Influence of carbon nanotubes on the effectiveness of plasticizers, hydration and structure of cement-based materials

Abstract

This work aims to investigate the effect of multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) suspension in combination with plasticizing admixtures (Pl) on the rheological and technological properties of cement-based materials. The study of the cement hydration process, structure and properties of modified cement-based materials were performed. The different types of Pl, such as lignosulphonate (LS), sulfonated naphthalene formaldehyde condensate (NF) and polycarboxylate ether (PCE) were used in the course of the research. The homogenization of MWCNT in the aqueous suspension was provided by the ultrasonication method. It was established that the usage of PCE contributes to the increase of the average diameter of the particles caused by the intermolecular interactions between the carboxyl groups of the carboxymethyl cellulose (CMC) located on the MWCNT surface and the carboxylate groups of PCE with further formation of the hydrogen bonds. The rheological properties of cement paste modified by MWCNT suspension with different Pl were tested by the rotational rheometer with coaxial cylinders at 5, 60, 120 min after cement paste mixing. The yield stress, plastic viscosity and shear thinning/ shear thickening indexes were evaluated for the tested cement pastes based on the experimental data and their approximation by the Hershel-Bulkley rheological model. The increase of MWCNT dosages from 0 to 0.24% bwoc provided the changes in rheological properties of cement pastes. The essential reduction of water bleeding and high stability of cement paste were achieved with MWCNT modification. In addition to the rheological tests, the calorimetry, setting time, structure formation investigation of the cement-based materials with MWCNT and different Pl were undertaken. The addition of MWCNT caused the acceleration of the Portland cement hydration, increase in total emitted heat and changes in the morphology of the cement hydration products. The dissertation is сomposed of an introduction, three chapters (literature survey, experimental methodology, and discussion of the results), general conclusions, lists of references, sources, and author's publications on the subject of the dissertation, summary in Lithuanian and seven annexes. The author has published 12 articles on the topic of the dissertation (two of them in the journals with the citation index referred by the Clarivate Analytics Web of Science).

Šio darbo tikslas – ištirti daugiasluoksnių anglies nanovamzdelių (MWCNT) suspensijos kartu su plastifikuojančiomis įmaišomis (Pl) poveikį mišinių su cementiniais rišikliais reologinėms ir technologinėms savybėms. Taip pat ištirtas tokių mišinių hidratacijos procesas, mikrostruktūra ir savybės. Tyrimo metu buvo naudojami skirtingi Pl tipai, tokie kaip lignosulfonatas (LS), sulfonintas naftaleno formaldehidas (NF) ir polikarboksilato eteris (PCE). MWCNT homogenizavimui vandeninėje suspensijoje buvo panaudotas ultragarsinis metodas. Nustatyta, kad PCE įvedimas padidina vidutinį dalelių skersmenį suspensijoje dėl tarpmolekulinės sąveikos tarp karboksimetilceliuliozės (CMC) karboksilo grupių, esančių ant MWCNT paviršiaus, ir PCE karboksilato grupių, dėl ko formuojasi vandenilinės jungtys. Cemento tešlų, modifikuotų MWCNT suspensija su skirtingais Pl, reologinės savybės išbandytos rotaciniu reometru su koaksialiniais cilindrais 5, 60, 120 min po cemento tešlos sumaišymo. Pagal gautus eksperimentinius rezultatus buvo nustatyti cemento tešlų šlyties įtempiai, plastinis klampis ir tiksotropiškumo/ dilatantiškumo rodikliai naudojant Hershel-Bulkley reologinį modelį. MWCNT kiekio padidinimas nuo 0 iki 0,24% cemento masės sukelia cementinių tešlų reologinių savybių pokyčius. Modifikuojant cemento tešlą MWCNT suspensija buvo pasiektas žynus vandens atsiskyrimo sumažėjimas ir didelis cemento tešlos stabilumas. Be reologinių bandymų, buvo atliktas cementinių mišinių, modifikuotų MWCNT ir skirtingais Pl, kalorimetrijos, rišimosi terminų, struktūros formavimosi tyrimai. MWCNT priedas pagreitina portlandcemenčio hidrataciją, padidina hidratacinės šilumos kiekį ir pakeičia cemento hidratacijos produktų morfologiją. Disertaciją sudaro įvadas, trys skyriai (literatūros apžvalga, eksperimentinė metodika ir rezultatų aptarimas), bendrosios išvados, literatūros šaltinių sąrašas, autoriaus paskelbtų disertacijos tema publikacijų sąrašas, santrauka lietuvių kalba ir septyni priedai. Autorė paskelbė 12 straipsnių disertacijos tema (du iš jų, žurnaluose su citavimo indeksu Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazių žurnaluose).