Application of nanomaterials in production of self-sensing concretes: contemporary developments and prospects

• Autorzy: Horszczaruk E. , Sikora P. , Łukowski P.

Identyfikatory

DOI

10.1515/ace-2015-0083

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie nanomateriałów do wytwarzania betonu zdolnego do autodetekcji uszkodzeń: stan obecny i perspektywy

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the recent years structural health monitoring (SHM) has gathered spectacular attention in civil engineering applications. Application of such composites enable to improve the safety and performance of structures. Recent advances in nanotechnology have led to development of new family of sensors – self-sensing materials. These materials enable to create the so-called “smart concrete” exhibiting self-sensing ability. Application of selfsensing materials in cement-based materials enables to detect their own state of strain or stress reflected as a change in their electrical properties. The variation of strain or stress is associated with the variation in material’s electrical characteristics, such as resistance or impedance. Therefore, it is possible to efficiently detect and localize crack formation and propagation in selected concrete element. This review is devoted to present contemporary developments in application of nanomaterials in self-sensing cement-based composites and future directions in the field of smart structures.

PL

Obiekt budowlany powinien spełniać wymagania bezpieczeństwa, trwałości i niezawodności dla długotrwałego funkcjonowania. Monitorowanie obiektu umożliwia kontrolowanie jego bezpieczeństwa i trwałości w trakcie całego cyklu życia budynku. Wczesne i precyzyjne wykrycie uszkodzeń, powstających w trakcie użytkowania obiektu, może umożliwić właściwe działania prewencyjne i naprawcze oraz utrzymanie nieprzerwanej eksploatacji obiektu. Rozwój innowacyjnych automatycznych systemów monitoringu technicznego konstrukcji - MTK (ang. Structural Health Monitoring, SHM) pozwala na zastąpienie tradycyjnej diagnostyki, opartej na badaniach nieniszczących NDT (ang. non-destructive testing). Podstawową zaletą systemu MTK jest nieprzerwany monitoring stanu obiektu budowlanego, pozwalający na ocenę obciążeń, szybkie wykrywanie zmian i uszkodzeń w badanej strukturze wraz z obserwacją ich rozwoju oraz ocenę zagrożeń z nimi związanych. Ponadto, zastosowanie nowoczesnych technik monitorowania pozwala na znaczną redukcję kosztów spowodowanych okresowymi inspekcjami. Niestety, zastosowanie MTK niesie ze sobą koszty związane z drogą aparaturą pomiarową; wymaga także rozwiązania trudności związanych z niekiedy niewystarczającą trwałością i czułością urządzeń oraz możliwą niekompatybilnością z elementami betonowymi. Niedogodności te przyczyniły się do poszukiwania nowej metody pomiarowej, pozwalającej na przynajmniej częściowe przezwyciężenie niedogodności związanych z klasyczną metodą monitorowania technicznego konstrukcji.

Słowa kluczowe

EN

structural health monitoring; SHM; concrete; self-sensing; damage; nanomaterial; review

PL

monitorowanie stanu technicznego; SHM; beton; autodetekcja; uszkodzenie; nanomateriał; przegląd

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 62, nr 3
• Strony: 61--73
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., il.

Twórcy

autor

Horszczaruk E.

• West Pomeranian University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Szczecin, Poland

autor

Sikora P.

• West Pomeranian University of Technology, Faculty of Civil Engineering and Architecture, Szczecin, Poland

autor

Łukowski P.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

Bibliografia

• 1. P. Łukowski, G. Adamczewski, “Self-repairing of polymer-cement concrete”, Bulletin of the Polish Academy of Sciences – Technical Sciences, 61: 195-200, 2013.
• 2. J. Holnicki-Szulc, “Smart Technologies for Safety Engineering”, Wiley, New York, 2008.
• 3. D. Balageas, C.-P. Fritzen, A. Güemes (eds.), “Structural Health Monitoring”, ISTE, London, 2006.
• 4. X. Yu, E. Kwon, “Carbon Nanotube Based Self-sensing Concrete for Pavement Structural Health Monitoring”, Final Report, Department of Civil Engineering, University of Minnesota, Duluth, 2012.
• 5. A. D’Alessandro, F. Ubertini, S. Laflamme, A. L. Materazzi, “Towards smart concrete for smart cities: Recent results and future application of strain-sensing nanocomposites”, Journal of Smart Cities, 1: 1-14, 2015.
• 6. H. Li, J. Ou, H. Xiao, X. Guan, B. Han, “Nanomaterials-enabled multifunctional concrete and structures”, in: Nanotechnology in Civil Infrastructure, Springer, Berlin, 2011.
• 7. P. Łukowski, “Continuity threshold of the polymer phase in polymer-cement composites”, Archives of Civil Engineering, 3: 559-571, 2008.
• 8. J. A. Hoheneder, “Smart Carbon Nanotube/fiber and PVA Fiber-Reinforced Composites for Stress Sensing and Chloride Ion Detection”, University of Wisconsin, Milwaukee, 2012.
• 9. B. Han, X. Yu, J. Ou, “Self-sensing Concrete in Smart Structures”, Butterworth-Heinemann, Oxford, 2014.
• 10. Q. Li, J. Liu, S. Xu, “Progress in research on carbon nanotubes reinforced cementitious composites”, Advances in Materials Science and Engineering, Article ID 307435, 2015.
• 11. P. Sikora, E. Horoszczaruk, K. Cendrowski, E. Mijowska, “The Influence of nano-Fe3O4 on the microstructure and mechanical properties of cementitious composites”, Nanoscale Research Letters, 11: 182, 2016.
• 12. P. Sikora, P. Łukowski, K. Cendrowski, E. Horszczaruk, E. Mijowska, „The effect of nanosilica on the mechanical properties of polymer-cement composites (PCC)”, 7th Scientific-Technical Conference “Material Problems in Civil Engineering (MATBUD’2015)”, Cracow, Poland, 2015, Procedia Engineering, 108: 139-145, 2015.
• 13. A. Yazdanbakhsh, Z. Grasley, B. Tyson, R. K. Abu Al-Rub, “Distribution of carbon nanofibers and nanotubes in cementitious composites transportation – research record”, Journal of the Transportation Research Board, 2142: 89-95, 2010.
• 14. M. S. Konsta-Gdoutos, A. Chrysoula, A. Aza, “Self sensing carbon nanotube (CNT) and nanofiber (CNF) cementitious composites for real time damage assessment in smart structures”, Cement and Concrete Composites 53: 162–169, 2014.
• 15. J.-L. Le, H. Du, S. D. Pang, “Use of 2D graphene nanoplatelets (GNP) in cement composites for structural health evaluation”, Composites Part B: Engineering, 67: 555-563, 2014.
• 16. H. K. Kim, I. S. Park, H. K. Lee, “Improved piezoresistive sensitivity and stability of CNT/cement mortar composites with low water–binder ratio”, Composite Structures, 116: 713-719, 2014.
• 17. B. Han, Si. Ding, X. Yu, “Intrinsic self-sensing concrete and structures: A review”, Measurement, 59: 110-128, 2015.
• 18. D. Wiliński, P. Łukowski, G. Rokicki, “Polymeric superplasticizers based on polycarboxylates for readymixed concrete: current state of the art”, Polimery, 61: 474-481, 2016.
• 19. Y.L. Mo, R. H. Roberts, “Carbon nanofiber concrete for damage detection of infrastructure”, in: Advances in Nanofibers, InTech, 125-143, 2013.
• 20. S. Parveen, S. Rana, R. Fangueiro, “A review on nanomaterial dispersion, microstructure, and mechanical properties of carbon nanotube and nanofiber reinforced cementitious composites”, Journal of Nanomaterials, 7, 2013.
• 21. B. Han, X. Yu, J. Ou, “Multifunctional and Smart Carbon Nanotube Reinforced Cement-Based Materials”, in: Nanotechnology in Civil Infrastructure, Springer, Berlin-Heidelberg, 2011.
• 22. L. Czarnecki, P. Łukowski, „An usability approach to technical evaluation of the polymer coatings for concrete substrate: 2nd International RILEM Symposium on Adhesion between Polymers and Concrete, Dresden, Germany, 1999, RILEM Proceedings, 9: 173-180, 1999.
• 23. S. Chuah, Z. Pan, J. G. Sanjayan, C. M. Wang, W. H. Duan, “Nano reinforced cement and concrete composites and new perspective from graphene oxide”, Construction and Building Materials, 73: 113-124, 2014.
• 24. A. Sedaghat, M. K. Ram, A. Zayed, R. Kamal, N. Shanahan, “Investigation of physical properties of graphene-cement composite for structural applications”, Open Journal of Composite Materials, 4: 12-21, 2014.
• 25. H. Du, S. D. Pang, “Mechanical response and strain sensing of cement composites added with graphene nanoplatelet under tension”, in: Nanotechnology in Construction 5, 377-382.
• 26. Z. Pan, L. He, L. Qiu, A. H. Korayem, G. Li, J. W. Zhu, F. Collins, D. Li, W. H. Duan, M. C. Wang, “Mechanical properties and microstructure of a graphene oxide–cement composite”, Cement and Concrete Composites, 58: 140-147, 2015.
• 27. W. Li, A. Dichiara, J. Bai, “Carbon nanotube–graphene nanoplatelet hybrids as high-performance multifunctional reinforcements in epoxy composite”, Composites Science and Technology, 74: 221-227, 2013.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.