Μηχανική Συµπεριφορά και Νανο-τοπογραφία Υλικών µε Βάση το Τσιµέντο Ενισχυµένων µε Νανοσωλήνες Άνθρακα Mechanical Properties and Nanostructure of Cement Based Materials Reinforced with Carbon Nanotubes Μαρία Σ. ΚΩΝΣΤΑ 1, Ζωή Σ. ΜΕΤΑΧΑ 2 Λέξεις κλειδιά: Νανοσωλήνες άνθρακα, νανο-οπλισµένος τσιµεντοπολτός, διασπορά, ρεολογικά χαρακτηριστικά ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Στην εργασία αυτή µελετήθηκαν οι µηχανικές ιδιότητες και η µικροδοµή νανοσυνθέτων υλικών µε µήτρα από τσιµεντοπολτό ενισχυµένη µε πολυφλοιϊκούς νανοσωλήνες άνθρακα (multiwall carbon nanotubes, MWCNTs). Εξετάστηκε, η επίδραση της ενέργειας υπερήχων στη διασπορά των νανοσωλήνων άνθρακα. Τα αποτελέσµατα δείχνουν ότι για την επίτευξη αποτελεσµατικής διασποράς η χρήση ενέργειας υπερήχων είναι απαραίτητη. Επίσης ερευνήθηκε η επίδραση διαφορετικών ποσοτήτων διαλύτη στη µικροδοµή και τη µηχανική συ- µπεριφορά σε κάµψη δοκιµίων τσιµεντοπολτού, παρασκευασµένου µε τσιµέντο αναφοράς Portland, και προσθήκη αιωρηµάτων νανοσωλήνων άνθρακα. Από την συσχέτιση των αποτελεσµάτων προέκυψε ότι για την επίτευξη αποτελεσµατικής διασποράς υφίσταται ένας βέλτιστος λόγος κατά βάρος διαλύτη προς νανοσωλήνες για τον οποίο ο νανο-οπλισµένος τσιµεντοπολτός εµφανίζει αναβάθµιση των µηχανικών ιδιοτήτων του. ABSTRACT : In this study, the characteristics of cement paste samples reinforced with multiwall carbon nanotubes (MWCNTs), were investigated. Effective dispersion of carbon nanotubes was achieved by applying ultrasonic energy and with the use of a commercially available surfactant. The effect of ultrasonic energy on the dispersion of carbon nanotubes was evaluated. Results indicate that for proper dispersion the application of ultrasonic energy is required. For constant ultrasonic energy, the effect of dispersant concentration on the fracture properties of nanocomposite materials, consisting of cement paste matrix and multi-walled carbon nanotubes, was studied. The microstructure of nanocomposite coated samples was also investigated, using SEM. The experimental results have shown that for 1 Αναπληρώτρια Καθηγήτρια, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Ξάνθης, email: mkonsta@civil.duth.gr 2 Υποψήφια ιδάκτορας, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, ηµοκρίτειο Πανεπιστήµιο Ξάνθης, email: zmetaxa@gmail.com 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 1
effective dispersion there exists an optimum weight ratio of surfactant to MWCNTs. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι νανοσωλήνες άνθρακα εµφανίζουν µοναδικές µηχανικές, ηλεκτρικές και χηµικές ιδιότητες και κατά συνέπεια το ενδιαφέρον για χρήση τους σε εφαρµογές νανοσύνθετων υλικών συνεχώς αυξάνεται. Μερικά από τα χαρακτηριστικά που κάνουν τους νανοσωλήνες άνθρακα πολύ δηµοφιλείς είναι το υψηλό µέτρο ελαστικότητας ( 1 ΤΡα), η εξαιρετικά υψηλή αντοχή (100 φορές µεγαλύτερη της αντοχής του χάλυβα), η υψηλή εφελκυστική αντοχή (65-93 GPa), η ικανότητα παρα- µόρφωσης της τάξεως του 6%, η υψηλή θερµική αγωγιµότητα και το µικρό ειδικό βάρος (Salvetat, J.P. et al, 1999, Belytschko, T. et al, 2002). Παρ όλα αυτά, η ερευνητική δραστηριότητα που αφορά την ενίσχυση υλικών µε βάση το τσιµέντο µε νανοσωλήνες είναι σε προκαταρκτικό στάδιο. Αυτό οφείλεται κυρίως στο ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα σχηµατίζουν συσσωµατώµατα λόγω των δυνάµεων Van der Waal που εµφανίζονται µεταξύ των µορίων άνθρακα (Groert, N., 2007). Έτσι, είναι δύσκολο να επιτευχθεί οµοιόµορφη και πλήρης διασπορά των νανοσωλήνων στη µήτρα. Προκειµένου να πραγµατοποιηθεί ικανοποιητική ενίσχυση της µήτρας είναι πολύ σηµαντικό να υπάρχει οµοιόµορφη διασπορά των νανοσωλήνων άνθρακα (Xie, X.L. et al, 2005). Στο Σχήµα 1 παρουσιάζονται εικόνες νανοσωλήνων άνθρακα χωρίς επαρκή διασπορά σε δοκίµια τσιµεντοπολτού. Για τη πλήρη διασπορά των νανοσωλήνων στο τσιµέντο σε ποσοστά από 0.5 µέχρι 1.0% κ.β. του τσιµέντου έχουν προταθεί διάφορες µέθοδοι. Οι Makar & Beaudoin (2004, 2005) χρησιµοποίησαν υπερήχους υψηλής ενέργειας και αιθανόλη και απέδειξαν ότι οι νανοσωλήνες επιταχύνουν την αρχική ενυδάτωση. Οι Li et al (2005, 2007) εφάρµοσαν µια τεχνική καρβοξυλίωσης µε αποτέλεσµα να αυξήσουν την καµπτική αντοχή του κονιάµατος κατά 25%. Αντίστοιχα, οι Sanez de Ibarra et al (2006) χρησιµοποίησαν Αραβικό κόµµι µε αποτέλεσµα να αυξήσουν ελαφρώς το µέτρο ελαστικότητας και την αντοχή του τσιµεντοπολτού. Oι Wansom et al (2006) χρησιµοποίησαν υπερρευστοποιητή και µεθυλοκυτταρίνη και διερεύνησαν τις ηλεκτρικές ιδιότητες νανοσύνθετων υλικών µε βάση το τσι- µέντο. Πιο πρόσφατα, οι Cwirzen et al (2008a, 2008b) χρησιµοποίησαν δύο τύπους πολυφλοιϊκών νανοσωλήνων άνθρακα. Για την διασπορά τους σε νερό χρησιµοποίησαν πολυµερή µε πολυακριλικά οξέα και εφάρµοσαν υπερήχους υψηλής ενέργειας µε αποτέλεσµα να αυξήσουν ελαφρώς την θλιπτική αντοχή του τσιµεντοπολτού. Πρόσφατη έρευνα των συγγραφέων έδειξε ότι η ενίσχυση των υλικών µε βάση το τσιµέντο µε νανοσωλήνες άνθρακα εµποδίζει την δηµιουργία και την διάδοση των νανορωγµών προκαλώντας έτσι υψηλή αύξηση των µηχανικών ιδιοτήτων της µήτρας (Konsta-Gdoutos, M.S. et al, 2008, Shah, S.P. et al, 2009). 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 2
500 nm 500 nm Σχήµα 1. Εικόνες ηλεκτρονικής µικροσκοπίας σάρωσης νανοσωλήνων άνθρακα χωρίς επαρκή διασπορά σε µήτρα από τσιµεντοπολτό. Στην εργασία αυτή µελετάται η ενίσχυση του τσιµεντοπολτού µε πολυφλοιϊκούς νανοσωλήνες άνθρακα. Σκοπός της εργασίας είναι η ικανοποιητική διασπορά των νανοσωλήνων άνθρακα µέσα στην µήτρα από τσιµέντο έτσι ώστε να προσδώσει στο νανοσύνθετο υλικό επιλεκτικά αναβαθµισµένες ιδιότητες. Η διασπορά των νανοσωλήνων στο νερό επιτυγχάνεται µε την εφαρµογή υπερήχων υψηλής ενέργειας και τη χρήση διαφορετικών ποσοτήτων διαλύτη. Εξετάζεται η επίδραση της ενέργειας υπερήχων στα ρεολογικά χαρακτηριστικά του τσιµεντοπολτού και η επίδραση της συγκέντρωσης του διαλύτη στη µηχανική συµπεριφορά και την νανο-τοπογραφία δοκιµίων τσιµεντοπολτού ενισχυµένου µε νανοσωλήνες άνθρακα. Από την συσχέτιση των αποτελεσµάτων προκύπτει ότι υφίσταται ένας βέλτιστος λόγος υπερρευστοποιητή προς νανοσωλήνες κατά βάρος, ο οποίος οδηγεί σε ικανοποιητική διασπορά των νανοσωλήνων άνθρακα µέσα στην µήτρα από τσιµέντο και προσδίδει στο νανοσύνθετο υλικό αναβαθµισµένες ιδιότητες. Υλικά ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ Οι ιδιότητες των πολυφλοιϊκών νανοσωλήνων παρουσιάζονται στον Πίνακα 1. Οι νανοσωλήνες παρασκευάστηκαν µε χρήση καταλυτικής χηµικής απόθεσης από ατµό (chemical vapor deposition, CCVD) και χρησιµοποιήθηκαν χωρίς περαιτέρω επεξεργασία. Ως µέσο διασποράς των νανοσωλήνων χρησιµοποιήθηκε ένας διαλύτης. Το τσιµέντο που χρησιµοποιήθηκε είναι τύπου Portland. Προετοιµασία οκιµίων Τα δείγµατα παρασκευάστηκαν αρχικά αναµιγνύοντας τους νανοσωλήνες άνθρακα σε ποσοστό 0.08% κ.β. του τσιµέντου µε το νερό της µίξης το οποίο περιείχε διαφορετικές ποσότητες διαλύτη. Τα αιωρήµατα που προέκυψαν υποβλήθηκαν σε υπερήχους υψηλής ενέργειας σε θερµοκρασία δωµατίου χρησιµοποιώντας µια συσκευή υπερήχων υψηλής έντασης, τάσεως 500 W, µε κυλινδρικό άκρο και σύ- 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 3
στηµα ελέγχου της θερµοκρασίας. Η συσκευή υπερήχων επιλέχθηκε να λειτουργεί σε εύρος 50% της αρχικής της ισχύος έτσι ώστε να απελευθερώνει ενέργεια της τάξεως των 1900 έως 2100 J/min. Το θερµοκρασιακό όριο ορίστηκε στους 60 ο C και η συσκευή λειτουργούσε σε κύκλους των 20 s έτσι ώστε να αποφευχθεί η υπερθέρµανση των αιωρηµάτων. Στη συνέχεια, στα αιωρήµατα προσετέθη τσιµέντο µε αναλογία νερού προς τσιµέντο 0.5 κατά βάρος (w/c=0.5). Η ανάµιξη των υλικών έλαβε χώρα σε µίξερ τύπου Hobart σύµφωνα µε το πρότυπο ASTM 305. Κατόπιν της µίξης, ο τσιµεντοπολτός τοποθετήθηκε σε πρισµατικά καλούπια διαστάσεων 20 20 80 mm. Πίνακας 1. Ιδιότητες πολυφλοιϊκών νανοσωλήνων (ΜWCNTs) Εξωτερική ιάµετρος 20-40 nm Μήκος 10-100 µm Καθαρότητα >97% Περιοχή επιφάνειας 250-300 m 2 /g Μεταλλικά σωµατίδια 3% Άµορφος άνθρακας <1% Πειραµατική ιαδικασία Τα ρεολογικά χαρακτηριστικά του τσιµεντοπολτού εξετάστηκαν χρησιµοποιώντας ρεόµετρο τύπου Haake. Στο σύστηµα µέτρησης οµόκεντρων κυλίνδρων χρησιµοποιήθηκε διάµετρος 20 mm. Σε όλα τα δείγµατα εφαρµόστηκε πρωτόκολλο παρόµοιο µε αυτό των Yang et al (2006) ώστε να προσδιοριστεί το ιξώδες (η) σε κατάσταση ισορροπίας (Σχήµα 2). 1000 ιατµητική Τάση (Pa) 100 10 1 0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 Χρόνος Μέτρησης (s) Σχήµα 2. Πρωτόκολλο µέτρησης ρεολογικών χαρακτηριστικών. 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 4
Η µορφολογία και η µικροδοµή των νανοσυνθέτων υλικών διερευνήθηκαν χρησι- µοποιώντας ηλεκτρονική µικροσκοπία σάρωσης (scanning electron microscope, Hitachi S5500) µε τάση επιτάχυνσης 3 έως 5 kv. Για την λήψη εικόνων υψηλής ανάλυσης και ευκρίνειας η εικόνα δευτερογενών ηλεκτρονίων (Secondary electron (SE)) χρησιµοποιήθηκε σε µεγεθύνσεις από 10,000 έως 150,000 φορές. Πριν από το πείραµα, πραγµατοποιήθηκε επίστρωση των επιφανειών θραύσης των δοκιµίων µε χρυσό και παλλάδιο (Au/Pd) χρησιµοποιώντας την διαδικασία της ιοντοβολής. Παράλληλα, πειράµατα κάµψης τριών σηµείων εκτελέστηκαν σε δοκίµια 20 20 80 mm τριών, επτά και εικοσιοκτώ ηµερών. Εξετάστηκαν τρία δοκίµια για κάθε ηλικία. Όλες οι δοκιµές πραγµατοποιήθηκαν σε µια σερβοϋδραυλική µηχανή MTS κλειστού βρόχου χρησιµοποιώντας δυναµοκυψέλη 4.4 KN. Στα δοκίµια εισήχθη ρωγµή µήκους 6 mm χρησιµοποιώντας αδαµαντοτροχό. Το ά- νοιγµα των χειλών της ρωγµής (crack mouth opening displacement, CMOD) χρησιµοποιήθηκε ως ένδειξη για την επιβολή φορτίου µε ρυθµό 0.012 mm/min. Το µήκος µεταξύ των στηρίξεων προσαρµόστηκε στα 75 mm. Για τον προσδιορισµό του µέτρου ελαστικότητας χρησιµοποιήθηκε το µοντέλο δύο παραµέτρων (twoparameter fracture model, TPFM) το οποίο αναπτύχθηκε από τους Jenq & Shah (1985). Επίδραση της ενέργειας υπερήχων ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η τεχνική της υποβολής ενέργειας υπερήχων χρησιµοποιείται συχνά για την πλήρη διασπορά των νανοσωλήνων άνθρακα σε ρευστά. Η ρεολογία αποτελεί κοινή µέθοδο ερευνάς της µικροδοµής των αιωρηµάτων νανοσωλήνων άνθρακα. Υπό την επιβολή χαµηλών διατµητικών τάσεων, τα συσσωµατώµατα των νανοσωλήνων άνθρακα ελέγχουν το ιξώδες της µήτρας, καθώς τα µίγµατα µε µη επαρκή διασπορά εµφανίζουν αύξηση του ιξώδους (Yang, Y. et al, 2006). Για την µελέτη της επίδρασης της ενέργειας υπερήχων παρασκευάστηκαν τέσσερα αιωρήµατα νανοσωλήνων άνθρακα µε λόγους κατά βάρος διαλύτη προς νανοσωλήνες 1.5, 4.0, 5.0 και 6.25, αντίστοιχα. Σε όλα τα µείγµατα χρησιµοποιήθηκε σταθερή ποσότητα νανοσωλήνων άνθρακα 0.16 % κ.β. του νερού. ύο µείγµατα παρασκευάστηκαν για κάθε λόγο διαλύτη προς νανοσωλήνες άνθρακα: Ένα µε την εφαρµογή ενέργειας υπερήχων και ένα χωρίς. Ακολούθως, στα αιωρήµατα προσετέθη τσιµέντο και εξετάσθηκαν τα ρεολογικά χαρακτηριστικά του νανοσυνθέτου υλικού χρησιµοποιώντας το προαναφερόµενο πρωτόκολλο. Στο Σχήµα 3 παρουσιάζονται τα ρεολογικά χαρακτηριστικά τσιµεντοπολού ενισχυµένου µε νανοσωλήνες άνθρακα µε λόγο διαλύτη προς νανοσωλήνες 6.25. 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 5
Ιξώδες (Pas) 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 ΤΣ+ T ΤΣ+ T+MWCNTs ΤΣ+ T+MWCNTs ενέργεια υπερήχων 0 20 40 60 80 100 ιατµητική Τάση (Pa) Σχήµα 3. Ρεολογικά χαρακτηριστικά απλού τσιµεντοπολτού (ΤΣ+ T) και τσιµεντοπολτού ενισχυµένου µε νανοσωλήνες άνθρακα µε και χωρίς τη εφαρµογή υπερήχων για λόγο διαλύτη προς νανοσωλήνες 6.25. Τα αποτελέσµατα των αιωρηµάτων που επεξεργάστηκαν µε και χωρίς τη εφαρµογή υπερήχων συγκρίνονται µε τα αποτελέσµατα του απλού τσιµεντοπολτού (ΤΣ+ Τ) µε την ίδια ποσότητα διαλύτη. Παρατηρείται, ότι σε χαµηλές διατµητικές τάσεις (7 έως 50 Pa), τα µείγµατα στα οποία η διασπορά επιτυγχάνεται χωρίς τη χρήση υπερήχων εµφανίζουν αρκετά υψηλότερο ιξώδες σε σχέση µε τα υπόλοιπα µείγµατα. Επίσης παρατηρείται ότι τα µείγµατα στα οποία η διασπορά των νανοσωλήνων επιτυγχάνεται µε τη χρήση υπερήχων επιδεικνύουν παρόµοια χαρακτηριστικά µε αυτά του απλού τσιµεντοπολτού. Σε υψηλές διατµητικές τάσεις (>70 Pa) όλα τα µείγµατα εµφανίζουν παρόµοια συµπεριφορά. Πιθανώς υπό την επιβολή υψηλών τάσεων, τα συσσωµατώµατα των νανοσωλήνων άνθρακα διασπώνται λόγο της έντονης κίνησης του ρευστού µε αποτέλεσµα τα µείγµατα ενισχυµένα µε νανοσωλήνες άνθρακα µε και χωρίς τη εφαρµογή υπερήχων να εµφανίζουν παρόµοιο ιξώδες. Παρόµοια συµπεριφορά εµφανίζουν όλα τα µείγµατα µε λόγους κατά βάρος διαλύτη προς νανοσωλήνες άνθρακα 1.5, 4.0 και 5.0 (Πίνακας 2). Από τα αποτελέσµατα συµπεραίνεται ότι για την επίτευξη ικανοποιητικής διασποράς η χρήση ενέργειας υπερήχων είναι απαραίτητη. Πίνακας 2. Ιξώδες σε χαµηλές διατµητικές τάσεις τσιµεντοπολτού ενισχυµένου µε νανοσωλήνες άνθρακα Λόγος διαλύτη προς νανοσωλήνες 1.5 4.0 5.0 ΤΣ+ Τ 0.86 0.27 0.20 TΣ+ Τ+MWCNTs 0.94 0.39 0.26 TΣ+ Τ+CNTs ενέργεια υπερήχων 0.89 0.29 0.20 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 6
Επίδραση συγκέντρωσης διαλύτη Για την διερεύνηση της επίδρασης της συγκέντρωσης του διαλύτη στη διασπορά των νανοσωλήνων άνθρακα διεξήχθησαν πειράµατα ηλεκτρονικής µικροσκοπίας σάρωσης και κάµψης τριών σηµείων σε δοκίµια τσιµεντοπολτού (w/c=0.5) µε 0.08 % κ.β. του τσιµέντου νανοσωλήνες άνθρακα και λόγους διαλύτη προς νανοσωλήνες 0, 1.5, 3.0, 4.0, 5.0, 6.25 και 8.0. Η νανοδοµή των επιφανειών θραύσης των δοκιµίων απεικονίζονται στο Σχήµα 4. Όπως αναµένεται, στα µείγµατα όπου η διασπορά των νανοσωλήνων επιτυγχάνεται χωρίς τη χρήση διαλύτη (Σχήµα 4α), οι νανοσωλήνες εµφανίζονται σε συσσωµατώµατα χωρίς επαρκή διασπορά. Στην περίπτωση όπου η διασπορά των νανοσωλήνων πραγµατοποιείται µε τη χρήση µικρής ποσότητας διαλύτη [λόγος 1.5 (Σχήµα 4β) παρατηρείται ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα εµφανίζονται σε συσσω- µατώµατα µέσα στα προϊόντα της ενυδάτωσης του τσιµέντου χωρίς ικανοποιητική διασπορά. Τα δοκίµια στα οποία ο λόγος διαλύτη προς νανοσωλήνες κυµαίνεται µεταξύ 4.0 και 6.25 (Σχήµα 4γ και 4δ) παρουσιάζουν διαφορετική νανοτοπογραφία. Αποκλειστικά µεµονωµένοι νανοσωλήνες άνθρακα διακρίνονται στις επιφάνειες θραύσης του τσιµεντοπολτού. (α) (β) 1 µm 1 µm (γ) (δ) 1 µm 1 µm Σχήµα 4. Εικόνες ηλεκτρονικής µικροσκοπίας σάρωσης νανοσυνθέτων δοκιµίων για λόγους κατά βάρος διαλύτη προς νανοσωλήνες 0, 1.5, 4.0 και 6.25. 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 7
Τα φορτία θραύσης νανοσύνθετων δοκιµίων µε διαφορετικούς λόγους διαλύτη προς νανοσωλήνες ηλικίας 28 ηµερών παρουσιάζονται στο Σχήµα 5. Παρατηρείται ότι τα δοκίµια στα οποία η διασπορά των νανοσωλήνων επιτυγχάνεται µε τη χρήση διαλύτη εµφανίζουν µεγαλύτερο φορτίο θραύσης σε σχέση µε τα δοκίµια χωρίς διαλύτη. Πιο συγκεκριµένα, τα δοκίµια µε λόγο διαλύτη προς νανοσωλήνες 4.0 εµφανίζουν το µέγιστο φορτίο θραύσης. οκίµια µε λόγους είτε µικρότερους ή µεγαλύτερους του 4.0 παρουσιάζουν µικρότερη αύξηση των µηχανικών ιδιοτήτων τους. Μια πιθανή εξήγηση είναι ότι όταν χρησιµοποιούνται χαµηλοί λόγοι διαλύτη προς νανοσωλήνες, η ποσότητα των µορίων του διαλύτη δεν είναι αρκετή για την επίτευξη ικανοποιητικής διασποράς των νανοσωλήνων. Από την άλλη πλευρά, οι υψηλές συγκεντρώσεις διαλύτη έχουν ως αποτέλεσµα τη µείωση των δυνάµεων απώθησης των µορίων των νανοσωλήνων (Junrong, Y. et al, 2007). Τα αποτελέσµατα υποδεικνύουν ότι για την επίτευξη αποτελεσµατικής διασποράς των νανοσωλήνων άνθρακα υφίσταται ένας βέλτιστος λόγος κατά βάρος διαλύτη προς νανοσωλήνες κοντά στο 4.0. Φορτίο Θραύσης (Ν) 240 230 220 210 200 190 180 170 w/c=0.5 0 1.5 3 4 5 6.25 8 Λόγος ιαλύτη/νανοσωλήνες Σχήµα 5. Φορτίο θραύσης τσιµεντοπολτού ενισχυµένου µε 0.08 % κβ. νανοσωλήνες άνθρακα ηλικίας 28 ηµερών ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα εργασία εξετάσθηκαν τα ρεολογικά χαρακτηριστικά, οι µηχανικές ιδιότητες και η νανο-τοπογραφία υλικών µε βάση το τσιµέντο ενισχυµένων µε νανοσωλήνες άνθρακα. ιαπιστώθηκε πειραµατικά ότι η χρήση υπερρευστοποιητή και παράλληλα η εφαρµογή υψηλής ενέργειας υπερήχων έχει ως αποτέλεσµα την ικανοποιητική διασπορά των νανοσωλήνων άνθρακα στη µήτρα από τσιµεντοπολτό. Εξετάστηκαν η επίδραση της ενέργειας υπερήχων και η επίδραση της συγκέντρωσης του διαλύτη στη διασπορά των νανοσωλήνων άνθρακα. Τα απο- 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 8
τελέσµατα δείχνουν ότι για την επίτευξη ικανοποιητικής διασποράς η χρήση ε- νέργειας υπερήχων είναι απαραίτητη. Από τα αποτελέσµατα της ηλεκτρονικής µικροσκοπίας σάρωσης συνάγεται ότι αποτελεσµατική διασπορά των νανοσωλήνων άνθρακα επιτυγχάνεται όταν ο λόγος διαλύτη προς νανοσωλήνες κυµαίνεται µεταξύ 4.0 και 6.25. Τα αποτελέσµατα της µηχανικής της θραύσης συνιστούν ότι η ικανή διασπορά µιας µικρής ποσότητας νανοσωλήνων άνθρακα έχει ως αποτέλεσµα την αύξηση των µηχανικών ιδιοτήτων του τσιµεντοπολτού. Τέλος, από την συσχέτιση των αποτελεσµάτων προκύπτει ότι για την επίτευξη αποτελεσµατικής διασποράς υφίσταται ένας βέλτιστος λόγος κατά βάρος διαλύτη προς νανοσωλήνες, κοντά στο 4.0, για τον οποίο το νανοσύνθετο υλικό εµφανίζει αναβάθµιση των µηχανικών ιδιοτήτων του. ΑΝΑΦΟΡΕΣ Belytschko, T., Xiao, S.P., Schatz, G.C. & Ruoff, R., Atomistic simulations of nanotube fracture. Physics Review B, Vol. 65, (2002) 235430-235437 Cwirzen, Α., Habermehl-Chirzen, Κ. & Penttala, V., Surface decoration of carbon nanotubes and mechanical properties of cement/carbon nanotube composites. Advances in Cement Research, Vol. 20, (2008) 65-73 Cwirzen, A., Habermehl-Chirzen, 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 (2008) doi:10.1016/j.matchar.2008.11.001. Groert, Ν., Carbon nanotubes becoming clean. Materials Today, Vol. 10, (2007) 28-35 Jenq, Y. & Shah, S.P., Two parameter fracture model for concrete. J. Engineering Mechanics, Vol. 111, No 10 (1985) 1227-1241 Junrong, Υ., Grossiord, Ν., Koning, C.E. & Loos, J., Controlling the dispersion o multi-wall carbon nanotubes in aqueous surfactant solution. Carbon Vol. 45, No 3 (2007) 618-623 Konsta-Gdoutos, M.S., Metaxa, Z.S. & Shah, S.P., Highly dispersed carbon nanotubes reinforced cement based materials. Cement and Concrete Research, December (2008) (submitted) Li, G.Y., Wang, P.M. & Zhao, X., Mechanical behavior and microstructure of cement composites incorporating surface-treated multi-walled carbon naotubes. Carbon, Vol. 43, (2005) 1239-1245 Li, G.Y., Wang, P.M. & Zhao, X., Pressure-sensitive and microstructure of carbon nanotube reinforced cement composites. Cement and Concrete Composites, Vol. 29, (2007) 377-382 Makar, J.M. & Beaudoin, J.J., Carbon nanotubes and their applications in the construction industry, in Nanotechnology in construction, Proceeding of the 1 st International Symposium on Nanotechnology in Construction, (2004) 331-341 Makar, J.M., Margeson, J. & Luh, J., Carbon nanotube/cement composites Early results and potential applications, in Proceeding of the 3 rd International Conference on Construction Materials: Performance, Innovations and Structural Implications, (2005) 1-10 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 9
Saez de Ibarra, Y., Gaitero, J.J., Erkizia, E. & Campillo, I., Atomic force microscopy and nanoindentation of cement pastes with nanotube dispersions. Physica Status Solidi (a), Vol. 6, (2006) 1076-1081 Salvetat, J.P., Bonard, J.M., Thomson, N.H., Kulik, A.J., Forro, L., Benoit, W., et al., Mechanical properties of carbon nanotubes. Applied Physics A, Vol. 69, No 3 (1999) 255-260 Shah, S.P., Konsta-Gdoutos, M.S., Metaxa, Z.S. & Mondal, P., Nanoscale modification of cementitious materials. In Nanotechnology in construction 3, Proceedings of the Third International Symposium on Nanotechnology in construction, (Bittnar, Z., Bartos, P.J.M., Nemecek, J., Smilauer, V., Zeman, J., editors), Springer, Prague, Czech Republic (2009) 125-130. Wansom, S., Kidner, N.J., Woo, L.Y. & Mason, T.O., AC-impedance response of multi-walled carbon nanotube/cement composites. Cement and Concrete Composites, Vol. 28, (2006) 509-519 Xie, X.L., Mai Y.W., & Zhou, X.P., Dispersion and alignment of carbon nanotubes in polymer matrix: A review. Materials Science and Engineering Reports, Vol. 49, (2005) 89-112 Yang, Y., Grulke, E.A., Zhang, Z.G. & Wu, G., Thermal and rheological properties of carbon nanotube-in-oil dispersions. J. Applied Physics, Vol. 99, (2006) 114307 16ο Συνέδριο Σκυροδέματος, ΤΕΕ, ΕΤΕΚ, 21-23/10/ 2009, Πάφος, Κύπρος 10