تعیین مقاومت فشاری کامپوزیت سیمان تقویت‌شده با نانوتیوب کربن با فرض همسانگردی نانوتیوب‌ها

نویسندگان
چکیده
نانو تیوب کربن خواص چشم‌گیری دارد و تحقیقات زیادی در مورد کاربرد آن در تقویت مواد مختلف از جمله مواد ساختمانی انجام شده و اثر مثبت نانوتیوب‏ها مشاهده شده است. استفاده از روش‏های تجربی برای تعیین خواص کامپوزیت‏های تقویت‌شده با نانوتیوب‏ کربن، نیازمند تجهیزات آزمایشگاهی گران و روش‏های پیچیده است؛ بنابراین در این پژوهش با استفاده از روش‏های تحلیلی، رابطه‏ای برای تعیین مقاومت فشاری کامپوزیت سیمان تقویت‌شده با نانوتیوب کربن به‌دست می‏آید. برای سادگی محاسبات، فرض شده ‏است که نانوتیوب‏ها ایزوتروپ بوده و در ابتدا داخل کامپوزیت ‏به صورت تک‌جهته و همگن چیده شده است. حجم پایه معرف به عنوان المان نماینده از این نانوکامپوزیت انتخاب شده و به روش مکانیک محیط پیوسته، تحلیل می‌شود. با این تحلیل، مقاومت فشاری کامپوزیت سیمان تقویت‌شده با چیدمان منظم الیاف محاسبه می‏شود. در موارد عملی، نتایج این تحلیل برای یک کامپوزیت سیمانی دارای چیدمان تصادفی نانوتیوب کربن تعمیم داده شده و رابطه تحلیلی به‌دست‌آمده با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Computing the Compressive Strength of Cement Composite Reinforced with Carbon Nanotube Assuming Isotropic Behavior for CNT

نویسندگان English

H Ghasemzadeh
E. Akbari Jalalabad
چکیده English

For extraordinary properties of carbon nanotube (CNT), a lot of research has been done about its
application to reinforce different materials such as electronic and building materials, and good effects
of CNT have been observed. Experimental approach for determining the properties of composites
containing fibers, especially carbon nanotubes, needs using of complex experimental methods and
expensive laboratorial equipments. Theoretical approach can lower the cost of predicting properties of
these composites. So, in this paper, an analytical relation is presented by continuum mechanics method
to predict the compressive strength of cement composite reinforced with carbon nanotube. For
simplicity of computations, carbon nanotubes were assumed to be isotropicand firstly oriented
unidirectionally and uniformly in the cement composite. Representative Elementary Volume(REV), as
anindicatorelement of this nanocompositeis, was chosen and analyzed by continuum mechanics
method. A fiber embedded in a cylinder of cement with certain radius is named REV. The strains
under loads were calculated and the stresses were obtained by Hook’s law. Then, for prediction failure
of composite, von Mises’ yield criterion was applied and by that, the compressive strength of cement
composite reinforced with unidirectionally oriented carbon nanotubes was obtained. For real cases, the
results of this analysis should be generalized to cement composites reinforced with random orientation
of nanotubes, since there is no control on the distribution of fibers in the laboratory and they are
oriented randomly in composites, although researchers are studying on production of CNT/cement
composites with arbitrary orientation of fibers.To apply the random orientation effect, Cox’s method
was used. For this purpose, the fibers' distribution function f ( ) was assumed and it was observed
that the random orientation of fibers reduces the effect of fiber reinforcing with respect to
unidirectional orientation. Therefore, an orientation factor  1 was used considering random
orientation in comparison with unidirectional orientation. As a suggestion, this factor can be
experimentally obtained too. Experimental method was used to determine the orientation factor of
fibers incomposites and good results were obtained. Then the presented analytical relationship was
compared with experimental data. Matches and differences between the analytical method and the
experimental data were studied and the suggestions were presented to lower the differences between
the analytical and experimental methods. The effect of some parameters such as compressive strength
of cement and the amount of carbon nanotubes added on the compressive strength of CNT/cement
composite were obtained too. Accordingly that an ideal nanocomposite with regard to economical
considerations can be obtained.

کلیدواژه‌ها English

Cement nanocomposite
Carbon nanotube (CNT)
compressive strength
Representative Elementary Volume (REV)
Isotropic behavior
Li, H., Xiao, H.G., Yuan, J., and Ou,
J.,”Microstructure of cement mortar with nanoparticles”,
Composites. Part B, Vol. 35, pp. 185-
189, 2004.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Qing, Y., Zenan, Z., Deyu, K., and Rongshen,
C.,”Influence of nano-SiO2 addition on
properties of hardened cement paste as
compared to silica fume”, Cons. Build.
Mat.,Vol. 21, pp. 539-545, 2007.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Li, G.,”Properties of high-volume fly ash
concrete incorporating nano-SiO2”, Cement and
Concrete Research, Vol. 34, pp. 1043-1049,
2004.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Li, Z., Wang, H., He, S., Lu, Y., and Wang, M.,
“Investigations on the preparation and
mechanical properties of the nano-alumina
reinforced cement composite”, Materials
Letters,Vol. 60, pp. 356-359, 2006.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Li, G.Y., Wang, P.M., and Zhao,
X.,”Mechanical behavior and microstructure of
cement composites incorporating surfacetreated
multi-walled carbon nanotubes”,
Carbon,Vol. 43, pp. 1239-1245, 2005.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Chaipanich, A., Nochaiya, T., Wongkeo, W.,
and Tolkittikul, P., “Compressive strength and
microstructure of carbon nanotubes-fly ash
cement composites”, Materials Science andEngineering A, Vol. 527, pp. 1063-1067, 2010.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Nochaiya, T., Tolkidtikul, P., Singjai, P., and
Chaipanich, A., “Microstructure and
characterizations of Portland-Carbon Nanotubes
Pastes”, Advanced Materials Research,Vols. 55-
57, pp. 549-552, 2008.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Lau, K.T., Hui, D., “The Revolutionary
Creation of New Advanced Materials-Carbon
Nanotube Composites”, Composite Part B,
Vol. 33, pp. 263-277, 2002.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Halpin, J.C., and Kardos, J.L., “The Halpin-Tsai
equations: a review”, Polymer engineering and
science, Vol.16, No.5, pp. 344-352, 1976.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
زندی، ی؛ سهرابی، ق؛ "تکنولوژی پیشرفته بتن "، ]
چاپ اول، فصل پنجم، انتشارات فروزش، تبریز،
. ایران، 1385-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Rouainia, G., and Djeghaba, K.,”Evaluation of
young’s modulus of single walled carbon
nanotube (SWNT) Reinforced concrete
composite”, Journal of engineering and applied
sciences, Vol. 3, pp.504-515, 2008.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Ghasemzadeh, H., and Akbari jalalabad, E.,
“Computing the compressive strength of carbon
nanotube/cement composite”, International
Journal of Civil Engineering, Vol. 9, No.3, pp.
223-229, 2011.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Halpin, J.C.,”Effects of environmental factors
on composite materials”, Technical report,
AFML-TR-67-423, 1969.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Argeso, H., and Eraslan, A.N.,”A
Computational Study on Functionally Graded
Rotating Solid Shafts”, International Journal for
Computational Methods in Engineering Science
and Mechanics, Vol. 8, pp. 391-399, 2007.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Cox, H.L.,”The elasticity and strength of paper
and other fibrous materials”, British journal of
applied physics, Vol. 3, pp. 72-79, 1952.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Yeh, M.K., Tai, N.H., and Liu,
J.H.,”Mechanical behavior of phenolic-based
composites reinforced with multi-walled carbonnanotubes”, Carbon,Vol. 44, pp. 1-9, 2006.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Duan, Z., and Luo, J., “Effect of multi-walled
carbon nanotubes on the vibration-reduction
behavior of cement”, Proc.of SPIE,
International Conference on smart materials and
nanotechnology in engineering, Vol. 6423, pp.
1-6, 2007.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Shen, w., Jiang, B., Shan Han, B., and Xie,
S.S., “Investigation of the Radial Compression
of Carbon Nanotubes with a Scanning Probe
Microscope”, American Physical Society,Vol.
84, No. 16, pp. 3634-3637, 2000.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Xiao, J.R., Lopatnikov, S.L., Gama, B.A., and
Gillespie Jr, J.W., “Nanomechanics on the
deformation of single- and multi-walled carbon
nanotubes under radial pressure”, Materials
Science and Engineering A 416, pp. 192–204,
2006-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
نویل، الف.م؛ "بتن شناسی (خواص بتن)"، فامیلی، ه .؛ ]
چاپ اول، فصل ششم، انتشارات جهاد دانشگاهی
. دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران، 13-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
مهتا، پ.ک؛ و مونته ئیرو، پ.ج.م؛ "ریزساختار، ]
خواص و اجزای بتن (تکنولوژی بتن پیشرفته )"،
رمضانیانپور، الف.؛ قدوسی، پ؛ گنجیان، الف.؛ چاپ
اول، فصل چهارم، انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر،
. تهران، ایران، 13-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2
Cwirzen, A., Habermehl-Cwirzen, K., and
Penttala, V., “Surface decoration of carbon
nanotubes and mechanical properties of
cement/carbon nanotube composites”,
Advances in cement research, Vol. 20, No. 2,
pp. 65-73, 2008.-حسن قاسم‏زاده1*، عصمت اکبری جلال‏آباد2