BETON TRANSPARENT + BETON ARMAT CU NANOTUBURI DE CARBON - REFERAT 1 UNIVERSITATEA TEHNICA DE CONSTRUCTII BUCURESTI.ok

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI

FACULTATEA DE CONSTRUCŢII CIVILE INDUSTRIALE ŞI AGRICOLE

REFERAT DE DOCTORAT

TEMA: Stadiul actual în tehnologia betoanelor de înaltă performanţă

Conducător ştiinţific, Doctorand,

Prof. Univ. Dr. Ing. Asist. Univ. Drd. Ing.Florin Dabija Alexandra Georgia Covaleov

CUPRINS

1. GENERALITĂŢI 3

1.1. DESPRE BETON 3

2. BETONUL TRANSPARENT 6

2.1. LiTraCon 7

Date tehnice 9

Utilizare 10

2.2. FAŢADA TRANSLUCIDĂ – NOUA MODĂ ÎN

DOMENIU

10

Lucrări realizate din beton transparent în Europa 12

Lucrări realizate din beton transparent în America

de Nord

14

Materiale revoluţionare în industria construcţiilor 16

3. BETONUL CU NANOTUBURI DE CARBON 18

Nanotuburile de carbon în sprijinul construcţiilor

viitorului

18

BIBLIOGRAFIE 28

1. Generalităţi

1. GENERALITĂŢI

1.1. DESPRE BETON

Betoanele sunt produse artificiale cu aspect de conglomerat care se obţin în urma întăririi unor amestecuri bine omogenizate de liant, apă şi agregate, eventual aditivi. Amestecul de liant şi apă formează o pastă care, în urma unor procese fizico-chimice, se întăreşte transformându-se într-o substanţă solidă care leagă între ele granulele de agregat, dând astfel caracterul de monolit al betonului. Betonul prezintă o bună rezistenţă la solicitarea de compresiune, dar la solicitarea de tracţiune (întindere), rezistenţa betonului este mult mai scăzută (aproximativ de 10 ori mai mică decât cea la compresiune). Din acest motiv pentru a îmbunătăţi comportarea materialului la diferite tipuri de solicitări betonul poate fi armat cu diferite produse din oţel.

În industria construcţiilor, betonul – şi în special cel armat şi precomprimat, reprezintă principalul material de construcţii folosit la structuri, datorită avantajelor pe care le are: durabilitate, executarea elementelor de construcţii sub orice formă, rezistenţă la foc, caracterul monolit şi masivitatea construcţiilor, costul redus.

Acest lucru face ca betoanele să fie materiale foarte variate în ce priveşte proprietăţile lor tehnice, modul de fabricare şi punere în lucru. În funcţie de modul de armare se clasifică în:

beton cu armătura flexibilă; beton cu armătura rigidă; beton precomprimat.

3

1. Generalităţi

Betonul armat a fost inventat şi dezvoltat concomitent de mai multe persoane la mijlocul secolului al XIX-lea. În 1854, J. L. Lambot a construit la Paris ambarcaţiuni din beton armat cu sârmă şi plasă de sârmă, dar metoda nu s-a răspândit până când un grădinar, Joseph Monier, a patentat metoda pentru manufactura ghivecelor de flori în 1867. În 1854, un englez, William Wilkinson, din Newcastle, a început să construiască case din beton armat. Între 1850 şi 1880, un francez, Francois Coignet, a construit case de beton întărite cu bare de oţel în Anglia şi Franţa. În SUA, Taddheus Hyatt a inventat şi experimentat în anii 1870 bârne din beton armate cu oţel. Prima clădire din beton armat din SUA este considerată a fi una construită de E.W. Ward în 1875 în oraşul Port Chester, New York.

4

1. Generalităţi

Fig. 1. Clădirea William E. Ward, denumită local Castelul Ward; este considerată prima clădire din beton armat din Statele Unite cunoscută (deşi clădirea Coignet a fost finalizată în 1873).

În fiecare an, producţia mondială de beton se ridică 6 miliarde de metri cubi.

5

http://en.wikipedia.org/wiki/Fran%C3%A7ois_Coignet

2. Betonul transparent

2. BETONUL TRANSPARENT

In afara de variantele “clasice” de armare a betonului (şi anume cu ajutorul barelor de oţel, indiferent de “stilul” acestora), există metode noi de suplimentare a rezistenţei betonului. Am simţit o atracţie deosebită spre a povesti despre câteva metode inovative de aplicare a betonului în construcţiile moderne, îmbinând rolul lor structural (ingineresc) cu cel estetic (arhitectural). Deşi nu şi-au găsit loc încă pe piaţa românească, betoanele transparente (mai precis translucide) câştigă foarte mult teren în construcţiile din zona Europei de Vest. Vecinii noşti din Ungaria au fost cei care au găsit acestă metodă de a trata un element deja clasic de construcţie şi încetul cu încetul l-au răspândit în mare parte a Europei. Nici italienii nu sunt mai prejos şi au apărut şi pe piaţă cu un produs similar. E drept, rolul structural nu este foarte bine susţinut de acest tip de beton, dar dacă îl luăm în considerare împreună cu rolul său estetic, obţinem un produs inovativ ce merită destul de multă atenţie.

6


2.1. LiTraCon

Fig. 2. Bloc LiTraCon ("Light Transmitting Concrete") de tip beton, translucid.

("Light Transmitting Concrete") e un produs de tip beton, care este translucid datorită amestecului format din fibră de sticlă la care se adaugă o combinaţie fin divizată de piatră sfărâmată, ciment şi apă. La întărirea compoziţiei se obţin blocuri de diferite forme, care au caracteristicile betonului, dar şi ale sticlei [1].

7


Fig. 3 (a, b). Fibră de sticlă.

Procesul a fost inventat şi brevetat de arhitectul maghiar Áron Losonczi în 2001. LiTraCon este produs de compania inventatorului, LiTraCon Bt, care a fost fondată în primăvara anului 2004. Oficiul şi fabrica se găsesc în oraşul Csongrád, situat la 160 km de capitala Ungariei, oraşul Budapesta. Toate produsele de tip LiTraCon existente până în acest an au fost realizate numai de compania LiTraCon Bt. [1].

8


Betonul transparent este un material translucid, creat prin combinarea dintre beton şi mii de fire de fibre optice, care acţionează ca agregat.

Fig. 4. Fire de fibră optică.

Arhitectul maghiar a numit produsul: “betonul care conduce lumina”, sau pe scurt, Litracon.

Date tehnice

Forma: blocuri prefabricate Ingrediente: 96% fibră de beton, 4% fibre optice Densitate: 2100-2400 kg / m³ Rezistenţa la compresiune: 50 N / mm ² Finisaj: lustruit Dimensiuni bloc:

- Dimensiunea maximă a blocului: 1200 x 400 mm - Grosime: 25-500 mm

9


Având în vedere dimensiunea redusa a fibrelor, acestea se amestecă în beton la fel ca agregatele. În acest mod, rezultatul este un material omogen, cu bune proprietăţi de transmitere a luminii prin el.

Utilizare

Litracon poate fi utilizat ca material de construcţie pentru pereţi. Litracon poate fi folosit pentru exterior si, de asemenea, pentru

pereţii interiori.Având în vedere soliditatea Litracon, este posibil să se utilizeze

ca material având structură portantă. Dacă este necesar, consolidarea Litracon este de asemenea posibila. Produsele Litracon vor fi fabricate şi ca materiale termoizolante.

2.2. FAŢADA TRANSLUCIDĂ – NOUA MODĂ ÎN DOMENIU

Tehnologiile de realizare a faţadelor au evoluat de-a lungul timpului odată cu apariţia unor noi curente arhitecturale, dar şi ţinând cont de concepte apărute în ultimii ani, cum ar fi sistemele ecologice. Printre cele mai moderne sunt faţadele translucide cu capacitatea de a salva energia în mediul interior.

10


Fig. 5. Pavilionul Italiei la Shanghai

Europa este zona în care această idee a fost intens popularizată şi acceptată, mai ales în cazul dezvoltărilor de birouri. Designerii şi constructorii încearcă să adauge transparenţă, fineţe şi eficienţă atât construcţiilor noi, cât şi celor în renovare.

O astfel de faţadă are capacitatea de a genera energie, este un excelent izolant fonic şi oferă locatarilor posibilitatea de a se bucura de lumina naturală în cea mai mare parte a zilei, fără a avea însă probleme cu soarele puternic sau cu alţi factori climatici.

Una dintre cele mai mari probleme ale unei faţade din sticlă este protecţia solara. Cercetătorii au demonstrat că un mediu ideal pentru lucru sau odihnă trebuie să aibă o temperatură de maximum 26 de grade Celsius. Dar când soarele bate direct în mijlocul camerei prin ferestrele faţadei, este destul de greu să ai parte de această temperatură fără să apelezi la sisteme de aer condiţionat.

Există varianta protejării geamurilor faţadei cu obloane, dar acestea sunt destul de inestetice, greu de întreţinut şi de menţinut

11


curate, iar în cazul unei furtuni mai puternice apare riscul ca lamelele de protecţie sa fie smulse de vânt.

Faţadele translucide moderne au în compoziţie nişte particule care dau rezistentă şi care, în forma compactă, protejează de lumina puternică.

O altă cuceriră a tehnologiei moderne este posibilitatea de a folosi faţada pentru a produce energie. Faţadele translucide au integrate elemente care colectează energia solară. Această energie este dirijată către celule foto localizate în partea inferioară a faţadei care se transformă astfel în ministatii energetice.

Lucrări realizate din beton transparent în Europa

Pentru prima dată betonul transparent a fost pus în practică la construcţia unei alei în Stocholm, o lucrare care a atras atenţia specialiştilor din domeniu. Aleea arată normal în timpul zilei, însă noaptea devine unică prin faptul că este iluminată din spatele bucăţilor de beton.

Primele betoane translucide au fost realizate din fibră de sticla în amestec cu ciment, apă şi pietriş, aplicând o metodă folosită de secole pentru producerea de materiale de construcţii.

Primul proiect major în care betonul transparent s-a folosit pentru a construi a fost Poarta Europei în Ungaria, acest monument fiind ridicat pentru a celebra aderarea Ungariei la UE.

12


Fig. 6. Poarta Europei, Ungaria.

Germanii au preluat şi ei procedeul şi s-au specializat în fabricarea de blocuri transparente de beton, iar în 2010 italienii au

13


fost cei care au construit la Shanghai un pavilion pentru Expoziţia Mondială, dintr-un material asemănător, cu care speră să revoluţioneze lumea materialelor de construcţii.

Atât ungurii cât şi germanii au folosit un ciment întărit cu fibră optică, iar italienii au înlocuit fibra cu răşină obţinând un material nou pe care intenţionează sa-l folosească inclusiv la construirea ambasadei din Bankok.

Preţul unei placi de beton transparent depăşeşte 300 de euro pentru un metru pătrat. Materialul inovator a fost utilizat, până în prezent, la construcţia pavilionul Italiei de la Expoziţia Universală 2010 de la Shanghai, China [2].

De la distanţă acesta arată ca betonul obişnuit; însă, de aproape, se pot observa miile de orificii minuscule care permit trecerea luminii, dar care nu compromit rezistenţa structurală a materialului.

14


De asemenea, betonul transparent a fost folosit în proiecte din întreaga lume, inclusiv la Muzeul Cella Septichora din Ungaria , la Ambasada Ungariei de la Paris, şi la Memorialul Parohial al Veteranilor Iberville din Louisiana [2].

Lucrări realizate din beton transparent în America de Nord

Betonul transparent a fost folosit pentru prima dată în America de Nord atunci când s-a construit Memorialul Parohial al Veteranilor Iberville din Baton Rouge, Louisiana.

Deşi acest lucru este încă neconfirmat, arhitecţii proiectează Freedom Tower din New York City ca o clădire nouă, inedită, “îmbrăcată” în LiTraCon.

Debutul prefabricatelor de beton transparent în America de Nord, la Greenbuild, a fost făcut de compania Italcementi Group, unde aceştia au prezentat o nouă inovaţie de ciment transparent, precum şi aplicaţiile acesteia explicate de designeri şi arhitecţi.

"Pereţii i.light sunt reprezentativi pentru inovarea industriei noastre, pentru evoluţia proiectării construcţiilor", a declarat Michael McSweeney, Preşedinte şi CEO al Asociaţia pentru Ciment din Canada.

"Zidurile schimbă percepţiile noastre tradiţionale despre ciment şi beton prin prezentarea posibilităţilor lor şi a potenţialului de a transforma comunităţile noastre în moduri noi şi interesante."

Transparenţa în ciment se realizează prin intermediul unei tehnologii inovatoare dezvoltate de Italcementi Group & D

15


departament. Acest lucru permite fabricarea de panouri izolate de construcţii solide din beton, care transmit lumina, atât natural, cât şi artificial. Panourile i.light sunt garantate să dureze la fel de mult ca şi un panou realizat din material de ciment tradiţional.

Rezultatul panourilor transparente este pur şi simplu genial, deoarece creează o secvenţă de lumini şi umbre într-o evoluţie constantă pe tot parcursul zilei. Efectul transparent este mai evident atunci când este întuneric şi este văzut din exterior. Capacitatea de a transmite lumina conduce la utilizarea a mai puţină electricitate, putând astfel contribui la economia de energie.

Materiale revoluţionare în industria construcţiilor

Muzeul Naţional al Construcţiilor din Washington găzduieşte o expoziţie de materiale translucide, pe care firmele de construcţii sau persoanele fizice le pot achiziţiona pentru a obţine efecte estetice spectaculoase, dar şi pentru a răspunde cerinţelor practice. Intitulată “Pietre transparente”, expoziţia prezintă diferite tipuri de beton translucid, o replică moderna la vechile materiale de construcţii folosite până acum. Una dintre exponate reprezintă un zid format din blocuri de beton translucid, care arată asemenea unui paravan iluminat din spate. Când cineva stă în fata acestuia, umbra persoanei poate fi văzuta clar din cealaltă parte [3-5].

16


17


18

Betonul armat cu nanotuburi de carbon

3. BETONUL CU NANOTUBURI DE CARBON

Nanotuburile de carbon în sprijinul construcţiilor viitorului

Nanotehnologia este denumirea ştiinţei care dezvoltă tehnologii la o scală de miliardime de metru. Cercetarea materiei la o scară extraordinar de mică implică legi fizice diferite de cele care se aplică la nivelul materiei macroscopice.

Cel mai de perspectivă domeniu al nanocercetării este cel al nanotuburilor de carbon. Nanotuburile de carbon sunt tuburi care conţin folii rulate de atomi de carbon dispuşi hexagonal. Deşi aceste tuburi sunt extrem de mici (minuscule), legăturile foarte puternice dintre atomii de carbon care le alcătuiesc şi structura lor specifică le fac să fie cel mai puternic material cunoscut. Nanotuburile sunt de 120-140 de ori mai puternice decât oţelul şi sunt de circa 6 ori mai uşoare. Aceasta le face ideale pentru îmbunătăţirea performanţei materialelor de construcţii. Ele sunt fibra ideală pentru armarea betonului. Atunci când sunt dispersate uniform în beton, puterea şi ductilitatea (capacitatea de a se deforma fără să se rupă) acestora creşte cu 200-300 la sută. Când betonul astfel armat este supus unei presiuni, aceasta este transferată către nanotuburi, care au acelaşi rol pe care-l au barele de oţel din betonul armat obişnuit. Odată distribuit uniform ca armătură fibroasă pentru beton, materialul

19


compozit care ar rezulta ar putea sa revoluţioneze modul în care proiectăm şi construim clădirile, în condiţiile în care mai ales pentru clădirile foarte înalte plusul de rigiditate ar fi foarte important.

Nanotuburile din carbon ar putea sa aibă, pe lângă importanţa structurală, o importanţă deosebită din punct de vedere ecologic şi economic. Datorită rezistenţei extreme acest material ar putea să reducă semnificativ necesarul de materiale pentru realizarea unui proiect. De exemplu, la construcţia unui pod nu ar mai fi necesare tone de cabluri de oţel, ci doar nişte cabluri de grosimea unui fir de păr alcătuite din nanotuburi de carbon. Aşadar, nanotuburile sunt, cu siguranţă, un material al viitorului ce o să permită construirea de clădiri mai performante, mai economice şi cu un impact ambiental redus.

Nanoştiinţele şi nanotehnologia oferă enorme oportunităţi de studiu al proprietăţilor materialelor, prin lucrul la nivel atomic şi molecular. Acesta a permis nu numai depăşirea multor limitări ale materialelor convenţionale, dar a şi îmbunătăţit enorm proprietăţile mecanice, fizice şi chimice ale materialelor. În dezvoltarea de materiale de construcţie de înaltă performanţă, multifuncţionale, ideale (cu rezistenţă crescută, ductile, fără fisuri, durabile), nanotuburile de carbon (CNTs) joacă un rol promiţător în ceea ce priveşte modificarea/amplificarea caracteristicilor materialelor de construcţie convenţionale cum sunt betonul şi oţelul.

Dintre formele nano ale metalelor şi non-metalelor, nanotuburile de carbon (CNTs) par a avea cel mai promiţător rol în dezvoltarea unui materiale de construcţie ideal (cu rezistenţă crescută, ductil, fără fisuri, durabil) cum ar fi betonul. Nanotuburile de carbon (CNTs) s-au dovedit atractive pentru cercetători încă de la descoperirea lor, ca urmare a rezistenţei lor crescute şi a masei lor relativ mici.

20


Au fost realizate numeroase studii care au avut drept scop ameliorarea rezistenţei scăzute la întindere, a rigidităţii şi a durităţii materialelor de ciment. Acest studiu are drept scop demonstrarea faptului că toate aceste caracteristici pot fi mult îmbunătăţite prin adăugarea unei armături la dimensiuni la scală de nano- şi micrometri. Pentru armare au fost folosite atât nanofibre de carbon (CNFs) cât şi microfibre de polivinil-alcool (PVA). Proprietăţile mecanice ale nanocompozitelor au fost investigate prin testul de îndoire în trei puncte pentru mecanica fracturării. Microstructura şi morfologia mostrelor de nanocompozit au fost studiate folosind un microscop electronic cu scanare (SEM) cu rezoluţie ultra-înaltă. Rezultatele ilustrează în mod clar faptul că încorporarea de nanofibre şi microfibre îmbunătăţeşte semnificativ rezistenţa la întindere

Betonul este cel mai folosit material de construcţii şi a parcurs stadiile de dezvoltare de beton cu rezistenţă normală, beton cu rezistenţă crescută şi beton cu performanţă crescută. Pe de altă parte, nanotuburile de carbon au numeroase proprietăţi mecanice şi electrice avantajoase cum ar fi rezistenţa şi conductivitatea crescute şi, în consecinţă, sunt atractive pentru producerea betonului armat cu fibre. Mai mult, încorporarea fibrelor la scală de nanometri va permite controlul fisurilor din matrice la acest nivel.

În funcţie de structura lor precisă, nanotuburile de carbon pot fi conductoare sau semiconductoare: este cunoscut faptul că proprietăţile electronice ale nanotuburilor din carbon pot fi controlate prin modificările chimice ale suprafeţei exterioare sau prin prezenţa, în atmosfera înconjurătoare sau în interiorul nanotuburilor slab degazate, a unor cantităţi foarte mici de O2. În particular, tipul de conductivitate al nanotubului de carbon poate fi modificat din tipul p în tipul n prin absorbţia de O2 [6].

21


Betonul normal nu este sensibil la sarcinile aplicate ca urmare a slabei sale conductivităţi electrice. Acest impediment poate fi depăşit prin adăugarea de nanotuburi de carbon, care au o conductivitate crescută (102-104 S/cm). În consecinţă, dacă betonul este supus unor forţe de compresie, acestea vor creşte numărul de puncte de contact dintre nanotuburi şi implicit vor conduce la o scădere a rezistenţei materialului. Aceasta va conferi apoi betonului o sensibilitate la încărcare care va permite monitorizarea încărcării structurilor prin măsurători ale variaţiilor rezistivităţii electrice. Această caracteristică a structurilor armate cu nanotuburi de carbon va fi folosită pentru monitorizarea continuă în încărcările normale care au loc pe întreaga durată de viaţă şi, de asemenea, în evenimente excepţionale cum ar fi seismele, şocurile şi exploziile care generează deformări plastice [7]. Rezultatele experimentale [8] au arătat că nanotuburile de carbon/compozitele de ciment cu auto-detectare fabricate prezintă răspunsuri sensibile şi stabile la încărcări compresive şi de impuls repetate şi au totodată răspunsuri remarcabile la încărcările vehiculare. Aceste rezultate indică faptul că nanotuburile de carbon/compozitele de ciment cu auto-detectare au un mare potenţial în monitorizarea exploatării.

Folosirea betonului armat cu nanotuburi de carbon, ar putea conduce la o reducere considerabilă a dimensiunilor elementelor structurale, ceea ce ar avea drept rezultat un consum mult mai mic de ciment şi în consecinţă reducerea eliberării de CO2 şi o lume mai uşor sustenabilă prin produse prietenoase cu mediul. În plus, nanotuburile de carbon pot fi de asemenea folosite pentru a realiza oţel nano-compozit. Rezultatele cercetărilor iniţiale au relevat faptul că acestea sunt de aproximativ 50 de ori mai rezistente şi de aproximativ 10 ori mai uşoare decât oţelul convenţional.

Nanotuburile de carbon sunt disponibile în principal sub două forme, cu pereţi unici (SWCNTs) sau cu pereţi multipli (MWCNTs).

22


Betonul este cel mai folosit material de construcţie din lume. Cu toate acestea, rezistenţele la tensionare şi capacitatea de deformare foarte mici limitează folosirea betonului. Martori la progresul nanotehnologiei în general şi la cel al nanotuburilor de carbon în particular, cercetătorii încearcă să încorporeze materialele obţinute şi în domeniul construcţiilor , ca mijloc de a depăşi limitările bine raportate ale materialelor de cimentare folosite în beton [9, 10]. În acest sens este necesar să se înţeleagă mecanismele (atât la nivel macro- cât şi micro-) ale compozitelor modificate cu nanotuburi de carbon. În sens larg, lăsând la o parte scala, conceptele de compozite armate cu fibre pot fi de asemenea aplicate compozitelor Chou modificate cu nanotuburi de carbon [11]. Cercetătorii [12-18] au folosit macro- şi micro-fibre discrete ca mijloc de a controla dezvoltarea fisurilor în materialele de cimentare.

Studiile au arătat că CNFs–CNTs pot îmbunătăţi unele proprietăţi cum ar fi rezistenţa la tensionare şi la întindere a betonului.

Dezvoltarea fibrelor la scală de nanometri a deschis calea unui nou domeniu de cercetare a betonului. Cercetările anterioare ale autorilor acestei lucrări, privitoare la armarea materialelor cimentate folosind nanofibre, cum ar fi nanotuburi de carbon cu pereţi multipli (MWCNTs), au arătat că rezistenţa la întindere şi rigiditatea matricelor cimentate pot fi crescute semnificativ prin adăugarea de concentraţii foarte mici de nanotuburi de carbon dispersate omogen (până la doar 0,025% din greutatea cimentului). Nanoimaginile suprafeţelor de fractură ale nanocompozitelor de ciment au arătat că MWCNTs armează pasta de ciment prin crearea de punţi la nivelul nanofisurilor şi porilor, ceea ce indică faptul că adăugarea de MWCNTs poate permite controlul fisurilor din matrice la nivel de nanometric. Rezultatele de nanoindentare au indicat faptul că MWCNTs pot modifica puternic şi arma nanostructura matricei cimentate.

23


Pe lângă beneficiile armării, rezultatele privitoare la scurtarea autogenă au arătat că MWCNTs pot avea de asemenea efecte benefice asupra proprietăţilor de transport ale materialelor cimentate.

Materialele de cimentare sunt caracterizate în mod tipic drept cvasi-casante şi susceptibile la fisurare. Rezistenţa, ductilitatea, alungirea şi scurtarea, comportamentul la fracturare şi durabilitatea materialelor de construcţie cimentate depind în mare măsură de formarea la scală micro- şi nano- a materialului.

Materialele pe bază de ciment sun materiale complexe care constau din câteva faze. Pentru a arma eficient şi îmbunătăţi răspunsul materialelor cimentate la încărcare, dezvoltarea fisurilor trebuie combătută la nivel macro, micro şi nano. Această cercetare investighează eficienţa de armare a nanofibrelor, a microfibrelor şi a combinaţiilor acestora. Scopul acestei cercetări este de a evalua efectul armării la dimensiuni de scară în materialele pe bază de ciment folosind concentraţii mici de nanofibre de carbon şi microfibre de PVA bine dispersate. Aceasta oferă totodată o imagine detaliată a nanostructurii nanocompozitelor.

S-a constatat că hibridizarea îmbunătăţeşte rezistenţa la întindere, modulul Young şi rezistenţa matricei de ciment.

În ultimele decade au existat diferite încercări [19, 20] de a încorpora fibre (organice, din oţel, materiale plastice, etc.) în matrice de ciment pentru a controla fisurile prin unirea acestora în timpul încărcării şi transferării sarcinii. O îmbunătăţire considerabilă în limitarea fisurilor din matricele cimentate a fost observată prin adăugarea de nanotuburi de carbon [54]. Merită notat faptul că distribuţia nanotuburilor de carbon în mostrele hidratate poate asigura o reducere suplimentară a zonei fisurate (după cum este indicat în Figura 1a).

24


Încorporarea fibrelor şi a nanotuburilor de carbon la nanoscală va permite controlul fisurilor din matrice la nivel de nanoscală şi va crea în mod esenţial o nouă generaţie de „materiale fără fisuri” [20, 73, 21].

Fig. 7. (a). Imaginea unei suprafeţe de fractură a unui grup de mostre (hidratare 3 zile).

25


Fig. 7. (b). Reducerea fisurii în mostră (hidratare 3 zile) [22].

Este important de menţionat aici că dezvoltarea contracţiei este proporţională cu cantitatea de pori fini din liant în fazele precoce [23]. Ca urmare a dimensiunii mici a nanotuburilor de carbon, acestea vor reduce volumul de pori mici care conduc la reducerea tensiunilor capilare, având drept rezultat alungiri autogene mai mici. Astfel, matricea armată cu nanotuburi de carbon va reduce lungimea şi lăţimea fisurii din beton şi este de aşteptat a produce compozite semnificativ mai rezistente şi mai dure decât materialele armate tradiţionale.

Structurile de beton sunt supuse unor procese de deteriorare manifestate sub formă de fisuri cauzate de încărcarea de oboseală şi de efectele de mediu.

După cum s-a menţionat anterior, în funcţie de structura lor precisă, conductanţa nanotuburilor de carbon se poate modifica [24].

26


Modificările de structură şi de lungime a tubului, prin defecte sau modificări de diametru, pot produce modificări de conductivitate. Nanotuburile de carbon sunt de asemenea considerate a fi cele mai bune conductoare cunoscute [25].

Nanotuburile de carbon pot avea o conductivitate de până la opt ori mai mare decât cea a cuprului.

Reţelele de nanotuburi de carbon au fost încorporate într-o matrice de ciment şi au fost folosite pentru dezvoltarea unui senzor, wireless şi încorporat pentru detectarea deteriorărilor în structurile de beton.

În plus faţă de proprietăţile mecanice excepţionale ale nanotuburilor de carbon, acestea posedă totodată proprietăţi termice şi electrice superioare: sunt stabile până la 28.000 C în vid, au o conductivitate termică de aproape două ori mai mare decât diamantul, o capacitate de transport a curentului electric de 1000 de ori mai mare decât firele de cupru [26]. Ca urmare a suprafeţei înalt accesibile electrochimic a reţelelor de nanotuburi de carbon poroase, în combinaţie cu conductivitatea electronică crescută a acestora, aceste materiale pot fi folosite ca materiale structurale inteligente [27-29], fapt care va redefini orizontul ingineriei civile/structurale.

Sunt vehiculate numeroase idei de creare a unor minuni în ingineria civilă beneficiind de avantajele nanotehnologiei.

De exemplu: (i) tehnologia nanotuburilor de carbon deschide o nouă

cale în dezvoltarea de unităţi de stocare pentru hidrogen solid la temperatura camerei.

(ii) Un lift spaţial constă dintr-un habitaclu montat pe un cablu între Pământ şi spaţiu. Forţa centrifugă din spaţiu va compensa gravitaţia iar cablul se va menţine singur

27


în poziţie. Pentru conceperea unui astfel de lift este necesar să se inventeze noi materiale de performanţă crescută care să reziste forţelor uriaşe implicate, singurul răspuns posibil la această problemă fiind numai un cablu din nanotuburi de carbon [5].

(iii) Podurile de suspensie cu câţiva kilometri de spaţiu nesusţinut par a fi posibile doar graţie marilor avantaje ale cablurilor din nanotuburi de carbon. Folosirea nanotuburilor de carbon în ingineria civilă este explorată doar de câţiva cercetători, nefiind acordată o atenţie adecvată acestui subiect. Pentru a se obţine progrese semnificative în acest domeniu de provocări şi importanţă majoră, este de asemenea necesară o abordare bine coordonată, multi-disciplinară şi sistematică.

Împreună cu problemele bine raportate de tipul dispersiei uniforme în matrice sau al comportamentului la legare, trebuie investigate anumite aspecte cum ar fi comportamentul pe termen lung, rezistenţa la fracturare, ductilitatea şi capacitatea de absorbţie a energiei a cimentului armat cu nanotuburi de carbon.

Wang şi colab. [30] au discutat efectul încorporării nanotuburilor de carbon în rezistenţa la încovoiere a compozitelor de ciment şi s-a constatat că adăugarea de nanotuburi tratate îmbunătăţeşte semnificativ atât energia de fracturare cât şi indicele de rezistenţă la încovoiere al pastelor de ciment Portland. Porozitatea şi distribuţia dimensiunilor porilor compozitelor au fost de asemenea măsurate şi s-a constatat că pasta de ciment care conţinea MWCNTs avea o porozitate mai mică şi o distribuţie mai uniformă a dimensiunilor porilor.

28

Bibliografie

BIBLIOGRAFIE

[1] "LiTraCon. Site-ul oficial".[2] LUCEM Lichtbeton official site: http://www.lucem.de.[3] Kellogg, Craig, "Space-Vechime Blocuri de beton care permit sa

se vada lumina." New York Times. (Late Edition (Coasta de Est)). New York, NY: 15 aprilie 2004. PG. F.3.

[4] Gomez, Kevin, Antreprenorul de constructii (Australia), august 2005.

[5] Anonim. "Beton translucid dezvoltat în Europa." Inginerie civila: Revista institutiei din Africa de Sud de Inginerie Civila. Yeoville: octombrie 2005. Vol.. 13, ISS. 10; p. 27. Science Focus, septembrie-octombrie 2011.

[6] L. Valentini, I. Armentano, L. Lozzi, S. Santucci and J. M. Kenny, Materials Science and Engineering C 24 (2004) 527.

[7] L. Coppola, A. Buoso, F. Corazza, Enco Journal, 51 (2010) available on-line: http://www.enco-journal.com/journal/ej51/coppola.html

[8] B. Han, X. Yu, E. Kwon, Nanotechnology, 20, (2009) 445501.[9] B. Zhao, H. Hu, A. P. Yu, D. Perea and R. C. Haddon, “Synthesis

and characterization of water soluble single-walled carbon nanotube graft copolymers” J Am chem. soc., 127 (22), 8197-8203, 2005.

[10] A. Yazdanbakhsh Z. Grasley B. Tyson and R. Abu Al-Rub, “Carbon Nanofibers and Nanotubes în Cementitious Materials: Some Issues on Dispersion and Interfacial Bond” ACI Special Publication, V. SP, 267, 21-34, 2009.

[11] T-W Chou, “Microstructural design of fiber composites” UK: Cambridge University Press Cambridge., 1992.

[12] P. S. Mangat, M. Motamedi-Azari and B. B. Shakor Ramat, “Steel fibre-cement matrix interfacial bond characteristics under flexure” Int J Cem Compos Lightweight Concr., 6, 29-37, 1984.

[13] V. C. Li and M. Maalej, “Toughening în cement based composites. Part II: Fiber reinforced cementitious composites” Cem. Concr. Compos., 18(4), 239-249, 1996

29

Bibliografie

[14] C. P. Ostertag, C. K Yi, and G. Vondran, “Tensile strength enhancement în interground fiber cement composites” Cem. Concr. Compos., 23, 419-425, 2001.

[15] J. H. Savastano, P. G. Warden and R. S. P. Coutts, “Microstructure and mechanical properties of waste fibre-cement composites” Cem. Concr. Res., 27, 583-592, 2005

[16] G. Fischer and V. C. Li, “Effect of fiber reinforcement on the response of structural members” Engg Fracture Mechanics., 74 (1-2), 258-272, 2007.

[17] C. Wang, K. Z. Li, H. J. Li, G. S. L. J. Jiao and D.S. Hou, “Effect of carbon fiber dispersion on the mechanical properties of carbon fiber-reinforced cement-based composites” Mater. Sci. Eng., A., 487(1-2), 52-57, 2008.

[18] S. Altoubat, A. Yazdanbakhsh and K.A. Rieder, “Shear Behavior of Macro-Synthetic Fiber-Reinforced Concrete Beams without Stirrups” Mat. J., 106(4), 381-389, 2009.

[19] M. S. Konsta-Gdoutos, Z. S. Metaxa and S. P. Shah, “Nanoimaging of highly dispersed carbon nanotube reinforced cement based materials” Proceedings of the Seventh RILEM Intl. Symp. on Fiber Reinforced Concrete: Design and Applications, ed. Ravindra Gettu, RILEM Publications S.A.R.L., Chennai India., 125-131, 2008.

[20] S. P. Shah, M. S. Konsta-Gdoutos, Z. S. Metaxa and P. Mondal, “Nanoscale Modification of Cementitious Materials. In: Z. Bittnar P. J. M. Bartos L. Nemecek V. Smilauer J. Zeman Editors: Nanotechnology în construction” Proceedings of the NICOM3 (3rd international symposium on nanotechnology în construction)., Prague. Czech Republic., 125-130, 2009.

[21] M. S. Konsta-Gdoutos, Z. S. Metaxa and S. P. Shah, “Multi-Scale Mechanical and Fracture Characteristics and Early-Age Strain Capacity of High Performance Carbon Nanotube/Cement Nanocomposites” Cem Concr Comp., 10.1016/j.cemconcomp.2009.10.007, 2009.

[22] J. M. Makar, J. Margeson, J. Luh, “Carbon nanotube/cement composites-early results and potential applications, Construction Materials” în Proceedings of ConMat’05 and Mindess Symposium, Vancouver, Canada., 32, 22–24 August 2005.

[23] M. S. Konsta-Gdoutos, S. P. Shah and D. J. Dattatraya, “Relationships between engineering characteristics and

30

Bibliografie

material properties of high strength-high performance concrete” In: R. V. Dhir, M. D.Newlands, L. J. Csetenvi editors. Proceedings of International Symposia Celebrating Concrete: People and Practice, în Role of Cement Science în Sustainable Development, Tomas Telford Limited., 37-46, 2003

[24] S. B. Sinnott and R. Andrews, “Carbon nanotubes: Synthesis, properties and applications” Crit. Rev. Sol. St. Mat. Sci., 26, 145–249, 2001.

[25] S. Berber, Y.K. Kwon, D. Tomanek, “Unusually high thermal conductivity of carbon nanotubes” Phys. Rev. Lett., 84, 4613–4616, 2000.

[26] P. G. Collins, P. Avouris, “Nanotubes for electronics” Scientific America., 283 (6), 62–69, 2000.

[27] C. Niu, E. K. Sichel, R. Hoch, D. Moy, and H. Tennent, “High power electrochemical carbon nano-tube electrodes” Appl. Phys. Lett., 70, 1480 –1482, 1997.

[28] R. H. Baughman1, C. Cui1, A. A.Zakhidov, Z. Iqbal1, J. N. Barisci, G. M. Spinks, G. G. Wallace, A.Mazzoldi, D. D. Rossi, A. G. Rinzler, O. Jaschinski, S. Roth and M. Kertesz, “Carbon nano-tubes actuators” Science., 284 (5418), 1340-1344, 1999.

[29] K. H. An, W. S. Kim, Y. S. Park, J. M. Moon, D. J. Bae, S. C. Lim, Y. S. Lee and Y. H. Lee, “Electrochemical Properties of High-Power Supercapacitors Using Single-Walled Carbon Nanotube Electrodes” Adv. Funct. Mater., 11, 387–392, 2001.

[30] B. Wang, Y. Han, S. Liu, “Effect of highly dispersed carbon nanotubes on the flexural toughness of cement-based composites”, Construction and Building Materials 46, 8-12, 2013.

31

Documents

BETON TRANSPARENT + BETON ARMAT CU NANOTUBURI DE CARBON - REFERAT 1 UNIVERSITATEA TEHNICA DE CONSTRUCTII BUCURESTI.ok