ارزیابی آزمایشگاهی رفتار پیزومقاومتی کامپوزیت‌های سیمانی خودحسگر حاوی نانولوله کربنی و مقایسه مولکولی SDS، SDBS، CMC و CTAB

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد دانشکده عمران دانشگاه خواجه نصیر

2 دانشیار گروه عمران دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه خوارزمی

3 دانشجوی دکتری گروه عمران دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه خوارزمی

10.22124/jcr.2026.33834.1744

چکیده

نانولوله‌های کربنی به دلیل هدایت الکتریکی بالا، نسبت طول به قطر زیاد و خواص مکانیکی ممتاز، از مهم‌ترین افزودنی‌های مورد استفاده در بتن‌های خودحسگر به شمار می‌روند. با این حال، تمایل زیاد این نانومواد به تجمع و کلوخه‌شدن در اثر نیروهای جاذبه واندروالسی، یکی از مهم‌ترین موانع دستیابی به عملکرد مطلوب الکتریکی و پیزومقاومتی در کامپوزیت‌های سیمانی حاوی نانولوله‌های کربنی است. استفاده از سورفکتانت‌ها به عنوان یکی از متداول‌ترین روش‌های پراکنده‌سازی، نقش مهمی در بهبود توزیع نانولوله‌ها و افزایش کارایی آن‌ها در محیط سیمانی ایفا می‌کند .در این پژوهش، رفتار آزمایشگاهی کامپوزیت‌های سیمانی خودحسگر حاوی نانولوله کربنی بررسی شد و در ادامه، چهار سورفکتانت پرکاربرد شامل سدیم دودسیل سولفات (SDS)، سدیم دودسیل بنزن سولفونات (SDBS)، کربوکسی‌متیل سلولز (CMC) و ستیل‌تری‌متیل‌آمونیوم برمید (CTAB) از دیدگاه مولکولی و مکانیسمی مورد مقایسه قرار گرفتند. برای این منظور، مدل‌های مولکولی نانولوله کربنی و سورفکتانت‌ها توسعه داده شد و برهم‌کنش آن‌ها با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی تحلیل گردید. انرژی برهم‌کنش، نحوه آرایش مولکول‌ها بر سطح نانولوله و پایداری ساختارهای تشکیل‌شده به‌عنوان معیارهای ارزیابی در نظر گرفته شدند. نتایج نشان داد که CMC در شرایط بررسی‌شده، به دلیل آرایش مناسب‌تر در اطراف نانولوله کربنی و ایجاد تماس مؤثرتر با سطح CNT، قابلیت بیشتری برای پایدارسازی نانولوله‌ها نشان می‌دهد. با این حال، عملکرد سورفکتانت‌ها در محیط سیمانی واقعی به مجموعه‌ای از عوامل، از جمله سازگاری با ماتریس سیمانی، اثر هوازایی، مقاومت فشاری، چگالی، پاسخ الکتریکی و پایداری بلندمدت وابسته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Assessment of the Piezoresistive Behavior of Carbon Nanotube–Based Self-Sensing Cementitious Composites and Molecular Comparison of SDS, SDBS, CMC, and CTAB

نویسندگان [English]

  • Seyed Mahdi Ardestani 1
  • Seyed Hossein Hosseini Lavassani 2
  • Mohammad Hassani 3
1 Master's student, Faculty of Civil Engineering,K. N. Toosi University of Technology
2 Associate Professor, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Kharazmi University
3 Ph.D. Student,, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, Kharazmi University
چکیده [English]

Abstract: Carbon nanotubes, owing to their high electrical conductivity, large aspect ratio, and excellent mechanical properties, are among the most important additives used in self-sensing concrete. However, the strong tendency of these nanomaterials to aggregate and form clusters due to van der Waals attractive forces is one of the major obstacles to achieving desirable electri-cal and piezoresistive performance in cementitious composites containing carbon nanotubes. The use of surfactants, as one of the most common dispersion methods, plays an important role in improving the distribution of carbon nanotubes and enhancing their efficiency in cementitious environments. In this study, the experimental behavior of self-sensing cementitious composites containing carbon nanotubes was investigated. Subsequently, four commonly used surfactants, namely sodium dodecyl sulfate (SDS), sodium dodecylbenzene sulfonate (SDBS), carboxyme-thyl cellulose (CMC), and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB), were compared from mo-lecular and mechanistic perspectives. For this purpose, molecular models of carbon nanotubes and surfactants were developed, and their interactions were analyzed using molecular dynamics simulation. Interaction energy, molecular arrangement on the carbon nanotube surface, and the stability of the formed structures were considered as evaluation criteria. The results showed that, under the investigated conditions, CMC exhibited a greater capability for stabilizing carbon nanotubes due to its more favorable arrangement around the carbon nanotube and more effective contact with the CNT surface. However, the performance of surfactants in real cementitious en-vironments depends on a range of factors, including compatibility with the cement matrix, air-entraining effects, compressive strength, density, electrical response, and long-term stability.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Self-sensing concrete
  • Carbon nanotubes (CNTs)
  • Surfactant
  • Sodium dodecyl sulfate (SDS)
  • Carbox-ymethyl cellulose (CMC)
  • Molecular dynamics
  • Adsorption energy