Experimental evaluation of self-sensing cement-based composites with carbon nanofillers for Structural Health Monitoring of fire-damaged structures

Abstract

The deeper understanding of the electrical properties of cement-based materials and the recent knowledge on Nanoscience and Nanotechnology allowed the development of smart pastes, mortars and concretes with intrinsic strain sensing and damage detection properties. Since fire is one of the most severe threats to the structural integrity of concrete elements, the reuse of fire-damaged structures requires an accurate diagnosis of their damage level and residual structural performance. In this work, an experimental evaluation of innovative technologies for Structural Health Monitoring of fire-damaged concrete elements was developed: self-sensing cement-based composites containing multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) or carbon-black nanoparticles (CBN). Microstructure, residual mechanical properties and sensing ability of different composites exposed to temperatures of 200 ºC, 400 ºC and 600 ºC were investigated. The effects of rehydration after fire exposure on these parameters were also studied. Composites with an intrinsic ability to measure strain and detect damage after exposure to temperatures up to 600 ºC were developed. They also exhibited an interesting ability of detection of damage recovery due to the post-fire rehydration. Keywords: Structural Health Monitoring. Nanomodified cementitious materials. Post-fire structural behavior. Self-sensing composites.

O melhor entendimento das propriedades elétricas dos materiais cimentícios e o conhecimento recente em Nanociência e Nanotecnologia possibilitaram o desenvolvimento de pastas, argamassas e concretos inteligentes com propriedades intrínsecas de detecção de danos e medição de deformações. O incêndio consiste em uma das mais severas ameaças à integridade estrutural de elementos de concreto, de modo que a reutilização de estruturas por ele danificadas requer um diagnóstico preciso de seus níveis de dano e da sua performance estrutural residual. Neste trabalho, foi desenvolvida uma avaliação experimental de tecnologias inovadoras para Monitoramento da Integridade Estrutural de elementos de concreto em condição pós-incêndio: compósitos cimentícios auto-sensores produzidos com nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) ou nanopartículas de negro de fumo (CBN). Foram investigadas a microestrutura, as propriedades mecânicas e a habilidade sensorial pós-incêndio de diferentes tipos de compósitos expostos a temperaturas de 200 ºC, 400 ºC e 600 ºC. Os efeitos da reidratação pós-incêndio nesses parâmetros também foram estudados. Foram desenvolvidos compósitos com as habilidades intrínsecas de medição de deformação e detecção de danos em condição pós-incêndios de até 600 ºC. Eles também demonstraram uma interessante habilidade de detecção da recuperação de dano devido ao processo de reidratação pós-incêndio. Palavras-chave: Monitoramento da Integridade Estrutural. Materiais cimentícios nanomodificados. Comportamento estrutural pós-incêndio. Compósitos auto-sensores.