Effect of Carbon Nanotubes (CNTs) aspect ratio on the rheology, thermal conductivity and mechanical performance of Portland cement paste

Abstract

Abstract: Carbon nanotubes (CNTs) are potential candidates to enhance the heat balance of concrete, reducing internal stresses caused by differential heating in massive concrete elements. The higher the aspect ratio (AR) and content of CNTs, the greater the expected thermal conductivity (TC). However, high AR may impair the proper dispersion of CNTs in cementitious matrix, potentially harming the workability and mechanical strength of the composite. This work evaluated the effect of the AR (35, 250, 900, and 3500) and content (0.05% and 0.10%) of CNTs on the TC, rheology (squeeze flow), and mechanical strength of cement paste. Results showed that 0.05% CNT increased the TC of paste by up to 15% for AR of 250, but further increasing AR progressively reduced the TC of the composite. In turn, 0.10% CNT incorporation did not result in significant TC gains. The yield stress and viscosity of the mixes progressively increased as CNTs content and AR increased, by up to 119% compared with plain cement paste. No significant differences were observed in 28-day compressive strength with 0.05% CNT incorporation, while 0.10% CNT led to slight strength reductions for some mixes. Regarding flexural strength, 0.05% incorporation of either CNT decreased the strength of the mixes while 0.10% incorporation generally compensated this reduction, except for the lowest aspect ratio. Overall, CNTs with intermediate AR (around 250) was effective in improving the thermal conductivity of cement paste, increasing it by 15% with relatively low content (0.05%) while did not significantly impair the fresh and mechanical performance of the composite.Resumo Nanotubos de carbono (NTCs) são potenciais candidatos a melhorar o balanço térmico do concreto, reduzindo as tensões internas causadas pelo aquecimento diferencial em elementos maciços de concreto. Quanto maior a relação de aspecto (RA) e o teor de NTCs, maior será a condutividade térmica (CT) esperada. Porém, uma RA elevada pode prejudicar a dispersão adequada do NTCs na matriz cimentícia, potencialmente prejudicando a trabalhabilidade e resistência mecânica do compósito. Este estudo avaliou o efeito do RA (35, 250, 900 e 3500) e teor (0,05% e 0,10%) de NTCs na CT, reologia (squeeze flow) e resistência mecânica das pastas de cimento. Os resultados mostraram que a incorporação de 0,05% NTC aumentou a CT da pasta em até 15% para uma RA de 250, mas o aumento da RA reduziu progressivamente a CT do compósito. Por sua vez, a incorporação de 0,10% NTC não resultou em ganhos significativos de CT. A tensão de escoamento e a viscosidade das misturas aumentaram progressivamente com o aumento do teor de NTC e da RA, em até 119% em comparação com a pasta de cimento sem NTCs. Nenhuma diferença significativa foi observada na resistência à compressão de 28 dias com incorporação de 0,05% NTCs, enquanto 0,10% NTCs levou a pequenas reduções de resistência para algumas misturas. Em relação à resistência à flexão, a incorporação de 0,05% de qualquer um dos NTCs diminuiu a resistência das misturas, enquanto a incorporação de 0,10% geralmente compensou essa redução, exceto pela RA mais baixa. No geral, os NTCs com RA intermediária (~250) foram eficazes em melhorar a condutividade térmica da pasta de cimento, aumentando-a em 15% com teor relativamente baixo (0,05%), enquanto não prejudicou significativamente o desempenho fresco e mecânico do compósito.