Lee H.K. Influences of CNT dispersion and pore characteristics on the electrical performance of cementitious materials // Composite structures. 2017. №164. pp. 32-42.
25.Gao D., Sturm D., Mo Y.-L. Electrical resistance of carbon-nanofiber concrete // Smart materials and structures. 2009. №18.
Methods of production of modified concrete with sensing capacity
Tamov M.M., Greshkina E.V., Tabagua G.R.
Kuban State Technological University
Production of modified concrete with sensing ability has a high practical value. One of the ways of such production is introduction of carbon nanoparticles into the structure of concrete. The main feature of successful reinforcement of concrete with carbon nanoparticles is their uniform dispersion within the cement paste. The paper presents a review of approaches to this problem which were employed in the research of piezoresistive properties of concrete with addition of carbon nanotubes and nanofibers. High effectiveness of physical and chemical dispersion methods used by different authors is pointed out including improving electrical conductivity and sensitivity of concrete. However results presented in available research using identical dispersion methods are miscellaneous. As a conclusion it is stated that further research focused on studying the effect of production method of concrete with nanoparticles on its properties is necessary.
Keywords: structural health monitoring of reinforced concrete structures, sensor, carbon nanotubes, carbon nanofibers, piezoresistivity
References
1. Foldyna J., Foldyna V., Zelenak M. Dispersion of carbon nanotubes
for application in cement composites // International Conference on Manufacturing Engineering and Materials. Novy Smokovec, Slovakia: Procedia Engineering, 2016. pp. 94-99.
2. Kang S.-T., Seo J.-Y. and Park S.-H. The Characteristics of
CNT / Cement Composites with Acid-Treated MWCNTs // Advances in Materials Science and Engineering. 2015.
3. Petrunin S.Yu. Improving the strength of concrete with carbon
nanotubes using hydrodynamic cavitation: abstract. dis. ... cand. tech. Sciences: 05.23.05. - M., 2015.
4. Raki L., Beaudoin J., Alizadeh R., Makar J., Sato T. Cement
and Concrete Nanoscience and Nanotechnology // Materials. 2010. No3. pp. 918-942.
5. Yazdanbakhsh A., Grasley Z.C., Tyson B. and Abu Al-Rub R.K.
Carbon Nano Filaments in Cementitious Materials: Some Issues on Dispersion and Interfacial Bond // ACI Special Publication. American Concrete Institute, 2009.
6. Cwirzen A., Habermehl-Cwirzen K., Nasibulin A.G., Kaupinen E.I.,
Mudimela P.R., Penttala V. SEM / AFM studies of cementitious binder modified by MWCNT and nano-sized Fe needles // Materials characterization. 2009. No. 60. pp. 735 - 740.
7. Han B., Yu X., Kwon E., Ou J. Piezoresistive Multi-Walled Carbon Nanotubes Filled Cement-Based Composites // Sensor letters. 2010. No8. pp. 344-348.
8. Han B., Ding S., Yu X. Intrinsic self-sensing concrete and structures:
A review // Measurement. 2015. No59. pp. 110-128.
9. Horszczaruk E., Sikora P., Lukowski P. Application of nanomaterials in production of self-sensing concretes: contemporary developments and prospects // Archives of civil engineering. 2016. No3 (62).
10. Monteiro A. O., Cachim P. B., Costa P. M. F. J. Carbon nanoparticles cement-based materials for service life monitoring // International RILEM Conference on Materials, Systems and Structures in Civil Engineering. Lyngby, Denmark: Technical University of Denmark, 2016.
11. Pasko T.V. Functionalization of carbon nanotubes with oxygen-containing groups // Scientific forum: Technical and physical and mathematical sciences: collection of books. Art. based on materials of the V intern. scientific-practical Conf .. M .: Publishing. "ICNO", 2017. S. 35-42.
12. Peng H., Alemany L. B., Margrave J. L. and Khabashesku V. N. Sidewall Carboxylic Acid Functionalization Of Single-Walled Carbon Nanotubes // Journal of the American Chemical Society. 2003. No125.
13. Parveen S., Rana S. and Fangueiro R. A Review on Nanomaterial Dispersion, Microstructure, and Mechanical Properties of Carbon Nanotube and Nanofiber Reinforced Cementitious Composites // Journal of Nanomaterials. 2013.
14. Mohamed EA A... M. Increasing the strength, water resistance and frost resistance of heavy concrete with nanomodifiers: dis. ... cand. tech. Sciences: 05.23.05. Izhevsk, 2016.
15. Alsharef J. M. A., Taha M. R., Khan T. A. Physical dispersion of nanocarbons in composites - A review // Technology Journal. 2017. No5 (79). pp. 69-81.
16. Chuah S., Pan Z., Sanjayan J. G., Wang C. M., Duan W. H. Nano reinforced cement and concrete composites and new perspective from graphene oxide // Construction and Building Materials. 2014. No73. pp. 113-124.
17. Coppola L., Buoso A., Corazza F. Electrical Properties of Carbon Nanotubes Cement Composites for Monitoring Stress Conditions in Concrete Structures // Applied Mechanics and Materials. 2011. No. 82. pp. 118-123.
18. Azhari F. Cement-based sensors for structural health monitoring: MSc Thesis. Vancouver, 2008.184 pp.
19. Azhari F., Banthia N. Cement-based sensors with carbon fibers and carbon nanotubes for piezoresistive sensing // Cement & Concrete Composites. 2012. No. 34. pp. 866-873.
20. Kim G.M., Yang B.J., Cho K.J., Lee H.K. Electrical characteristics of hierarchical conductive pathways in cementitious composites incorporating CNT and carbon filter // Cement and Concrete Composites. 2017. No. 82. pp. 165-172.
21. D'Alessandro A., Rallini M., Ubertini F., Materazzi A. L., Kenny J. M. Investigations on scalable fabrication procedures for self-sensing carbon nanotube cement-matrix composites for SHM applications // Cement and Concrete Composites. 2016. No65. pp. 200-213.
22. Li G.Y., Wang P.M., Zhao X. Pressure-sensitive properties and microstructure of carbon nanotube reinforced cement composites // Cement & Concrete Composites. 2007. No29. pp. 377-382.
23. Sobolkina A., Mechtcherine V., Khavrus V., Maier D., Mende M., Ritschel M., Leonhardt A. Dispersion of carbon nanotubes and its influence on the mechanical properties of the cement matrix // Cement & Concrete Composites . 2012. No. 34. pp. 866-873.
24. Kim G.M., Yang B.J., Cho K.J., Lee H.K. Influences of CNT dispersion and pore characteristics on the electrical performance of cementitious materials // Composite structures. 2017. No. 164. pp. 32-42.
25. Gao D., Sturm D., Mo Y.-L. Electrical resistance of carbon-nanofiber concrete // Smart materials and structures. 2009. No18.
