Development of multiscale cementitious composite using micro crystalline cellulose and multi-wall carbon nanotubes as reinforcement

Abstract

Nanomaterials are attracting substantial interest from the construction industry in the last decades. Due to their remarkable mechanical properties, various nanomaterials are now being investigated as effective reinforcements of cementitious composites. Many types of nano and micro materials are under study to improve the cementitious matrices. However, the commercialization of such new composites is still infeasible due to the challenges that face those materials, especially dispersion difficulties. This thesis goal was to improve the mechanical properties of cementitious materials using both Multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) and Microcrystalline cellulose (MCC) as a multiscale reinforcement system. The crucial challenge in such procedures is to achieve good dispersion. Thus, unconventional dispersion technique was utilized by combining physical (mechanical stirring and ultrasonication) and Chemical (using Pluronic F-127 and CTAB as surfactants) techniques of dispersion. Also, the optimal surfactant concentrations with respect to MCC and MWCNT concentration were experimentally explored. The results demonstrated that the incorporation of MWCNTs and MCCs positively enhanced the microstructure and the mechanical properties of the cementitious composite. Among the best results, we achieved 26% and 13% improvement in the compressive strength compared to the plain mortar using 0.2% MCC and 0.1% MWCNT with an optimum concentration of CTAB. While we reached 13% improvement in the compressive strength and 14% in the flexural strength using 0.2%MCC and 0.1%MWCNT with Pluronic F-127 as a dispersion agent. This research investigates the probable mechanical improvement of MCC-MWCNT multiscale composites.

Os nanomateriais têm atraído atenção substancial da indústria da construção nas últimas décadas. Devido às suas excecionais propriedades mecânicas, vários nanomateriais estão atualmente a ser investigados como reforços efetivos de compositos cimentícios. Muitos nano e micro materiais estão sob investigação para reforço de matrizes cimentícias. No entanto, a comercialização desses compositos inovadores em larga escala não é ainda possível, devido aos diversos desafios associados, por exemplo, à sua dispersão. O objetivo deste trabalho foi melhorar o desempenho mecânico de materiais cimentícios utilizando nanotubos de carbon e cellulose microcritalina, como sistema de reforço à multiescala. O desafio mais importante, neste caso, é conseguir uma boa dispersão. Assim, utilizou-se técnicas de dispersão não-convencionais combinando métodos físicos (agitação mecânica e ultrasons) e químicos (usando Pluronic F-127 e CTAB como dispersantes). Também as concentrações de dispersantes em relação às dos MCC e MWCNT forma experimentalmente estudadas. Os resultados demonstram que a incorporação de MWCNT e MCC melhoram a microestrutura e as propriedades mecânicas dos compósitos cimentícios. De entre os melhores resultados, conseguiram-se melhorias de 26% e 13% na resistência à compressão, relativamente à argamassa de referência, adicionando 0,2% de MCC e 0,1% de MWCNT, com uma concentração ótima de CTAB. Da mesma forma, conseguiram-se aumentos de 13% de resistência à compressão e de 14% na resistência à flexão, utilizando 0.2% de MCC e 0.1% de MWCNT com Pluronic F-127.