Μελέτη διασποράς, περιβαλλοντικής απόκρισης και ανθεκτικότητας σύνθετων υλικών κατασκευών

Abstract

The present thesis aims at contributing to two critical areas for the development of carbon nanotube modified cementitious structures. The first area is that of the nano-phase dispersion, initially in aqueous solutions and then into the cementitious matrix, using suitable assistive media and methodologies, aiming at optimizing the properties of carbon nanotubes in combination with those of the cementitious matrix. To achieve this goal, extensive research was carried out using different dispersing/mixing media and protocols. Through the characterization of the quality of carbon nanotubes dispersion in aqueous solutions the optimum conditions for the production of homogeneously dispersed suspensions were determined. Further investigation of the mixing protocols of the nano-modified suspensions in the cementitious matrix was carried out in order to preserve/enhance the physical/mechanical properties of the produced cement mortars. Based on the obtained optimal mixing protocols, mortars were prepared with the nano-phase content ranging from 0.2 to 0.8 wt.% using two dispersants. This range serves the requirements of multi-functionality and intelligence as they emerged from parallel studies. The second area investigated for the first time thoroughly in this dissertation is the durability and environmental response of the nano-modified mortars produced on the basis of the methodology developed in the first part where key parameters that affect the durability of cementitious materials identified. For the study of durability, environmental exposure of the nano-modified were performed, that has been extended to the monitoring of structural integrity and damage detection by means of fundamental mechanical and acoustic emission indicators, respectively. The obtained results demonstrated that the dispersion medium is a critical parameter of durability because it does not merely specify the quality of the dispersion but also has a significant effect on both microstructure and transport properties through its interactions with the exposure environment. At the same time it became clear from this study that nano-modification is beneficial for the durability of cementitious mortars exposed to freezing and thawing conditions as it results in up to 73% higher breaking energy. However, the level of improvement is dictated not only by the carbon nanotubes content and their dispersion performance, but also by the nature of the dispersants. Finally, the damage detection capability resulting from the addition of carbon nanotubes is degraded after environmental exposure, but it is still possible to monitor even after degradation.

H παρούσα διατριβή αποσκοπεί στο να συνεισφέρει σε δύο κρίσιμους τομείς της ανάπτυξης τροποποιημένων τσιμεντοειδών δομών με νανοσωλήνες άνθρακα. Ο πρώτος τομέας είναι αυτός της διασποράς της νανο-φάσης, αρχικά σε υδατικά διαλύματα και στη συνέχεια στην τσιμεντοειδή μήτρα, με τη χρήση κατάλληλων υποβοηθητικών μέσων και μεθοδολογιών, με στόχο τη βέλτιστη εκμετάλλευση των ενδογενών ιδιοτήτων των νανοσωλήνων άνθρακα σε συνδυασμό με την εκμετάλλευση των ιδιοτήτων της τσιμεντοειδούς μήτρας. Για την επίτευξη αυτού του σκοπού πραγματοποιήθηκε εκτενής έρευνα χρησιμοποιώντας διαφορετικά μέσα και πρωτόκολλα διασποράς/ανάμιξης. Μέσω του χαρακτηρισμού της ποιότητας διασποράς των νανοσωλήνων άνθρακα σε υδατικά διαλύματα, προσδιορίστηκαν οι βέλτιστες συνθήκες για την παραγωγή ομοιογενώς διασπαρμένων αιωρημάτων. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε περαιτέρω διερεύνηση των πρωτοκόλλων ανάμιξης των νανο-τροποποιημένων αιωρημάτων στη τσιμεντοειδή μήτρα με στόχο την διατήρηση/ενίσχυση των φυσικών/μηχανικών ιδιοτήτων των παραγόμενων τσιμεντοκονιαμάτων. Με βάση το βέλτιστο πρωτόκολλα ανάμιξης που προέκυψε, παρήχθησαν κονιάματα με την περιεκτικότητα της νανο-φάσης να εκτείνεται από 0.2 έως 0.8% κ.β. χρησιμοποιώντας δύο μέσα διασποράς. Το εύρος αυτό εξυπηρετεί τις απαιτήσεις πολύ-λειτουργικότητας και ευφυίας όπως αυτές προέκυψαν από παράλληλες μελέτες. Ο δεύτερος τομέας που ερευνήθηκε για πρώτη φορά ενδελεχώς στην παρούσα διατριβή είναι η ανθεκτικότητα και η περιβαλλοντική απόκριση των νανο-τροποποιημένων κονιαμάτων που παρήχθησαν βάσει την μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε στο πρώτο σκέλος, όπου προσδιορίστηκαν παράμετροι-κλειδιά, που επηρεάζουν την ανθεκτικότητα των τσιμεντοειδών υλικών. Για τη μελέτη ανθεκτικότητας πραγματοποιήθηκε περιβαλλοντική έκθεση των νανο-τροποποιημένων κονιαμάτων, η οποία επεκτάθηκε και στον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας και της ικανότητας ανίχνευσης βλάβης μέσω βασικών δεικτών μηχανικής και ακουστικής εκπομπής αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν κατέδειξαν ότι το μέσο διασποράς αποτελεί κρίσιμη παράμετρο ανθεκτικότητας, διότι δεν προσδιορίζει απλώς την ποιότητα διασποράς, αλλά επιδρά σημαντικά και στην μικροδομή αλλά και στις ιδιότητες μεταφοράς μέσω αλληλεπιδράσεών του με τα περιβάλλον έκθεσης. Παράλληλα έγινε σαφές μέσα από την παρούσα μελέτη ότι η νανο-τροποποίηση είναι ευεργετική για την ανθεκτικότητα των τσιμεντοειδών κονιαμάτων που εκτίθενται σε συνθήκες ψύξης-απόψυξης, καθώς έχει ως αποτέλεσμα έως και 73% υψηλότερη ενέργεια θραύσης. Το επίπεδο βελτίωσης όμως υπαγορεύεται όχι μόνο από την περιεκτικότητα σε νανοσωλήνες άνθρακα και την απόδοση διασποράς τους αλλά και από τη φύση των μέσων διασποράς. Τέλος η ικανότητα ανίχνευσης βλάβης που προκύπτει από την προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα υποβαθμίζεται μετά από την περιβαλλοντική έκθεση, παρόλα αυτά είναι δυνατή η παρακολούθηση ακόμα και μετά την υποβάθμιση.