Methodologies for monitoring the properties of hybrid and hierarchical cementitious composite materials with advanced functionalities

Abstract

Cement-based materials are the most widely used structural engineering materials in a wide range of application fields. However, the nature of traditional cement imposes numerous limitations on the development of more exploitable materials that can meet the high expectations of modern buildings. A successful approach to overcome these limitations and impart properties for multifunctional purposes is the use of materials with high conductivity as additives in cementitious matrices. Adding these materials into a cement matrix could enhance the already existing properties, such as the mechanical properties, but also introduce new properties, such as electrical properties. During the hydration process, the interaction between the conductive filler and the cementitious matrix changes, affecting the properties of the overall composite material. Therefore, the development of these materials requires monitoring of these properties at all stages of the hydration process, as well as in their final stage. The current PhD thesis addresses this need by developing and validating a comprehensive methodology approach for the in-situ monitoring of multiscale carbon-enhanced cementitious composites. Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) is employed as a central methodology as a novel approach for the in-situ evaluation of carbon nanotube aqueous dispersions. Additionally, EIS was applied for the monitoring of the hydration process of the cementitious composite materials, providing valuable insights into the evolution of the hydration, the formation of the conductive paths, and the resulting electrical properties. On top of that, in this study, the mechanical performance was assessed through flexural and compressive strength tests to evaluate the reinforcement efficiency of the cementitious composites. Finally, piezoresistive tests were carried out using the 2-probe direct current (DC) methodοlogy under cyclic compressive loading to demonstrate the structural health monitoring (SHM) functionality of the aforementioned materials. By combining EIS methodology, mechanical characterization, and piezoresistive evaluation, this study provided a comprehensive framework to correlate hydration mechanisms with electrical, structural, and sensing performance. This approach provides practical directions for the design of next-generation smart, structural, and multifunctional cement-based materials.

Τα υλικά με βάση το τσιμέντο αποτελούν τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα δομικά υλικά, καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Ωστόσο, η φύση του παραδοσιακού τσιμέντου επιβάλλει πολλούς περιορισμούς στην ανάπτυξη υλικών που θα μπορούσαν να ικανοποιούν τις υψηλές προσδοκίες των μοντέρνων κτιρίων. Μια επιτυχημένη στρατηγική για την υπέρβαση αυτών των περιορισμών και την προσθήκη ιδιοτήτων πολυλειτουργικού χαρακτήρα είναι η χρήση υλικών υψηλής αγωγιμότητας ως ενίσχυση σε τσιμεντοειδείς μήτρες. Η προσθήκη αυτών των υλικών μπορεί όχι μόνο να ενισχύσει τις υφιστάμενες ιδιότητες, όπως οι μηχανικές, αλλά και να εισαγάγει νέες ιδιότητες, όπως ηλεκτρικές ιδιότητες. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας της ενυδάτωσης, η αλληλεπίδραση μεταξύ της αγώγιμης φάσης και του μητρικού υλικού επηρεάζει τις ιδιότητες του συνολικού σύνθετου υλικού. Επομένως, η ανάπτυξη αυτών των σύνθετων τσιμεντοειδών υλικών απαιτεί συστηματική παρακολούθηση των ιδιοτήτων τους τόσο σε όλα τα στάδια της διαδικασίας ενυδάτωσης, όσο και στο τελικό τους στάδιο. Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται και επικυρώνεται μια ολοκληρωμένη μεθοδολογική προσέγγιση για την παρακολούθηση των ιδιοτήτων σύνθετων τσιμεντοειδών υλικών ενισχυμένων με διαφορετικές δομές άνθρακα. Η Διηλεκτρική Φασματοσκοπία χρησιμοποιήθηκε ως κεντρική, μη-καταστροφική τεχνική, αποτελώντας μια καινοτόμο προσέγγιση για την αξιολόγηση και τον χαρακτηρισμό υδατικών διασπορών νανοσωλήνων άνθρακα σε πραγματικό χρόνο καθώς και για την παρακολούθηση της διαδικασίας της ενυδάτωσης σύνθετων τσιμεντοειδών υλικών. Η τεχνική αυτή προσέφερε πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με την εξέλιξη της ενυδάτωσης, τον σχηματισμό αγώγιμων δικτύων και τις ηλεκτρικές ιδιότητες των σύνθετων τσιμεντοειδών υλικών. Παράλληλα μελετήθηκε η μηχανική απόδοση μέσω δοκιμών κάμψης τριών σημείων και θλίψης με σκοπό να αξιολογηθεί η αποτελεσματικότητα της ενίσχυσης τους. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές πιεζοαντιστατικής απόκρισης χρησιμοποιώντας τη μεθοδολογία συνεχούς ρεύματος υπό κυκλική θλιπτική φόρτιση, με σκοπό την ανάδειξη της λειτουργικότητα της παρακολούθησης της δομικής ακεραιότητας και της ανίχνευσης βλαβών στα προαναφερθέντα σύνθετα τσιμεντοειδή υλικά. Ο συνδυασμός της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας με τον μηχανικό χαρακτηρισμό και την πιεζοαντιστατική απόκριση, παρέχει σε βάθος την ολοκληρωμένη τη συσχέτιση των μηχανισμών της ενυδάτωσης με τις ιδιότητες που αναπτύσσονται. Η μεθοδολογική αυτή προσέγγιση ενεργεί επί της ουσίας ως οδηγός για τον σχεδιασμό έξυπνων, δομικών, πολυλειτουργικών υλικών με βάση το τσιμέντο.