The Structure of Cement Materials by the Method of Nanoindentation

The parameters of the nanoindentation method were selected to ensure the final consistent results were obtained. These results are presented by histograms of the distribution of nanoindentation points by elasticity and hardness moduli and distributions by these characteristics in the horizontal XY plane perpendicular to the movement of the nanoindenter. It was revealed that the elastic modulus increases in samples that contain a complex additive containing nano-sized particles. The effect is also observed when introducing an additive containing only one type of nanoparticles (hydrothermal SiO 2 nanoparticles or multiwalled carbon nanotubes MWCNTs. Studies of cement stone samples at W/C = 0,21 and the content of SiO2 in the combined additive is 0,000006 wt. % and MWCNT 0,00004 wt. % for cement showed that the effect of nanoparticles on the structure of the CSH gel becomes more pronounced, because the volume fraction of the LD phase of the CSH gel with a low packing density of nanograins becomes significantly lower than the fraction of the HD phase with an increased hexagonal packing density of granules. The results obtained indicate that there is a change in the nanostructure of the C −S −H gel, which is compared with an increase in strength, Young's and shear moduli with the introduction of SiO 2 nanoparticles and MWCNT nanoparticles. Using the nanoindentation method, it becomes possible to explain the nanogranular nature of the CSH gel, which is characteristic and determined by the contact forces of the CSH gel particles for these phases

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ДОБАВОК НА МЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ЦЕМЕНТНЫХ БЛОКОВ

The influence of adding carbon nanomaterials (CNM) to a cement stone on mechanical properties of the latter has been studied. Two test methods have been applied: nanoindentation and ultrasonic testing. Results obtained show that there is some uncertainness on influence of CNM on mechanical properties of cement stone due to deviation of measurements. Изучено влияние углеродных наноматериалов (УНМ) на механическое поведение цементных блоков. Для изучения применялись два метода: наноиндентирование и ультразвуковая дефектоскопия. Полученные результаты показывают, что имеется некоторая неопределенность во влиянии УНМ на механические свойства цементных блоков вследствие некоторых отклонений в измерениях

НАНОТЕСТЫ БЕТОННЫХ ОБРАЗЦОВ С НАНОТРУБКАМИ И БЕЗ НИХ

The concrete samples originate from fracture mechanics tests performed on February 19, 2012, at the Department of Geo-Engineering and Building Materials of the Izhevsk State Technical University.After the fracture mechanics tests three types of small specimens (marked with CNT, C3 and control sample) have been prepared and tested by means of Nano-Indentation (NI) and Atomic Force Microscopy (AFM), at the Institute for Mechanics of Materials and Structures and Institute of Automation and Control, respectively, of Vienna University of Technology.Бетонные образцы были получены в результате испытаний методами механики разрушения, проводимых 19 февраля 2012 г. на кафедре «Геотехника и строительные материалы» Ижевского государственного технического университета.После испытаний методами механики разрушения три типа небольших образцов (обозначенные как CNT, C3 и контрольный образец) были подготовлены и прошли тестирование с применением наноиндентирования и атомно-силовой микроскопии соответственно в Институте механики материалов и конструкций и Институте автоматики и процессов управления Венского технического университета

ВЛИЯНИЕ МНОГОСЛОЙНЫХ НАНОТРУБОК НА РАЗРЫВНУЮ ПРОЧНОСТЬ

Experimental research results of the stress intensity factor at normal separation, КIC, and cross-section shift, KIIC, respectively, of high-strength concrete are presented. Research on the specific power changing inputs on quasi-static destruction is carried out.The compact structure on the basis of the Portland cement modified with carbon nanodispersed systems has been studied. Carbon nanotubes Graphistrength by «Arkema» dispersed into the hydrodynamic plant in the solution of surface-active agent (SAA) Polyplast SP-1 are used as modifying additives. An increase of the cross-breaking strength of a fine grain concrete up to 45,1 % and of the compressing strength up to 96,8 % was observed. The increase of concrete strength is related to morphological changes of new crystalline hydrate formations providing a less defective structure of cement matrix with high density. Представлены результаты экспериментальных исследований коэффициентов интенсивности напряжений при нормальном отрыве КIC и поперечном сдвиге КIICвысокопрочного бетона. Проведены исследования изменения удельных энергозатрат на квазистатическое разрушение.Изучена структура бетона на основе портландцемента, модифицированного с помощью углеродных нанодисперсных систем. В качестве модификаторов используются углеродные нанотрубки Graphistrength фирмы Arkema, которые диспергировались в гидродинамической установке с раствором поверхностно-активного компонента «Полипласт СП-1». В ходе исследований наблюдалось увеличение прочности на изгиб мелкозернистого бетона до 45,1 %, прочности на сжатие – до 96,8 %. Увеличение прочности бетона связано с морфологическими изменениями, происходящими в новых  образованиях кристаллогидратов, которые характеризуются менее дефектной структурой бетонной матрицы с высокой плотностью.

СТРУКТУРНАЯ МОДИФИКАЦИЯ НОВООБРАЗОВАНИЙ В ЦЕМЕНТНОЙ МАТРИЦЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИСПЕРСИИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И НАНОКРЕМНЕЗЕМА

Complex nanodispersed systems with multi-walled carbon nanotubes and nanodispersed silica have a significant impact on the processes of hydration, hardening and strength gain of construction composites predetermining their durability. While using a scanning electron microscope with an attachment for X-ray microanalysis and a device for infrared spectral analysis investigations have shown that the main effect of the cement matrix modification in the case of adding complex nanodispersed systems is provided by direct influence of hydration processes with subsequent crystallization of new formations. It has been noted that while adding carbon nanotube dispersion and nanosized silica a binding matrix is structured in the form of an extremely dense shell from crystalline hydrate new formations on the surface of solid phases that provides strong binding matrix in cement concrete. The addition effect of carbon nanotubes has been analyzed and quantitatively assessed through an investigation for every case of one sample with nanotubes and one sample without them with the help of a nanoindenter and scanning electron microscope. It is necessary to solve rather complicated challenging task in order to assess quantitatively the addition effect of CNT on material characteristics at a micromechanical level. At the same time it is possible to investigate surface of a concrete sample with one-micron resolution. In this case it is necessary to prepare samples for nanoindentation with exclusion of all CNT defectable effects that have been shown by a SEM. So in this case more adequate method for assessment must be a picoindenter , which combines a test method for nanoindentation with an optical SEM potential. Such equipment is in the stage of in-situ testing process at the Vienna University of Technology. The investigation is based on the fact that the main modification effect of mineral binding matrix while using incorporated complex nanodispersed systems and nanosilica is ensured by a direct influence of hydration processes and subsequent crystallization of new formations. Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis with detection in IR spectra have revealed that adding of multi-walled carbon nanotubes dispersion together with nanodispersed silica provides structuring of rather dense shell of hydrated new formations along cement matrix on the surface of solid phase. The structured interfacial layers form separate cells in the modified cement matrix that ensures a formation of extremely filled system and predetermines structural strengthening of the modified cement matrix due to formation of spatial packaging. Consequently, the main factor increasing characteristics of cement concrete which is modified with carbon nanotubes and nanosilica is a structural modification of calcium hydrosilicates with relation to composition and morphology of new formations.Комплексные нанодисперсные системы с многослойными углеродными нанотрубками и нанокремнеземом имеют значительное влияние на процессы гидратации, твердения, набора прочности строительных композитов, предопределяя их долговечность. Исследования с использованием сканирующего электронного микроскопа и Х-лучевого микроанализа с обнаружением в инфракрасном спектре показали, что главный эффект модификации в случае добавления комплексных нанодисперсных систем обеспечивается направленным влиянием процессов гидратации с последующей кристаллизацией новообразований. Установлено, что при добавлении дисперсии углеродных нанотрубок и нанокремнезема формируется структурная матрица в виде чрезвычайно плотной оболочки из кристаллогидратных новообразований на поверхности твердой фазы, что обеспечивает прочную вяжущую матрицу в цементном бетоне. Эффект добавления углеродных нанотрубок анализировался и количественно оценивался исследованием в каждом случае одного образца с нанотрубками и одного без них с помощью наноиндентора и сканирующего электронного микроскопа. Чтобы количественно оценить эффект добавки углеродных нанотрубок на характеристики материала на микромеханическом уровне, необходимо решить сложную задачу. В то же время возможно исследовать поверхность бетонного образца с разрешением в 1 микрон. При этом необходима подготовка образцов для наноиндентирования с исключением всех эффектов дефектности углеродных нанотрубок, показанных сканирующим электронным микроскопом. Вместе с тем, более адекватным методом оценивания в данном случае должен быть пикоиндентор, который комбинирует испытательный метод наноиндентирования с оптическим потенциалом сканирующего микроскопа. Такое оборудование находится в стадии полевых испытаний в Венском техническом университете. Исследование основано на том, что главный эффект модифицирования минеральной вяжущей матрицы с использованием включенных комплексных нанодисперсных систем и нанокремнезема обеспечивается непосредственным влиянием процессов гидратации и последующей кристаллизацией новообразований. Сканирующий электронный микроскоп и Х-лучевой микроанализ с обнаружением в инфракрасном спектре показали, что введение дисперсии многослойных углеродных нанотрубок совместно с нанокремнеземом обеспечивает построение вдоль цементной матрицы очень плотной оболочки вновь образованных гидратов на поверхности твердой фазы. Структурированные поверхностные слои формируют отдельные ячейки в модифицированной цементной матрице, что обеспечивает формирование предельно наполненной системы и предопределяет структуры модифицированной цементной матрицы благодаря формированию пространственной упаковки. Следовательно, основным фактором, повышающим характеристики цементного бетона, модифицированного углеродными нанотрубками и нанокремнеземом, является структурная модификация гидросиликатов кальция относительно композиции и морфологии новообразований

approach

Static stability of thin-walled structures is significantly influenced by random imperfection in their geometric form. The problem should be considered on the level of stochastic approach. Consequently, stochastic version of the FEM should be taken into account. Subsequent solution methods presented in literature are limited as a rule to the first approximation only. It leads to results being more or less in a contradistinction with the energy equilibrium law and with the fact, that the PDF of the response is non-Gaussian and non-symmetric. It seems in general that solution methods based on principles of decomposition into stochastic moments, cumulants and other series are not convenient to solve this problem. The stochastic simulation reveals also non-realistic when taking into account a number of unknown components of the displacement vector. A compromising procedure being based on an application of the Bayes Theorem seems to be promising. Various versions of this approach related with incremental method, arc length method, etc. can be set up. The basic form being based on the incremental method driven by the Bayes algorithm is presented in this paper. Using incremental method combined with Bayes formula, the PDF of node displacements in each loading step can be computed with prescribed accuracy comparing prior and posterior PDF of the response in a particular loading step. Because the posterio

Asymptotic tracking with funnel control

Funnel control is a strikingly simple control technique to ensure model free practical tracking for quite general nonlinear systems. It has its origin in the adaptive control theory, in particular, it is based on the principle of high gain feedback control. The key idea of funnel control is to chose the feedback gain large when the tracking error approaches the prespecified error tolerance (the funnel boundary). It was long believed that it is a theoretical limitation of funnel control not being able to achieve asymptotic tracking, however, in this contribution it will be shown that this is not the case

Structural design of Cross Laminated Timber (CLT) by advanced plate theories

Cross Laminated Timber enjoys great popularity in structural engineering and is one of the upcoming building materials in the timber construction sector. To support the favorable development of this high-performance wood product and to strengthen its competitiveness towards other mass building materials, the mechanical behavior and its implications for the structural design are addressed here. From the mechanical point of view CLT is a multilayer, highly anisotropic and shear compliant laminated composite. Owing to the analytical solutions for laminated composites and sandwich plates, the actual deformation behavior of CLT will be presented, and the accuracy and computational efficiency of common and advanced plate theories will be demonstrated. Comprehending the effects of laminate lay-up, anisotropic material behavior and cross-sectional warping will lead to an enhanced understanding of its mechanical behavior and will contribute to trustworthy deformation and stress prognoses as well as to reliable structural design