بخشی از مقاله
چکیده
از کامپوزیت های پایه سیمانی تقویت شده با نانو لوله های کربنی - - CNTs به عنوان سنسورهایی برای بررسی بارهای استاتیک و دینامیک استفاده می شود. ظرفیت تشخیص فرکانس های بالا با خطای بسیار پایین و نسبت سیگنال به خطای بسیار خوب، از ویژگی های این سنسورها می باشد. بنابراین هدف در تحقیق حاضر، ساخت و بررسی خواص الکتریکی و الکترومکانیکی سنسورهای حساس به فشار پایه سیمانی ، با درصد های مختلف CNTs معادل 0.05، 0.1 و0.5 درصد وزنی سیمان تحت بارگذاری فشاری تک محوری و بارگذاری فشاری سیکلی می باشد. نتایج نشان دهنده آن است که افزودن نانو لوله های کربنی به ملات سیمان باعث افزایش رسانایی الکتریکی این نوع ماده خواهد شد. همچنین حساسیت پاسخ الکترومکانیک این مواد به عنوان سنسور با افزایش درصد CNT ابتدا افزایش و سپس کاهش می یابد.
مقدمه
بطور کلی ساختار بزرگراه ها، پیاده روهای بتنی و پل ها، بطور مستمر به علت ترک خوردگی، ورقه ورقه شدن و خسارات دیگر در حال تخریب است. در این میان توانایی تشخیص چنین خسارت هایی در زیرساخت های عمرانی برای امنیت سلامت عمومی حیاتی است. در حال حاضر، بسیاری از روشهای توسعه یافته تا به امروز، برای ساخت سنسورهای بتنی در پیاده روها و نظارت بر سلامت ساختاری، تعبیه شده است. با این حال، این سنسورها فقط برای نظارت موضعی کارایی دارند و اشکالاتی از قبیل دوام کم، هزینه بالا و تجهیزات تجزیه و تحلیل گران قیمت، میزان عمرپایین، حساسیت کم، و سازگاری نامطلوب با سازه های بتنی را به همراه دارند.
در این میان نانو کامپوزیت های پایه سیمانی علاوه بر بارهای استاتیک، قابلیت نظارت بر سلامتی ساختارهایی با بارهای دینامیک و متغیر را نیز دارند. ظرفیت تشخیص فرکانس های بالا با خطای بسیار پایین و نسبت سیگنال به خطای بسیار خوب را از طریق اتصالات و فرآیند ساخت مناسب، از ویژگی های این سنسورها می باشد. فرکانس های بالا در سازه هایی مثل پل ها و ساختمان ها و یا برنامه های کاربردی برای نظارت بر سلامت ساختاری استفاده می شود.[1]
بتن معمولی مخلوطی است که حاوی دانه های ریز و درشت، ملات - حاوی توده های ریز - و بایندر - بدون هیچگونه توده ریز و درشت - است و توانایی هیچگونه سنجشی را ندارد. وقتی یک بتن تقویت شده با تقویت کننده های ویژه ای - مانند الیاف کربن، الیاف فولادی، نانو لوله های کربنی5، پودر نیکل، و غیره - تحت تغییر شکل یا تنش قرار گیرد پارامترهای الکتریکی آن - مانند مقاومت الکتریکی، ظرفیت الکتریکی و امپدانس - تغییر می کند به این نوع خواص اصطلاحا خواص الکترومکانیکی6 گفته می شود. در این حالت کرنش - یا تغییر شکل - ، استرس - یا نیروی خارجی - ، ترک خوردگی و آسیب در شرایط ایستا و پویا از طریق پارامترهای الکتریکی تشخیص داده می شود.[2] این بتن تحت عناوین بتن هوشمند7، بتن خود ناظر8، بتن ذاتا هوشمند9 و الکترومکانیک10یا بتن حساس به فشار11 هم شناخته می شود.
بتن هوشمند دارای یک ساختار کامپوزیتی بسیار پیچیده، چند فازی و با ابعاد مختلف میکرومتری و نانومتری می باشد. در این میان CNT می توانند به عنوان یک تقویت کننده و بدون افزایش وزن و تغییر خواص نامطلوب در بتن ایجاد خاصیت سنسوری نماید. افزودن اجزای فلزی مانند الیاف فولادی و تراشه های استیل به سیمان به علت خوردگی این اجزا باعث تنزل و تخریب سنسور می شود. از طرفی افزودن میزان بالای مواد کربنی مانند دوده و پودر گرافیت باعث تنزل خواص مکانیکی و دوام کامپوزیت می شود. به همین منظور از CNT استفاده می شود تا با مقادیرکم مواد تقویت کننده کامپوزیتی مشابه و حتی بهتر از نظر خواص الکتریکی در مقایسه با کامپوزیت با مقادیر بالای دوده و پودر گرافیت ایجاد کند.
در حالیکه نه تنها خواص مکانیکی کامپوزیت را تنزل نمی دهد بلکه بهبود هم می دهد.[3] در این میان نسبت بسیار بالای طول به عرض CNTs تشکیل یک شبکه رسانا و تقویت کننده با سطح تغلیظ پایین CNTs و به میزان 0.05، 0.1 و 0.5 درصد وزنی سیمان را به آسانی فراهم می کند. علاوه بر این خواص الکترومکانیکی CNTs کاربردهای بالقوه ای برای نانو سنسورکامپوزیت زمینه سیمانی با بهبود خواص مکانیکی و قابلیت چندگانه ارزیابی تنش های سازه های بتنی، تشخیص خسارت، همچنین ارزیابی بار ترافیکی در سازه های بزرگراه ها را فراهم کرده است.[4] به این صورت که وقتی CNTs تحت تاثیر تنش/کرنش قرار می گیرند خواص الکتریکی آنها به میزان تنش/کرنش تغییر کرده و یک پاسخ الکترومکانیک خطی و برگشت پذیر نشان می دهد.[5]
شایان ذکر است که در ساخت این سنسور ها از نانو لوله های کربنی چند دیواره12 استفاده می شود. علت این مسئله به حساسیت بیشتری که MWNT نسبت به تغییر تنش در مقایسه با نانو لوله های کربنی تک دیواره13 برمی گردد. این افزایش حساسیت، احتمالا به دلیل تعداد نقاط تماس بیشتر MWNT است که کاهش قابل توجه مقاومت الکتریکی مواد سیمانی را با فشار توجیه می کند.[2] با توجه به موارد فوق در تحقیق حاضر هدف ساخت نانو کامپوزیت های پایه سیمانی همراه با تقویت کننده از نوع CNT در درصدهای مختلف می باشد. سپس خواص الکتریکی و الکترومکانیکی این نوع مواد نانو کامپوزیتی مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
مواد و روش تحقیق
نسبت های اختلاط استفاده شده در این تحقیق طبق استاندارد C109 که برای قالب های مکعبی شکل 5.08×5.08×5.08 cm3 وجود دارد، می باشد. همچنین از سیمان پرتلند تیپ2 محصول شرکت سیمان فارس، ماسه سیلیسی با دانه بندی طبق استاندارد DIN EN196-1 ، فوق روان کننده پلی کربوکسیلات و آب مقطر جهت ساخت ملات سیمان استفاده شده است.
