The Properties of Cement Paste Incorporating Chemically Functionalized Multi-Walled Carbon Nanotubes Dispersed by Polycarboxylate Ester

Abstract

시멘트질 재료에 다중벽탄소나노튜브(MWCNT)를 활용하기 위해서는 MWCNT가 수용액에 적절히 분산될 뿐만 아니라 시멘트 매트릭스와 MWCNT 사이의 강한 결합을 보장해야 MWCNT의 보강 효과를 극대화할 수 있다. 본질적으로 소수성인 MWCNT의 분산성을 향상시키는 방법 중 하나는 공유 화학 기능화입니다. 이 연구에서 MWCNT는 HNO3-H2SO4와 TEOS(tetraethyl orthosilicate)의 혼합물을 사용하여 기능화되어 MWCNT 구조에 각각 카르복실 및 실리카 기능기를 부착했습니다. 이러한 기능 그룹은 시멘트 페이스트의 성능을 향상시키는 시멘트 수화 제품에 MWCNT를 직접 연결할 수 있습니다. MWCNT는 시멘트질 복합재료를 만드는 데 활용되었기 때문에 건설 산업에서 일반적으로 사용되는 폴리카르복실레이트 에스테르(PCE)가 MWCNT의 분산제로 선택되었습니다. 실험 결과에 따르면, 시멘트 페이스트의 기계적 강도는 0.1wt.%의 산 전처리 실리카 기능화 MWCNT를 첨가하여 40MPa에서 68MPa로 증가하여 70% 향상되었습니다. 시멘트 페이스트의 유변학적 특성은 기능화된 MWCNT를 첨가함에 따라 감소하였다. PCE는 MWCNT에 카르복실 작용기의 존재로 인해 MWCNT에 흡착되지 않았으며 흡착되지 않은 PCE의 양은 시멘트 페이스트의 흐름을 촉진했습니다. MWCNT의 실리카 작용기는 시멘트 페이스트의 유동성을 추가로 개선하는 것으로 밝혀졌습니다. 시멘트 페이스트의 수화는 MWCNT 용액에 흡착되지 않은 PCE의 존재로 인해 지연된 반면, 실리카 작용기는 동일한 양의 PCE를 가진 초기 MWCNT의 경우와 비교하여 약간의 수화 촉진에 기여했습니다. 시멘트 페이스트의 공극률은 MWCNT와 PCE 모두의 존재에 따라 달라지는 것으로 보이며, 여기서 MWCNT는 수화 생성물을 가교하고 시멘트 매트릭스와 비흡착 PCE 연행 공기를 조밀화합니다. 기능화된 MWCNT와 PCE의 결합 효과는 시멘트 페이스트의 성능에 대한 PCE의 부정적인 영향을 방지하기 위해 MWCNT 분산을 위한 PCE의 양이 최소화/최적화되어야 한다는 결론을 이끌어 냈습니다.|The utilization of multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) in cementitious materials requires proper dispersion of MWCNT in aqueous solutions as well as ensuring a strong bond between cement matrix and MWCNT, which in turn will maximize the reinforcing effect of MWCNT. One of the methods to improve the dispersibility of intrinsically hydrophobic MWCNT is covalent chemical functionalization. In this study, MWCNT were functionalized using a mix of HNO3-H2SO4 and tetraethyl orthosilicate (TEOS) to attach carboxyl and silica functional groups onto MWCNT structure, respectively. These functional groups can provide the direct linkage of MWCNT to cement hydration products which enhances the performance of the cement paste. Since MWCNT was utilized to make cementitious composite, polycarboxylate ester (PCE), which is commonly used in construction industry, was chosen as a dispersing agent for MWCNT. According to the experimental results, the mechanical strength of the cement paste increased from 40 MPa to 68 MPa with the addition of 0.1 wt.% acid-pretreated silica functionalized MWCNT, resulting in a 70% improvement. The rheological properties of cement paste decreased with the addition of functionalized MWCNT. PCE was unadsorbed to MWCNT due to presence of carboxyl functional groups on MWCNT, and the unadsorbed amount of PCE facilitated the flow of the cement paste. Silica functional groups on MWCNT were found to additionally improve the flowability of cement paste. Hydration of cement paste was retarded due to the presence of unadsorbed PCE in the MWCNT solutions, whereas silica functional groups contributed to slight acceleration of the hydration compared to the case with pristine MWCNT with the same amount of PCE. The porosity of the cement paste seemed to depend on presence of both MWCNT and PCE, where MWCNT cross-linked the hydration products and densified the cement matrix and unadsorbed PCE entrained air. Such combined effects from functionalized MWCNT with PCE led to a conclusion that the amount of PCE for dispersion of MWCNT needs to be minimized/optimized to prevent negative impact caused by PCE on the performance of cement paste.