Publicação
An innovative cementitious geocomposite for smart infrastructure monitoring
| Resumo: | Esta tese apresenta um trabalho de investigação abrangente sobre materiais geocompósitos cimentícios (areia estabilizada) com capacidade de monitorização. Estas misturas usam materiais inteligentes projetados para monitorização inteligente de infraestruturas em sistemas de transporte e ferrovias. O estudo explora a utilização de nanotubos de carbono híbridos (CNT) e nanoplaquetas de grafeno (GNP) como agentes de funcionalização em compósitos cimentícios, visando aprimorar o desempenho mecânico e permitir a monitorização em tempo real. Numa fase inicial, foram otimizadas técnicas de dispersão dos nanomateriais utilizando 10% de Pluronic F-127 e 50% de tributyl phosphate (TBP), as quais foram submetidas a um banho de ultrassons. As diferentes dispersões aplicadas em argamassas cimentícias devido à semelhança com a areia estabilizada cimentícia e à escassez de investigações neste domínio. O conceito foi validado com sucesso, levando à produção de geocompósitos cimentícios autosensíveis. A otimização adicional do cimento, do teor de água, das cargas e dos métodos de medição, levou à obtenção de melhorias significativas no desempenho físico, mecânico e de piezoresistividade do geocompósito, devido ao sucesso da incorporação bem-sucedida de nano materiais. Por outro lado, foi estudado o impacto da utilização de materiais fibrosos na capacidade de sensorização dos geocompósitos, resultando igualmente em melhorias nas propriedades mecânicas, mas com capacidade reduzida de auto monitorização. Dada a complexidade da capacidade de sensorização dos geocompósitos, foi realizada uma investigação abrangente dos vários parâmetros que influenciam o comportamento piezoresistivo. O estudo avaliou também o tamanho, a disposição dos elétrodos, a temperatura, a humidade e as condições de carga, levando à obtenção de resultados muito importantes para a otimização das capacidades de sensorização. O aumento do comprimento, da largura e da espessura da matriz circundante às cargas condutoras, gerou um aumento da resistividade elétrica, tendo as mudanças de comprimento revelado um efeito mais significativo. Maiores aspect ratios of conductive fillers originaram limiares de percolação reduzidos, indicando maior condutividade elétrica. Os geocompósitos apresentaram uma correlação positiva entre a temperatura e os valores do fator de medida- gauge factor (GF), mostrando potencial para aplicações de deteção de temperatura. No entanto, verificou-se que o aumento do teor de humidade afetou negativamente a compatibilidade de deteção, resultando em valores reduzidos de GF. Para além disso, a frequência de carga influenciou igualmente os valores de mudança fracional da resistência elétrica - fractional change in resistance (FCR). Frequências mais altas na região elástica resultaram num maior FCR, enquanto que, em situações para além do limite elástico, frequências mais altas reduziram o valor do FCR. Os geocompósitos demonstraram uma sensibilidade significativa a mudanças de deformação, tornando-os adequados para monitorização de tráfego e do estado de conservação em diversos cenários operacionais. A relação entre valores de GF, módulo e análise de correlação de imagens digitais - digital image correlation (DIC) ofereceu uma abordagem promissora para avaliar o comportamento mecânico e os níveis de danos dos geocompósitos sob diferentes condições de carga. |
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| Autores principais: | Abedi, Mohammadmahdi |
| Assunto: | Geocompósitos Cimentícios Inteligentes Monitorização de Infraestruturas Inteligentes Nanoplaquetas de Grafeno Nanotubos de Carbono Piezoresistividade Transporte e Ferrovia Carbon nanotubes (CNT) Graphene nanoplatelets (GNP) Piezoresistivity Self-sensing Cementitious Geocomposites Smart Infrastructure Monitoring Transportation and Railway Engenharia e Tecnologia::Engenharia Civil |
| Ano: | 2024 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | tese de doutoramento |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | Universidade do Minho |
| Idioma: | inglês |
| Origem: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| Resumo: | Esta tese apresenta um trabalho de investigação abrangente sobre materiais geocompósitos cimentícios (areia estabilizada) com capacidade de monitorização. Estas misturas usam materiais inteligentes projetados para monitorização inteligente de infraestruturas em sistemas de transporte e ferrovias. O estudo explora a utilização de nanotubos de carbono híbridos (CNT) e nanoplaquetas de grafeno (GNP) como agentes de funcionalização em compósitos cimentícios, visando aprimorar o desempenho mecânico e permitir a monitorização em tempo real. Numa fase inicial, foram otimizadas técnicas de dispersão dos nanomateriais utilizando 10% de Pluronic F-127 e 50% de tributyl phosphate (TBP), as quais foram submetidas a um banho de ultrassons. As diferentes dispersões aplicadas em argamassas cimentícias devido à semelhança com a areia estabilizada cimentícia e à escassez de investigações neste domínio. O conceito foi validado com sucesso, levando à produção de geocompósitos cimentícios autosensíveis. A otimização adicional do cimento, do teor de água, das cargas e dos métodos de medição, levou à obtenção de melhorias significativas no desempenho físico, mecânico e de piezoresistividade do geocompósito, devido ao sucesso da incorporação bem-sucedida de nano materiais. Por outro lado, foi estudado o impacto da utilização de materiais fibrosos na capacidade de sensorização dos geocompósitos, resultando igualmente em melhorias nas propriedades mecânicas, mas com capacidade reduzida de auto monitorização. Dada a complexidade da capacidade de sensorização dos geocompósitos, foi realizada uma investigação abrangente dos vários parâmetros que influenciam o comportamento piezoresistivo. O estudo avaliou também o tamanho, a disposição dos elétrodos, a temperatura, a humidade e as condições de carga, levando à obtenção de resultados muito importantes para a otimização das capacidades de sensorização. O aumento do comprimento, da largura e da espessura da matriz circundante às cargas condutoras, gerou um aumento da resistividade elétrica, tendo as mudanças de comprimento revelado um efeito mais significativo. Maiores aspect ratios of conductive fillers originaram limiares de percolação reduzidos, indicando maior condutividade elétrica. Os geocompósitos apresentaram uma correlação positiva entre a temperatura e os valores do fator de medida- gauge factor (GF), mostrando potencial para aplicações de deteção de temperatura. No entanto, verificou-se que o aumento do teor de humidade afetou negativamente a compatibilidade de deteção, resultando em valores reduzidos de GF. Para além disso, a frequência de carga influenciou igualmente os valores de mudança fracional da resistência elétrica - fractional change in resistance (FCR). Frequências mais altas na região elástica resultaram num maior FCR, enquanto que, em situações para além do limite elástico, frequências mais altas reduziram o valor do FCR. Os geocompósitos demonstraram uma sensibilidade significativa a mudanças de deformação, tornando-os adequados para monitorização de tráfego e do estado de conservação em diversos cenários operacionais. A relação entre valores de GF, módulo e análise de correlação de imagens digitais - digital image correlation (DIC) ofereceu uma abordagem promissora para avaliar o comportamento mecânico e os níveis de danos dos geocompósitos sob diferentes condições de carga. |
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Atividades financiadas
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