Stress sensing technology utilizing the piezoelectric characteristics of carbon nanotube-mixed concrete

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K04345
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 23010:Building structures and materials-related
• Research Institution: Ritsumeikan University
• Principal Investigator: FUKUYAMA Tomoko 立命館大学, 理工学部, 准教授 (60587947)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 圧電効果 / カーボンナノチューブ / ひび割れ / 乾燥収縮 / インピーダンス / パーコレーション閾値

Outline of Final Research Achievements

Using cement-based materials mixed with carbon nanotubes (CNTCM) holds promise for maintainance of infrastructures. This study aims to employ CNTCM as a piezoelectric sensor, with objectives including (1) determining the optimal CNT amount to maximize the conductivity of cement paste, and (2) elucidating the piezoelectric mechanism. Our experimental results indicate that impedance decreases as CNT content increases, confirming the existence of a percolation threshold. Additionally, increased CNT content was associated with more significant drying shrinkage. Analysis of the piezoelectric properties indicated a correlation between compressive strain variations and voltage fluctuations. Notably, voltage spikes during crack formation suggest that fracture charge generation contributes to voltage waves.

Free Research Field

建築材料

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究は，カーボンナノチューブ混和セメント系材料（CNTCM）への適用における圧電効果と導電特性のメカニズムを解明し，CNTの適切な混和量を特定することを目的としている。本研究の成果により，CNTCMの圧電センサとしての利用可能性を評価し，応力や力学的性能に関するセンサ性能の向上をはかることができる。
また，建築および土木分野におけるCNTCMの実用化を大きく進展させる可能性があり，CNTを利用したコンクリートのひび割れ低減や強度増進，構造物の自己診断および交通モニタリングのセンサとしての利用が期待される。これにより，インフラの長寿命化，安全性の向上，維持管理コストの削減の可能性が考えられる。