The carbon nanotube (CNT)-embedded cementitious composites have gained attention due to their high electrical conductivity. These conductive cementitious composites undergo fractional changes in the electrical resistance (FCR) under the effect of external loadings, thus can be used as piezoresistive strain/stress sensors. In the present study, a micromechanics-based model is developed to predict the lectrical characteristics and piezoresistive sensing performances of the CNT-embedded cementitious composites considering the waviness and agglomeration effects. To simulate the electrical conductivity of CNT-embedded cementitious composites, the Eshelby-Mori-Tanaka approach is adopted. Here, the effective CNT length is modified using a waviness co-efficient and a two-parameter agglomeration model is employed to capture the dispersion state in the proposed model. A series of numerical analysis is performed, and it shows that the proposed model is sensitive to the CNT aspect ratio, interfacial resistivity and dispersion parameters. The experimental value of waviness degree is estimated using image processing tools on SEM micrographs. In addition, the dispersion parameters are optimized using a particle swarm optimization algorithm that follows an adaptive iteration mechanism. The variations in FCR under external loadings are estimated with effects of strain/stress-induced mechanisms; re-orientation of CNTs and changes in CNT volume fraction, separation distance and percolation threshold. The predicted simulation results are compared with the experimental findings, and both are found to be in close agreement. The fabricated cementitious composites are also tested under compressive loadings to evaluate their piezoresistive sensing performances in both elastic and plastic regions.
탄소 나노 튜브 (CNT)가 혼입 된 시멘트계 복합체는 높은 전기 전도도로 인해 주목을 받고 있다. 이러한 전도성 시멘트계 복합체는 외부에서 인가하는 하중에 따라 전기적 특성이 변화하는 성질이 있으며, 이러한 특성을 이용하여 압저항기반의 변위/응력 센서로 활용할 수 있다. 본 연구에서는 CNT의 특성 및 응집현상이 고려된 CNT 혼입 시멘트계 복합체의 전기적 특성과 압저항 센싱 성능 예측을 위한 미세역학 기반 모델을 개발되었다. CNT 혼입 시멘트계 복합체의 전기적 특성 분석을위해서는 Eshelby-Mori-Tanaka 기반의 접근법이 사용되었다. 또한, 유효 CNT 길이는 파상 계수를 사용하여 수정되었고, 제안된 모델에서 CNT의 분산도를 평가하기위해 2가지 변수의 응집 모델이 사용되었다. 일련의 수치해석이 수행되었고, 제안 된 모델은 CNT 종횡비, 계면 비저항 및 분산 매개 변수에 민감한 영향을 받음을 확인되었다. CNT의 waviness 값은 주사전자현미경 분석을 통해 얻은 사진에서 이미지 처리 기법을 통해 확보되었다. 또한, 분산 매개 변수는 반복 메커니즘과 최적화 알고리즘을 통해 최적화되었다. 외부의 하중 재하에서 압저항 센성 성능 변화는 변형/응력으로 인한 CNT의 분포 변화, 부피 변화, 사이 간격 변화 및 침투 임계 값의 변화 등의 영향으로 추정되었다. 예측 된 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 비교되며 둘 다 밀접하게 일치하는 것으로 나타났다. 제작 된 시멘트계 복합체의 압저항 센승 성능은 탄성 및 플라스틱 영역 모두에서 평가되었다.
