Nanotubes de carbone intégrés multifonctionnels smart concrete :vers des systèmes d'enveloppe de bâtiment énergétique

Multifunctional Smart Concrete Integrated Carbon Nanotubes:toward energy building envelope systems

• Auteur / Autrice : Xiaohui Jia
• Direction : Olivier Ple, Anna Lushnikova
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences Pour l'Ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2022
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Ingénierie Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LabOratoire proCédés énergIe bâtimEnt

Mots clés

Mots clés libres

Développement durable

Énergie renouvelable

Systèmes d'enveloppe du bâtiment

Nanotubes de carbone

Sustainable development

Renewable energy

Building envelope systems

Carbon Nanotubes

Résumé

La nanomodification du ciment composite est un domaine en pleine évolution. La synthèse de diverses nouvelles structures à l'échelle nanométrique a permis leur utilisation dans différents composites comme additif direct dans la matrice cimentaire. En raison des caractéristiques remarquables des nanotubes de carbone (NTC) telles que les propriétés mécaniques, électriques et thermiques, il est possible de les utiliser dans différents domaines des matériaux de génie civil. De nombreux scientifiques travaillent sur ces technologies pour créer des matériaux plus résistants en analysant les propriétés mécaniques des matrices cimentaires modifiées avec les nanotubes de carbone. Mais aujourd'hui un béton n'est pas seulement un matériau de construction mécaniquement résistant, le béton devient aujourd'hui adaptatif et évolutif. Le « béton intelligent multifonctionnel » est un béton dont les fonctions sont inscrites dans le matériau et utilisé, par exemple, dans le domaine des systèmes d'enveloppe énergétique des bâtiments. Par conséquent, l'objectif principal de la thèse proposée est de développer un béton contenant des nanotubes pouvant être un béton multifonctionnel notamment dans la production d'énergie. Cela signifie que les NTC dans la matrice cimentaire permettent d'agir comme un capteur ou un accumulateur d'énergie. Des études antérieures ont montré que les nanotubes de carbone intégrés dans le mélange de ciment modifient les constantes piézoélectriques de la matrice d'origine. Au cours de la première partie de la recherche de thèse, la simulation moléculaire dynamique sera appliquée pour vérifier quel type de nanotubes de carbone (mono-parois ou multi-parois) convient le mieux à notre objectif. Dans la deuxième partie, le béton sera reproduit numériquement en se basant sur le modèle de dynamique moléculaire. Enfin, une partie de construction d'un bâtiment (typiquement un système d'enveloppe de bâtiment) préparée avec ce matériau sera testée afin de vérifier la fiabilité et les performances de ce système pour la production d'énergie.

Nanomodification of cement composite is a fast-evolving field. Synthesis of various new structures at the nanoscale enabled their using in different composites as direct additive into the matrix of the composite as well as provided the creation of the novel superplasticizers with nanoparticles for modification of the composites. Because of the remarkable characteristics of carbon nanotubes (CNTs) such as mechanical, electrical and thermal properties [1-4], it is possible to used them in different fields of civil engineering materials. CNT nanotubes are widely used composite materials that are founded on divers matrices [5-10]. A lot of scientists put to the test to create stronger material analyzing the mechanical properties of the cementitious matrices modified with the carbon nanotubes [11-14]. But nowadays a concrete is not only mechanically strong construction material, presently concrete becoming adaptive and evolutionary. 'Multifunctional Smart concrete' is a concrete whose functions are inscribed in the material and used, for example, in the field of energy building envelope systems. Therefore, the main purpose of the proposed thesis is to develop concrete containing nanotubes which are able to be a multifunctional concrete in particular in production of energy. It means that CNT into the cement matrix allow acting as a sensor or an accumulator of energy. Previous studies [15, 16] have shown that embedded carbon nanotubes into cement mixture change the piezoelectric constants of the original cement matrix. Besides, add in concrete can return an active energy material – like a “concrete-battery”. During the first part of thesis research the dynamic molecular simulation will be applying for verify which type of carbon nanotubes (single-walled or multi-walled) is better for our purpose. In the second part, the concrete will be reproduced experimentally basing on the molecular dynamics model. Finally, a construction part of a building (typically a building envelope system) prepared with this material will be tested to verify the reliability and performance of this system for the production of renewable energy.