Development of a multifunctional carbon black/cement composite for traffic monitoring

Abstract

As sociedades modernas estão fundadas em sistemas infraestruturais como redes de abastecimento de água, electricidade, comunicação e transporte. Com o aumento da procura global pela eficiência, imposto pelo século XXI, o desempenho esperado das estruturas segue inevitavelmente a mesma tendência. Esta busca de performance tem levado às infraestruturas físicas e à tecnologia digital se fundirem no conceito de “infraestruturas inteligentes”, através de vastas redes de monitorização, aliadas a subsistemas de informação. A disciplina de gestão de tráfego é talvez aquela que mais tem beneficiado destes avanços, com a implementação dos chamados Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS). Avanços recentes na área dos materiais têm permitido o desenvolvimento de materiais de construção “inteligentes”, capazes de desempenhar tarefas autónomas. Os compósitos cimentícios piezoresistivos são um exemplo. Estes podem ser utilizados como sistemas de monitorização, graças às suas propriedades intrínsecas de sensitividade a estímulos mecânicos. A presente dissertação visa fazer a ponte entre o conceito de materiais cimentícios multifuncionais e a disciplina de monitorização de tráfego. Deste modo, um compósito piezoresistivo foi desenvolvido para aplicação em pavimentos, com base na adição de partículas de negro de fumo (CB), com o objectivo de avaliar dados de tráfego em tempo real. Numa primeira abordagem experimental foi determinada uma composição cimentícia sensitiva, concluindo que a incorporação de 7% de CB (em relação à massa de cimento) oferecia a melhor resposta resistiva a estímulos de compressão. Numa segunda campanha experimental, composição, ergonomia dos sensores cimentícios, tipologia de ensaios e sistema de aquisição foram otimizados e adequados, de acordo com a finalidade de monitorização de tráfego. Ciclos de compressão estáticos e dinâmicos demonstraram fatores de sensitividade médios (GF) de 60 e uma excelente resposta linear, não afetada por variações de temperatura, ao contrário da sensitividade piezoresistiva que registou diminuições até 30%. Em resumo, os resultados desta dissertação demonstram que a incorporação de elementos de betão sensitivo com adição de CB à superfície de pavimentos pode vir a constituir uma alternativa às soluções tradicionais de monitorização de tráfego, dado as suas vantagens como: baixo custo, simplicidade de implementação, propriedades estruturais, durabilidade e sensitividade

Today’s society is founded on infrastructure systems such as water, electricity, communication and transport networks. The global efficiency demand of the 21st century is growing rapidly and the expected performance of infrastructures follows the same trend. This pursuit for efficiency has led digital technology and physical urban infrastructures to fuse into the concept of ‘smart infrastructures’, relying on large monitoring networks coupled to information subsystems. Traffic logistics has been one of the fields which has benefited the most of such advances, with the implementation of the so-called Intelligent Transportation Systems (ITS). Over the last years, advances in materials science have enabled the development of a wide range of “smart” construction materials capable of autonomous tasks. An example of these are the piezoresistive cementitious composites, some of which may be used as monitoring systems, thanks to their self-sensing properties. The present dissertation aims to bridge the concept of multifunctional cement-based materials to the traffic monitoring discipline. Here, a stress-sensitive cementitious composite, based on the addition of carbon black (CB) particles, was developed for application in pavement surfaces with a view to perform permanent real-time evaluation of traffic data. In a first experimental approach, a sensitive CB-based cementitious composition was determined and results concluded that mixtures containing 7% of CB by mass of cement offered the most favourable piezoresistive response. In a second experimental campaign, materials, specimens design and measurement setup were reviewed, towards traffic monitoring requirements. Quasi-static and dynamic compressive load cycles showed gauge factors (GF) as high as 60 and a response linearity inaffected by temperature variations, despite registered reductions in sensitivity up to 30%. Taken together, results demonstrated that embedding conductive CB-based concrete elements in pavement surfaces may become a prospective alternative to conventional traffic monitoring solutions given their numerous advantages, including: low-cost, simplicity of implementation, structural properties, durability and good sensitivity.