Molecular Level Simulation of the Behavior of Concrete-Coating Interface under Hot-Humid Conditions. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF PHD_DISSERTATION_201406960_ASHRAF.pdf Restricted to Repository staff only until 2 February 2024. Download (10MB)

Arabic Abstract

تستخدم الطلاءات والمواد اللاصقة على نطاق واسع في صناعة البناء والتشييد. ومع ذلك، فإن السطح البيني بين المادة اللاصقة والخرسانة يعتبر أهم عنصر في نظام الترابط، خاصةً تحت تأثير الظروف البيئية المختلفة. في هذا البحث، أجريت دراسة معمقة لتأثيرالرطوبة والحرارة على قوى الإلتصاق بين الطلاء والخرسانة بإستخدام النمذجة المبتكرة عن طريق المحاكاة الجزيئية (MD)، حيث تم نمذجة الإسمنت بإستخدام مكونه الأساسي (C–S–H)، كما تم استخدام أنواع مختلفة من الطلاء واللواصق وهي الإيبوكسي (bisphenol-A وbisphenol-F) والاكريليك والبولي يوريثين. تم تقييم الخصائص البينية لهذه الأنظمة من خلال قوى الإلتصاق والإنفصال، ونسب الطاقة، ونوع الترابط، والتوزيع الذري القطري (RDF)، ومتوسط الإزاحة (MSD)، وتحليل التركيز، من أجل تقديم فهم معمق للترابط البيني على المستوى الذري. إلى جانب ذلك، تم إجراء اختبار قوى الإلتصاق على عينات من الإيبوكسي الملتصق بالخرسانة من أجل معايرة نتائج النمذجة. أشارت النتائج إلى أن خصائص الإلتصاق السطحي قد تأثرت بشدة بسبب وجود الرطوبة على سطح الخرسانة، حيث وجد في لواصق الإيبوكسي أن الزيادة في إنفصال الترابط ناتج بشكل أساسي من زيادة قوى الإلتصاق بين جزيئات C–S–H وجزيئات الماء عند السطح البيني، حيث تشكل الأخيرة روابط هيدروجينية مع الإسمنت. في المقابل، أظهرت الطلاءات المصنوعة من الأكريليك والبولي يوريثين أداءً جيدًا من حيث الإلتصاق مع السطح الخرساني بالمقارنة مع مواد الإيبوكسي. بالإضافة إلى ذلك، أوضحت النتائج أن درجة الحرارة لم يكن لها تأثير واضح تقريبًا على خصائص الترابط البيني في الأنظمة التي تم دراستها. بناءً على نتائج النمذجة، يمكن اقتراح معايير الأداء النظرية لمحتوى الرطوبة الأقصى لسطح الخرسانة كالتالي: مواد الإيبوكسي (٪2)، والاكريليك (٪4)، والبولي يوريثين (٪6)؛ كما يمكن طلاء الأسطح الخرسانية حتى درجة حرارة خارجية تصل إلى 80 درجة مئوية. بناء على ماسبق، تم دراسة تعزيز الخصائص البينية للإيبوكسي المترابط مع الإسمنت باستخدام مواد نانو الجرافين. أظهرت النتائج أن وجود طبقة أكسيد الجرافين (GO) بين الإيبوكسي والإسمنت عزز قوى الإلتصاق حيث أن المجموعات المحتوية على الأكسجين في GO وفرت أنماط ربط محكمة مع سطح الإسمنت وكذلك الإيبوكسي. هذا البحث يقدم دراسة قيمة وفهم معمق على المستوى الجزيئي لترابط المواد اللاصقة مع الإسمنت، والتي يمكن استخدامها لتصميم أنواع جديدة من الطلاء والذي يتمتع بخصائص ذو روابط قوية تحت تأثير الظروف المناخية القاسية، وبالتالي تعزيز استدامة ومتانة أنظمة اللواصق في الاسطح الخرسانية.

English Abstract

Coatings are widely used in the construction industry. However, the coating-concrete interface is a critical phase in a bonded system, especially under aggressive environmental conditions. In this dissertation, the effects of hot-humid conditions at the coating-cement interface were thoroughly investigated using the innovative modeling of molecular dynamics (MD) simulation. The hydrated cement was modeled by representing calcium silicate hydrate (C–S–H), and different coating types were used, including bisphenol-A, bisphenol-F, acrylic, and polyurethane. The interfacial properties in terms of work of adhesion, work of debonding, energy ratio, type of interaction, radial distribution function (RDF), mean square displacement (MSD), and concentration analysis were evaluated to provide a bottom-up understanding of the coating-cement interface at the genetic level. Besides, the macroscopic pull-off adhesion test was conducted to validate the MD findings. The results indicated that the interfacial adhesion properties were severely affected by the presence of surface moisture. In the epoxy resins, it was found that the increase in the debonding work was mainly caused by an increase in the adhesion between the C–S–H and water molecules at the interface where the latter forms hydrogen bonds with the substrate (i.e., C–S–H). On the other hand, the acrylic and polyurethane coatings demonstrated good bond performance as their adhesion reduction was less than that of the epoxy-based resins. In addition, the results showed that temperature had an almost insignificant effect on the bond properties of the investigated coatings. Based on the simulation results, theoretical performance criteria can be proposed: The moisture content thresholds of the epoxy-based resins, acrylic, and polyurethane are 2%, 4%, and 6%, respectively; the coatings can be applied on concrete surfaces with a service temperature up to 80 °C. Then, the enhancement of the cross-linked epoxy/C–S–H interfacial properties using graphene nanomaterials was also investigated. It was found that the introduction of graphene oxide (GO) sheet at the epoxy/C–S–H interface enhanced the adhesion energy as the oxygen-containing functional groups in the GO provided better tight-binding patterns with the C–S–H surface as well as the epoxy overlay. This work provides valuable molecular-level insights into the coating/cement bond that can be used to design new coatings possessing superior bond properties under aggressive environments and, therefore, enhance the sustainability and durability of the coating-bonded concrete systems.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Al-Amoudi, Omar
Committee Co-Advisor:	Al-Osta, Mohammed
Committee Members:	Obot, Ime and Maslehuddin, Mohammed and Al-Dulaijan, Salah
Depositing User:	ASHRAF BAHRAQ (g201406960)
Date Deposited:	05 Feb 2023 07:31
Last Modified:	05 Feb 2023 07:31
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142328