بررسی تأثیر مقادیر مختلف نانولوله ‌کربن و کیفیت پخش آن‌ها بر عملکرد دینامیک حسگرهای هوشمند بتنی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دستیار پژوهشی در دانشگاه پلی تکنیک تورین

2 عضو هیئت علمی دانشگاه تربیت مدرس

3 هیات علمی

چکیده

     امروزه، ساخت و توسعه رویه‌های بتنی ارزان‌قیمت هوشمند مورد توجه قرار گرفته است. هوشمند­سازی رویه بتنی به جسم روسازی این توانایی را می­بخشد که در عین باربری، توانایی تشخیص گسترش خرابی با گذشت زمان و یا نیروهای وارده به روسازی را پیدا می­کند. حسگرهای بتنی با استفاده از اختلاط مواد هادی، از قبیل نانولوله‌های ‌کربنی، با بتن روسازی ساخته می­شوند. با پایش تغییر مقاومت الکتریکی عبوری از حسگرهای جا داده ‌شده در جسم روسازی راه، میزان تغییرات بارگذاری یا رشد خرابی مشخص می­شود. نکته اصلی در استفاده از این حسگرها، بررسی تأثیر هر یک از پارامترهای مؤثر در فرایند ساخت، بر عملکرد این حسگرها است. در این تحقیق، تأثیر دو پارامتر کیفیت پخش نانولوله‌ها در حسگر و مقدار نانولوله ‌کربن که در فرایند ساخت این حسگرها نقش اصلی را دارند، بر عملکرد حسگرها، ارزیابی شد. در این پژوهش، حسگرهای مختلف حاوی مقادیر 1/0، 125/0، 15/0 و 2/0 درصد وزنی سیمان، نانولوله ­کربن چنددیواره که با سطوح انرژی (یک ساعت حمام اولتراسونیک، دو ساعت حمام اولتراسونیک و یک ساعت حمام اولتراسونیک به همراه 90 دقیقه اولتراسونیک میله‌ای) ساخته شدند و بر اساس معیارهای عملکردی مختلف از قبیل حساسیت، تکرارپذیری (درونی و بیرونی) و پسماند تأثیر هر یک از این عوامل تحت بارگذاری دینامیک ارزیابی شدند. نتایج نشان داد که استفاده از انرژی بیشتر در فرایند پخش نانولوله ‌کربن در فاز آبی، باعث پخش همگن‌تر نانومواد در داخل حسگر شده و این پارامتر نسبت به پارامتر مقدار نانولوله ‌کربن تأثیر بیشتری بر معیارهای حسگر بتنی خواهد داشت. همچنین، در یک سطح انرژی ثابت، با افزایش میزان نانولوله ‌کربن، معیارهای عملکردی حسگر بهبود می­یابند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of carbon nanotube and energy levels effects on Self-sensing Concrete Sensor Performance in Dynamic Loading Pattern

نویسندگان [English]

  • mostafa adresi 1
  • abolfazl hasani 2
  • mohammadreza soleimani 3
  • ali yazdian 3
چکیده [English]

   Today, the construction and development of low cost and smart concrete pavement is considered. Smart concrete pavement provides the ability to measure of load and damage detection at the same time when it withstands under the traffic loading. concrete sensor which is manufactured by mixing conductive fibers (such as carbon nanotubes (CNTs)) with concrete can measure the moving vehicle loads or detect damage propagation by variation in electrical response from two heads of sensor. Two main factors affecting the performance of concrete sensors are the amount of CNTs and their dispersion quality in the mixture with regard to the combined effects of the surfactant composition and content and of the CNTs dispersed with different level of energy. in this research different concrete sensors containing different amounts of CNTs (0.1,0.125,0.15,0.2) percent of cement weight with different levels of dispersion energy levels (one hour of ultrasonic bath, two hours of ultrasonic bath and one hour of ultrasonic bath with 90 minutes of probe ultrasonic) are manufactured. The goal of this study is to evaluate the effects of the main parameters affecting concrete sensor performance using various criteria in dynamic loading regime such as sensitivity of the sensor (Se), standard deviation of the prediction error, repeatability, cross-correlation and hysteresis (SSE). the results shows that, the higher energy levels in dispersion of CNTs in aqua phase lead to proper dispersion in cement phase and this parameter is more effective than the amount of CNTs to improve the concrete sensor performance. Also, in a constant energy level, with an increase in carbon nanotubes, sensor performance improves

کلیدواژه‌ها [English]

  • Self-sensing concrete
  • Carbon nanotube
  • Dispersion quality
  • performance
شریفی, م. و جوادیان، ف. 1391. "بررسی اثر ساختار مواد فعال سطحی بر پراکندگی نانولوله‌های کربنی در محلول آبی". سومین همایش علوم و فناوری مواد فعال سطحی و صنایع شوینده، دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه شریف، تهران.

AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. 1993. American Association of State Highway and Transportation Officials, Washangton, D.C.

Azhari, F. and Banthia, N. 2012. “Cement-based sensors with carbon fibers and carbon nanotubes for piezoresistive sensing.” Cement Concrete Comp., 34(7): 866-73.

Azhari, F. and Banthia, N. 2015. “A 3D percolation model for conductive fibrous composites: Application in cement-based sensors.” J. Mater. Sci., 50(17): 5817-21.

Baeza, F. J., Galao, O., Zornoza, E. and Garcés, P. 2013. “Multifunctional cement composites strain and damage sensors applied on reinforced concrete (RC) structural elements.” Mater., 6(3): 841-855.

Bontea, D. M., Chung, D. D. L. and Lee, G. C. 2000. “Damage in carbon fiber-reinforced concrete, monitored by electrical resistance measurement.” Cement Concrete Res., 30(4): 651-659.

Chen, P. W. and Chung, D. D. L. 1996. “Concrete as a new strain/stress sensor.” Comp. Part B: Eng., 27(1): 11-23.

Galao, O., Baeza, F. J., Zornoza, E. and Garcés, P. 2014. “Strain and damage sensing properties on multifunctional cement composites with CNF admixture.” Cement Concrete Comp., 46: 90-98.

Gao, D., Sturm, M. and Mo, Y. L. 2011. “Electrical resistance of carbon-nanofiber concrete.” Smart Mater. Struct., 20(4): 049501.

Gopalakrishnan, K., Birgisson, B., Taylor, P. and Attoh-Okine, N. O. 2011. “Nanotechnology in Civil Infrastructure. ” Springer-Verlag, Berlin & Heidelberg.

Han, B. and Ou, J. 2007. “Embedded piezoresistive cement-based stress/strain sensor.” Sensor. Actuat. A- Phys., 138(2): 294-98.

Han, B., Yu, X., Zhang, K., Kwon, E. and Ou, J. 2011. “Sensing properties of CNT-filled cement-based stress sensors. ” J. Civil Struct. Health Monit., 1(1-2): 17-24.

Han, B., Zhang, K., Yu, X., Kwon, E. and Ou, J. 2012. “Fabrication of piezoresistive CNT/CNF cementitious composites with superplasticizer as dispersant. J. Mater. Civil Eng., 24(6): 658-665.

 Han, B., Yu, X. and J. Ou, 2014. “Sensing properties of self-sensing concrete.” PP. 95-162. In: Han, B., Yu, X. and Ou, J. (Eds.), Self-Sensing Concrete in Smart Structures, Butterworth-Heinemann, 398 p.

Han, B., Ding, S. and Yu, X. 2015. “Intrinsic self-sensing concrete and structures: A review.” Measurement, 59: 110-128.

Jian, H., Xie, H. and Liu, J. 2003. “The effect of fiber content on the mechanical properties and pressure-sensitivity of CFRC.” China Build. Sci. Core Period., (12): 21-22.

Li, H., Xiao, H. and Ou, J. 2006. “Effect of compressive strain on electrical resistivity of carbon black-filled cement-based composites.” Cement Concrete Comp., 28: 824-828.

Li, G. Y., Wang, P. M. and Zhao, X. 2007. “Pressure-sensitive properties and microstructure of carbon nanotube reinforced cement composites.” Cement Concrete Comp., 29(5): 377-382.

Parveen, S., Rana, S. and Fangueiro, R. 2013. “A review on nanomaterial dispersion, microstructure, and mechanical properties of carbon nanotube and nanofiber reinforced cementitious composites.” J. Nanomater., 2013: 1-19.

Saafi, M. 2009. “Wireless and embedded carbon nanotube networks for damage detection in concrete structures.” Nanotech., 20(39): 395502.

Sun, M., Liu, Q., Li, Z. and Hu, Y. 2000. “A study of piezoelectric properties of carbon fiber reinforced concrete and plain cement paste during dynamic loading.” Cement Concrete Res. 30(10): 1593-1595.

Sun, M., Liew, R. J. Y., Zhang, M. H. and Li, W. 2014a. “Development of cement-based strain sensor for health monitoring of ultra high strength concrete.” Constr. Build. Mater., 65: 630-637.

Sun, S., Yu, X. and Han, B. 2014b. “Sensing mechanism of self-monitoring CNT cementitious composite.” J. Test. Eval. 42(1): 20120302.

Teomete, E., and Ilkim, O. 2013. “Tensile strain sensitivity of steel fiber reinforced cement matrix composites tested by split tensile test.” Constr. Build. Mater. 47: 962-968.

Veedu’, Vmod P-. 2010. “MULTIFUNCTIONAL CEMENTITIOUS NANOCOMPOSITE MATERIAL AND METHODS OF MAKING THE SAME.” 1(12).

Wang, S., and D.D.L. Chung. 1997. “Self-monitoring of strain and damage by a carbon-carbon composite.” Carbon, 35(5): 621-630.

Wang, X., Wang, Y. and Jin, Z. 2002. “Electrical conductivity characterization and variation of carbon fiber reinforced cement  composite.” J. Mater. Sci., 7: 223-227.

Wen, S. and Chung, D. D. L. 2001. “Electric polarization in carbon fiber-reinforced cement.” Cement Concrete Res. 31: 141-147.

Wen, S. and Chung, D. D. L. 2006. “Self-sensing of flexural damage and strain in carbon fiber reinforced cement and effect of embedded steel reinforcing bars.” Carbon, 44(8): 1496-1502.

Wilson, J. S. 2005. “Sensor Technology Handbook.”, Elsevier, Amsterdam.

Xiao, H., Li, H. and Ou, J. 2011. “Strain sensing properties of cement-based sensors embedded at various stress zones in a bending concrete beam.” Sens. Actuat. A- Phys., 167(2): 581-587.

Yoder, E. J., and ‎ Witczak, M. W.  1975. “Principles of Pavement Design.” Second edition, John Wiley, N. Y.