Development of high performance concrete utilizing nano-materials. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF g200901530_CEE_PhD_Dissertation_of_Adamu_Lawan.pdf Download (14MB) | Preview

Arabic Abstract

في الآونة الأخيرة، المواد متناهية الصغر، مثل السيليكا متناهية الصغر، تحظى باهتمام خاص نظراً لقدرتها على تحسين أداء المواد الاسمنتية مقارنة مع الخلطات المعدنية التقليدية. مزايا المواد المتناهية الصغر تشمل: إنتاج خرسانة عالية الأداء وإنخفاض في كمية الاسمنت، مما يؤدي إلى خفض تكلفة التدوير والأثر البيئي لمواد البناء. في هذه الدراسة، تم دراسة سلوك المواد الاسمنتية (عجينة الأسمنت وعجينة الأسمنت والرمل وكذلك الخرسانة) التي أعدت مع المواد متناهية الصغر. وقد تم التحقق من الخصائص الميكانيكية والانشائية والمتانة للعينات الخرسانية المعدة مع المواد متناهية الصغر. وعلاوة على ذلك، عمر الخدمة للخرسانة المعدلة مع المواد متناهية الصغر قد حسبت وقورنت مع عينات الخرسانة الغير معدلة. وقد استخدمت العديد من تقنيات التصوير الجزئي والتحليل، مثل المجهر الالكتروني الماسح، حقل أنبعاثات المسح الإلكتروني المجهري، أنحرافات الأشعة السينية وأشعة فورير الطيفية تحت الحمراء لتوصيف الخصائص المجهرية للخرسانة المتقدمة. أيضا، تم تحديد الخصائص الميكانيكية، وهي الصلابة ومعامل المرونة لعجينة الأسمنت المعدلة مع المواد متناهية الصغر بواسطة تقنية التحديد متناهي الصغر. تم تطوير نماذج محاكاة ديناميكية جزئية لحساب خصائص المرونة الموجودة في عجينة الاسمنت الرطبة. بعد ذلك، تم مقارنة خصائص المرونة مع نتائج التجارب التي تم الحصول عليها من تقنية التحديد متناهي الصغر نتائج الاختبار تشير أن التأثير المشترك لرد فعل البوز ولانية للمواد الاسمنتية التكميلية وقدرة الملء للسيليكا متناهية الصغر قد حسنت الخصائص الميكانيكية وخصائص المتانة للخرسانة بشكل كبير. أيضاً، كانت الخلطات الخرسانية التي تحتوي على السيليكا متناهية الصغر كثيفة، لاسيما في المنطقة البينية. عمر الخدمة للخرسانة المطورة كان أطول بكثير من عمر الخرسانة التي لا تحتوي على السيليكا متناهية الصغر. نتائج التحديد متناهي الصغر يوضح أن معامل التناهي والصلابة للمراحل الرطبة لكل العينات المختبرة كانت ضمن النطاق 24 الى 43 ميقاباسكال و 0.72 الى 1.82 ميقاباسكال، على التوالي. علاوة على ذلك، فأن نسبة حجم مرحلة سي-اس-اتش للعينات المعدة مع السيليكا متناهية الصغر أكثر من تلك المعدة مع الأسمنت فقط. أخيراً، النتائج من نماذج المحاكاة الديناميكية الجزئية أكدت النتائج التي تم الحصول عليها من التجارب.

English Abstract

Recently, nanomaterials, such as nanosilica, are receiving special attention due to their ability to improve the performance of cement-based materials compared to traditional mineral admixtures. The advantages of nano-materials include: production of high performance concrete and a reduction in the quantity of cement, thus decreasing the life cycle cost and the environmental impact of construction materials. In this study, the behavior of cement-based materials (paste, mortar and concrete) prepared with nanosilica was studied. The mechanical, durability and microstructural properties of nanosilica-based concrete specimens were investigated. Further, the service life of concrete modified with nanosilica was computed and compared with that of control specimens. Several micro-imaging and analysis techniques, such as scanning electron microscopy (SEM), field emission scanning electron microscope (Fe-SEM), X-ray diffraction (XRD) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) were utilized to characterize the microstructural properties of the developed concrete. Also, the mechanical properties, namely hardness and elastic modulus of the nanoosilica-based cement paste were determined by nanoindentation (NI) technique. Molecular dynamics (MD) simulation models were developed to compute the elastic properties of different phases present in the hydrated cement paste. The elastic properties were then compared with the experimental results obtained from the NI. The test results indicate that the combined effect of pozzolanic reaction of the supplementary cementing materials and the filling ability of nano silica considerably improved the mechanical properties and durability characteristics of concrete. Also, the microstructure of concrete mixtures containing nanosilica was dense, particularly at the interfacial zone. The service life of the developed concrete was significantly more than that of the control mix. NI results show that the indentation modulus and hardness of the hydrated phases of all the samples examined are within the range of 24 to 43 GPa and 0.72 to 1.82 GPa, respectively. Further, the volume fraction of the C-S-H phase of the specimens prepared with nanosilica is more than that of those prepared with cement only. Finally, the results of the MD simulation corroborate the experimental findings.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Civil Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Al-Dulaijan, Salah U.
Committee Co-Advisor:	Maslehuddin, Mohammed
Committee Members:	Ul-Hamid, Anwar and Ahmad, Shamshad and A-Amoudi, Omar S. Baghabra
Depositing User:	Adamu Lawan (g200901530)
Date Deposited:	11 Feb 2016 11:11
Last Modified:	01 Nov 2019 16:32
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139869