تأثیر روش پراکندگی نانولوله های کربنی بر مقاومت فشاری بتن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد سازه، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران

3 دانشیار دانشکده نفت و پتروشیمی، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران

چکیده

در سال های اخیر استفاده از نانوذرات برای بهبود خواص بتن چشم انداز جدیدی را در تکنولوژی بتن ایجاد کرده است. نانولوله های کربنی به دلیل خواص مکانیکی و پایداری شیمیایی عالی یکی از امیدوارکننده ترین نانومواد موجود برای بهبود عملکرد بتن و سیمان است. با توجه به تمایل نانولوله ها به جمع شدگی و آب گریز بودن آنها، توزیع و پراکندگی مناسب نانولوله های کربنی در بتن در رسیدن بتن ساخته شده به خواص مکانیکی مطلوب بسیار مؤثر خواهد بود. بنابراین در این پژوهش با استفاده از اصلاح سطحی و از طریق پیوند کووالانسی، نانولوله های کربنی آب دوست شدند. برای دوام و پایداری نانولوله های کربنی در آب، از انواع سورفکتانت های سی تب (CTAB)، سدیم دودسیل سولفات (SDS)، پلی اتیلن گلایکول (PEG) و پلی کربوکسیلات (PCE) استفاده شد. نتایج حاصل از آزمایش های طیف‌سنجی مرئی فرابنفش (UV-vis) و آزمایش های مقاومت فشاری انجام شده بر روی بتن نشان داد که ترکیب سورفکتانت‎های PEG و PCE، باعث پراکندگی مطلوب نانولوله های کربنی شده به طوریکه با ماتریس سیمان سازگار می باشد و منجر به بهبود خواص مکانیکی بتن می‎گردد. نتایج آزمایشگاهی حاکی از آن است که مقاومت فشاری 14،7 و 28 روزه نمونه‎های بتن حاوی 0.015% (وزن سیمان) نانولوله کربن با سورفکتانت PEG و PCE، به ترتیب برابر با 3.1 ، 7.4 و 14.14 درصد نسبت به نمونه مرجع افزایش یافتند؛ درحالی که در نمونه‎های بتن حاوی نانولوله کربن و سورفکتانت CTAB ، به علت ناسازگار بودن CTAB با سیمان و پایداری پایین پراکندگی نانولوله‎های کربن با CTAB شاهد کاهش مقاومت فشاری 7 ، 14 و 28 روزه بتن (نسبت به نمونه مرجع) به ترتیب برابر با 5.6% ، 17% و 9% بوده‎ایم.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Effect of Dispersion Method of Nanotube Carbon on the Compressive Strength of Concrete

نویسندگان [English]

  • Rasoul Shadnia 1
  • Mahsa Zarehparvar Shoja 2
  • Amin Kazemi Beydokhti 3
1 Assistant Professor, Technical and Engineering Faculty, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran
2 Master's student in Structures, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran
3 Associate Professor of Petroleum and Petrochemical Faculty, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran
چکیده [English]

In recent years, the use of nanoparticles to improve the properties of concrete has created a new perspective in concrete technology. Carbon nanotube is one of the most promising nanomaterials available to improve the performance of concrete and cement due to their excellent mechanical properties and chemical stability. Due to the tendency of nanotubes to shrink and be hydrophobic, proper distribution and dispersion of carbon nanotubes in concrete will be very effective in achieving the desired mechanical properties of concrete. Therefore, in this study, carbon nanotubes became hydrophilic using surface modification and covalent bonding. For the durability and stability of carbon nanotubes in water, C-type surfactants (CTAB), sodium dodecyl sulfate (SDS), polyethylene glycol (PEG) and polycarboxylate (PCE) were used. The results of visible ultraviolet (UV-vis) spectroscopy and compressive strength tests performed on concrete showed that the combination of PEG and PCE surfactants caused the optimal dispersion of carbon nanotubes so that it is compatible with the cement matrix and leads improve the mechanical properties of concrete. Experimental results show that the compressive strength of concrete samples of 7, 14 and 28 days containing 0.015% (cement weight) of carbon nanotubes with PEG and PCE surfactant increased by 3.1, 7.4 and 14.14%, respectively, compared to the reference sample; While in concrete samples containing carbon nanotubes and CTAB surfactant, due to the incompatibility of CTAB with cement and the low stability of dispersion of carbon nanotubes with CTAB, the concrete compressive strength of 7, 14 and 28 days (compared to the reference sample) decreased by respectively 5.6%, 17% and 9%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Keywords: Carbon Nanotube
  • Surfactant
  • Dispersion
  • Concrete

مراجع

[1]      Foldyna J, Foldyna V, Zeleňák M. Dispersion of carbon nanotubes for application in cement composites. Procedia Eng., 2016. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.06.643.
[2]      Song X, Cai  qi, Li Y, Li C. Bond behavior between steel bars and carbon nanotube modified concrete. Constr Build Mater 2020. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.119339.
[3]      Mendoza Reales OA, Dias Toledo Filho R. A review on the chemical, mechanical and microstructural characterization of carbon nanotubes-cement based composites. Constr Build Mater 2017. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.07.232.
[4]      Carriço A, Bogas JA, Hawreen A, Guedes M. Durability of multi-walled carbon nanotube reinforced‎concrete.ConstrBuildMater2018.https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.21.
[5]      Lelusz M. Carbon nanotubes influence on the compressive strength of cement composites. Carbon Nanotub Influ Compressive Strength Cem Compos 2014.
[6]      Lourie O, Cox DM, Wagner HD. Buckling and collapse of embedded carbon nanotubes. Phys Rev Lett 1998. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.81.1638.
[7]      Wang X, Rhee I, Wang Y, Xi Y. Compressive strength, chloride permeability, and freeze-thaw resistance of mwnt concretes under different chemical treatments. Sci World J 2014. https://doi.org/10.1155/2014/572102.
[8]      Silvestro L, Jean Paul Gleize P. Effect of carbon nanotubes on compressive, flexural and tensile strengths of Portland cement-based materials: A systematic literature review. Constr Build Mater 2020. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120237.
[9]      Parveen S, Rana S, Fangueiro R. A review on nanomaterial dispersion, microstructure, and mechanical properties of carbon nanotube and nanofiber reinforced cementitious composites. J Nanomater 2013. https://doi.org/10.1155/2013/710175.
[10]    Zhang G, Sun S, Yang D, Dodelet JP, Sacher E. The surface analytical characterization of carbon fibers functionalized by H2SO4/HNO3 treatment. Carbon N Y 2008. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2007.11.002.
[11]    Lakshminarayanan P V., Toghiani H, Pittman CU. Nitric acid oxidation of vapor grown carbon nanofibers. Carbon N Y 2004. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.04.040.
[12]    Cwirzen A, Habermehl-Cwirzen K, Penttala V. Surface decoration of carbon nanotubes and mechanical properties of cement/carbon nanotube composites. Adv Cem Res 2008. https://doi.org/10.1680/adcr.2008.20.2.65.
[13]    Sobolkina A, Mechtcherine V, Khavrus V, Maier D, Mende M, Ritschel M, et al. Dispersion of carbon nanotubes and its influence on the mechanical properties of the cement matrix. Cem Concr Compos 2012. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2012.07.008.
[14]    Collins F, Lambert J, Duan WH. The influences of admixtures on the dispersion, workability, and strength of carbon nanotube-OPC paste mixtures. Cem Concr Compos 2012. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2011.09.013.
[15]    Lin D, Xing B. Adsorption of phenolic compounds by carbon nanotubes: Role of aromaticity and substitution of hydroxyl groups. Environ Sci Technol 2008. https://doi.org/10.1021/es801297u.
[16]    Monthioux M, Smith BW, Burteaux B, Claye A, Fischer JE, Luzzi DE. Sensitivity of single-wall carbon nanotubes to chemical processing: An electron microscopy investigation. Carbon N Y 2001. https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00249-9.
[17]    Zhang J, Lu Y, Lu Z, Liu C, Sun G, Li Z. A new smart traffic monitoring method using embedded cement-based piezoelectric sensors. Smart Mater Struct 2015. https://doi.org/10.1088/0964-1726/24/2/025023.
[18]    Yazdanbakhsh A, Grasley Z, Tyson B, Abu Al-Rub R. Challenges and benefits of utilizing carbon nanofilaments in cementitious materials. J Nanomater 2012. https://doi.org/10.1155/2012/371927.
[19]    Chen SJ, Collins FG, Macleod AJN, Pan Z, Duan WH, Wang CM. Carbon nanotube-cement composites: A retrospect. IES J Part A Civ Struct Eng 2011. https://doi.org/10.1080/19373260.2011.615474.
[20]    Parveen S, Rana S, Fangueiro R, Paiva MC. Microstructure and mechanical properties of carbon nanotube reinforced cementitious composites developed using a novel dispersion technique. Cem Concr Res 2015. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2015.03.006.
[21]    Yazdanbakhsh A, Grasley ZC, Tyson B, Abu Al-Rub RK. Carbon nano filaments in cementitious materials: Some issues on dispersion and interfacial bond. Am. Concr. Institute, ACI Spec. Publ., 2009. https://doi.org/10.14359/51663280.
[22]    روش طرح ملی مخلوط بتن نشریه شماره 479 . مشخصات نشر : تهران .مرکز سازمان تحقیقات و مسکن.
[23]    Kim T, Shin J, Lee K, Jung Y, Lee SB, Yang SJ. A universal surface modification method of carbon nanotube fibers with enhanced tensile strength. Compos Part A Appl Sci Manuf 2021. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106182.
[24]    Batiston E, Gleize PJP, Mezzomo P, Pelisser F, Matos PR de. Effect of Carbon Nanotubes (CNTs) aspect ratio on the rheology, thermal conductivity and mechanical performance of Portland cement paste. Rev IBRACON Estruturas e Mater 2021. https://doi.org/10.1590/s1983-41952021000500010.
[25]    Yudianti R, Onggo H, Sudirman, Saito Y, Iwata T, Azuma JI. Analysis of functional group sited on multi-wall carbon Nanotube surface. Open Mater Sci J 2011. https://doi.org/10.2174/1874088X01105010242.
[26]    Safdari M, Al-Haik MS. Synergistic electrical and thermal transport properties of hybrid polymeric nanocomposites based on carbon nanotubes and graphite nanoplatelets. Carbon N Y 2013. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.07.042.
[27]    Ikeda A, Hamano T, Hayashi K, Kikuchi JI. Water-solubilization of nucleotides-coated single-walled carbon nanotubes using a high-speed vibration milling technique. Org Lett 2006. https://doi.org/10.1021/ol053089s.
[28]    Rance GA, Marsh DH, Nicholas RJ, Khlobystov AN. UV-vis absorption spectroscopy of carbon nanotubes: Relationship between the π-electron plasmon and nanotube diameter. Chem Phys Lett 2010. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2010.05.012.
[29]    Hawreen A, Bogas JA. Influence of carbon nanotubes on steel–concrete bond strength. Mater Struct Constr 2018. https://doi.org/10.1617/s11527-018-1279-8.

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 30 خرداد 1401
  • تاریخ بازنگری: 11 تیر 1401
  • تاریخ پذیرش: 11 شهریور 1401

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار