АНАЛІЗ ЕФЕКТИВНОСТІ ПАРАМЕТРІВ МОДИФІКАЦІЇ БЕТОНУ ВУГЛЕЦЕВИМИ НАНОТРУБКАМИ
DOI:
https://doi.org/10.32782/2415-8151.2025.37.14Ключові слова:
модифікований бетон, вуглецеві нанотрубки, міцність на стиск, міцність на розтяг, диспергування, концентрація ВНТ, суперпластифікатор, нанотехнології у будівництві, наноармування, тріщиностійкість, довговічністьАнотація
Метою статті є комплексний аналіз та систематизація наукових даних щодо впливу ключових параметрів модифікації важкого конструкційного бетону вуглецевими нанотрубками (ВНТ) на його механічні характеристики. Роботу спрямовану на узагальнення проведених раніше досліджень із цього питання та виявлення ключових закономірностей для найбільш поширеного типу бетону в будівництві. Методологія. Дослідження базується на методах теоретичного аналізу та узагальнення результатів 22 експериментальних робіт. Проаналізовано вплив таких параметрів, як тип, форма і геометричні розміри ВНТ, їх концентрація у цементній матриці, способи диспергування, а також вплив водоцементного відношення та хімічних добавок на ефективність модифікації. Результати. Установлено, що ефективність модифікації є багатофакторним процесом. Виконано аналіз результатів випробувань партій зразків модифікованого бетону на стиск і на розтяг. Визначено, що оптимальною з погляду механічних властивостей є концентрація ВНТ у діапазоні 0,05–0,15% від маси цементу, тоді як її перевищення може призводити до агломерації наночастинок та зниження міцності. Підтверджено, що застосування ультразвукової обробки у поєднанні з полікарбоксилатними суперпластифікаторами є одним із найбільш дієвих методів для досягнення рівномірного розподілу ВНТ. Визначено, що короткі (< 10 мкм) та довгі (≥ 10 мкм) нанотрубки по-різному впливають на міцність: довгі можуть бути більш ефективними для міцності на стиск, тоді як короткі – для міцності на розтяг. Наукова новизна. На відміну від існуючих оглядів, які аналізують вплив модифікації нанотрубками на різні типи цементних композитів, наукова новизна цієї роботи полягає у цілеспрямованому аналізі та систематизації даних виключно для важкого конструкційного бетону. Такий сфокусований підхід дав змогу виявити специфічні для цього матеріалу закономірності, уточнити оптимальні діапазони концентрацій ВНТ та встановити ієрархію впливу ключових параметрів. Практична значущість. Результати роботи є корисними для досліджень у галузі будівельного матеріалознавства. Вони дають змогу оптимізувати склад бетону для отримання покращених характеристик та уникнути використання завідомо неефективних рішень, що сприяє розробленню більш надійних та довговічних будівельних матеріалів.
Посилання
Ahmed I., Khitab A., Ahmed S. Effect of Multi-walled Carbon Nanotubes on Mechanical Behavior of Concrete. 6th Annual International Conference on Architecture and Civil Engineering (ACE 2018). GSTF, 2018. P. 427–431. URL: http://dx.doi.org/10.17515/resm2024.86ma1119rs
Bhaskar A.V., Shanmugasundaram M. The Optimum Dosage of the Multiwalled Carbon Nanotubes for Improving the Mechanical Properties of Concrete. International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE). 2019. Vol. 7, no. 6. P. 591–598.
Bodnarova L., Jarolim T. Study the effect of carbon nanoparticles in concrete. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 385. 012006. URL: https://doi.org/10.1088/1757-899X/385/1/012006
Bogas J.A., Ahmed H.H., Diniz T. Influence of Cracking on the Durability of Reinforced Concrete with Carbon Nanotubes. Applied Sciences. 2021. Vol. 11, no. 4. 1672. URL: https://doi.org/10.3390/app11041672
Carriço A., Bogas J.A., Hawreen A. Durability of multi-walled carbon nanotube reinforced concrete. Construction and Building Materials. 2018. Vol. 164. P. 121–133. URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.12.221.
Hassan A., Elkady H., Shaaban I.G. Effect of adding carbon nanotubes on corrosion rates and steelconcrete bond. Scientific reports. 2019. Vol. 9, no. 1. 6285. URL: https://doi.org/10.1038/s41598-019-42761-2
Hawreen A., Bogas J.A., Kurda R. Mechanical characterization of concrete reinforced with different types of carbon nanotubes. Arabian Journal for Science and Engineering. 2019. Vol. 44, no. 10. P. 8361–8376. URL: https://doi.org/10.1007/s13369-019-04096-y
Irshidat M.R. Bond strength evaluation between steel rebars and carbon nanotubes modified concrete. Case Studies in Construction Materials. 2021. Vol. 14. e00477. URL: https://doi.org/10.1016/j.cscm.2020.e00477
Khitab A., Ahmad S., Khushnood R.A. Fracture toughness and failure mechanism of high performance concrete incorporating carbon nanotubes. Frattura ed Integrità Strutturale. 2017. Vol. 42. P. 238–248. URL: https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.42.26
Lu S., Zuo T., Wang Z. Effects of CNTs/PVA on Concrete Performance: Strength, Drying Shrinkage, and Microstructure. Materials. 2025. Vol. 18, no. 11. 2535. URL: https://doi.org/10.3390/ma18112535
Madhavi T.C., Pavithra P., Singh S.B. Effect of Multiwalled Carbon Nanotubes On Mechanical Properties of Concrete. International Journal of Scientific Research. 2013. Vol. 2, no. 6. P. 166–168. URL: http://dx.doi.org/10.15373/22778179/JUNE2013/53
Mohammadyan-Yasouj S.E., Ghaderi A. Experimental investigation of waste glass powder, basalt fibre, and carbon nanotube on the mechanical properties of concrete. Construction and Building Materials. 2020. Vol. 252. 119115. URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.119115
Mohsen M.O., Alansari M., Taha R. Impact of CNTs’ treatment, length and weight fraction on ordinary concrete mechanical properties. Construction and Building Materials. 2020. Vol. 264. 120698. URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120698
Mudasir P., Naqash J.A. Relationship between Water Cement Ratio and Characteristic Properties of Multi Walled Carbon Nano Tube Reinforced Concrete. International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE). 2020. Vol. 8, no. 6. P. 333–339. URL: https://doi.org/10.35940/ijrte.F7472.038620
Pachideh G., Gholhaki M., Moshtaghi S.M. An Investigation on the Effect of High Temperatures on the Mechanical Properties and Microstructure of Concrete Containing Multiwalled Carbon Nanotubes. Materials Performance and Characterization. 2018. Vol. 7, no. 5. P. 896–912. URL: https://doi.org/10.1520/MPC20180061
Qissab M.A., Abbas S.T. Effect of Multi-Walled Carbon Nanotubes on Mechanical Properties of Concrete. Al-Nahrain University, College of Engineering Journal (NUCEJ). 2016. Vol. 19, no. 2. P. 194–201.
Ramezani M., Kim Y.H., Sun Z. Mechanical properties of carbon-nanotube-reinforced cementitious materials: database and statistical analysis. Magazine of Concrete Research. 2019. Vol. 72, no. 15. P. 786–809. URL: https://doi.org/10.1680/jmacr.19.00093
Rashmi R., Padmapriya R. Mechanical and durability characteristics of multiwalled carbon nano tube in concrete. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 872. 012110. URL: https://doi.org/10.1088/1757-899X/872/1/012110
Reis E.D., Gatuingt F., Poggiali F.S. J. Influence of carbon nanotubes and cement reduction on the bond strength of steel bars in concrete: An experimental investigation. Construction and Building Materials. 2025. Vol. 461. 139940. URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2025.139940
Reis E.D., Borges L.A., Camargos J.S.F. A systematic review on the engineering properties of concrete with carbon nanotubes. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. 2023. Vol. 45, no. 8. 411. URL: https://doi.org/10.1007/s40430-023-04117-w
Reis E.D., Resende H.F., Christoforo A.L. Assessment of physical and mechanical properties of concrete with carbon nanotubes pre-dispersed in cement. Journal of Building Engineering. 2024. Vol. 89. 109255. URL: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.109255
Shi X., Liu X. Bond behavior of steel rebar in concrete modified by GO-MWCNTs composite. Journal of Building Engineering. 2022. Vol. 57. 104886. URL: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104886
Suchorzewski J., Prieto M., Mueller U. An experimental study of self-sensing concrete enhanced with multi-wall carbon nanotubes in wedge splitting test and DIC. Construction and Building Materials. 2020. Vol. 262. 120871. URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120871
Sun X. Enhancement of the piezoresistive and mechanical properties of cement-based composites filled with CNTs/GO and nano-SiO2 sprayed steel fibers. Construction and Building Materials. 2024. Vol. 385. 131463. URL: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.131463
Taha A., Alnahhal W., Irshidat M. Effect of carbon nanotubes on the bonding mechanism of non-corrosive reinforcements to concrete. Structures. 2024. Vol. 60. 105952. URL: https://doi.org/10.1016/j.istruc.2024.105952
Vijayabhaskar A., Shanmugasundaram M. Mechanical and Durability Properties of Concrete with Multiwalled Carbon Nanotubes. International Journal of Engineering & Technology. 2018. Vol. 7, no. 3.2. P. 350–353.
Yang K. Enhanced performance and mechanisms of cement-based composites with CNTs and nano-silica under sulfate attack. Journal of Building Engineering. 2024. Vol. 84. 108428. URL: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.108428
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
