A STUDY ON CARBON DIOXIDE SEQUESTRATION IN CONCRETE MIXTURES INCORPORATING CKD

A STUDY ON CARBON DIOXIDE SEQUESTRATION IN CONCRETE MIXTURES INCORPORATING CKD. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

This is the latest version of this item.

[img] PDF
A STUDY ON CARBON DIOXIDE SEQUESTRATION IN CONCRETE MIXTURES INCORPORATING CKD.pdf
Restricted to Repository staff only until 2 August 2021.

Download (11MB)

Arabic Abstract

معالجة الكربونات المعجلة (ACC) هي تقنية تنطوي على عزل ثاني أكسيد الكربون في الخرسانة حديثة الصب ، مما يحسن خصائص الخرسانة. قام هذا البحث بتقييم تأثير دمج غبار قمائن الأسمنت (CKD) ، وهو منتج نفايات صناعية مصدره مصنعان محليان للإسمنت ، يسميان اختصاراً بـ CKD1 و CKD2 ، على امتصاص CO2 وخصائص قوة الخلطات الخرسانية. تم تحديد خصائص ال CKDs واستخدامها كبديل للأسمنت ، بنسبة تتراوح بين 0 إلى 60٪ ، في المونة لخليط الخرسانة الأساسي عند w/b بقيمة 0.5 و 0.425. تم صب مخاليط المونة المطورة وسقايتها في قوالب فولاذية لمدة 12 أو 18 ساعة ، وخضعتلعملية ال ACC لمدة 12 ساعة تحت ضغط 414 كيلو باسكال (60 باوند لكل بوصة مربعة) و 24 ± 1 ℃ ، ثم تم معالجتها بالترطيب حتى 28 يومًا. تم فحص خصائص امتصاص CO2 وتطور القوة لمخاليط الملاط من خلال مؤشرين تقييميين مطورين: عامل امتصاص CO2 (CUF) وعامل نشاط القوة (SAF) ، على التوالي. وجد أن CKD1 المسحوق الناعم (متوسط حجم الجسيمات 14.74 ميكرومتر) يحتوي على جير أقل بكثير وكمية من الكالسيت أعلى مقارنة مع CKD2 المسحوق الخشن (متوسط حجم الجسيمات 27.51 ميكرومتر). لقد وجد أن ادخال ال CKD يؤدي لزيادة حاجة الخلطة للمياه وزيادة وقت تصلب خلطات الأسمنت المدعومة بال CKD ؛ بالاضافة الى ان كمية الاتساق العادي ووقت التصلب الأولي والنهائي تراوح من 28.3٪ و 97 دقيقة و 176 دقيقة عند 0٪ من محتوى CKD إلى ما بين 47.8٪ و 56.8٪ و 125 و 164 دقيقة و 301 و 332 دقيقة عند 60٪ من محتوى CKD على التوالي. تطلب CKD1 المسحوق الناعم حوالي 3٪ إلى 20٪ ماء أكثر وأظهر زيادة في وقت التصلب مقارنة مع CKD2 ، اعتمادًا على محتوى CKD وإجراءات المزج. وجد أن المزيج من CKDs مع الأسمنت ال "معالج بالرطوبة مسبقًا" يتطلب ماء أقل مقارنة بالخلط الجاف التقليدي. المخاليط الخرسانية ذات محتوى CKD منخفض إلى متوسط ، والتي تم معالجتها لمدة 12 ساعة قبل اخضاعها لعملية ال ACC قد لوحظت ان أداءها كان أفضل في امتصاص ثاني أكسيد الكربون مقارنة مع نظيراتها المعالجة مسبقًا لمدة 18 ساعة. على الرغم من أن امتصاص CO2 المطلق للخلائط المعدلة بـ CKD انخفض مع زيادة محتوى CKD ، فإن امتصاص CO2 النسبي يعتمد على نوع الـ CKD ونسبة الـ w/b للخليط. كانت مخاليط CKD1 بشكل عام أكثر فعالية في عزل CO2 مقارنة مع CKD2 المحتوي على نسبة عالية من الجير ذو الحبيبات الخشنة مع استهلاك CO2 يصل إلى 14 ٪ من كتلة محتوى الأسمنت وبحد أقصى 8 ٪ على التوالي ؛ في كلتا الحالتين ، أثبتت القيمة الأكبر ل w/c (0.5) أنها أكثر فعالية. كان الرقم الهيدروجيني للمخاليط ، في جميع الأعماق ، أعلاه في نطاق ضيق من 12.6 إلى 12.8 ، بغض النظر عن نظام المعالجة ، مما يشير إلى إمكانية وجود عمق كامل خال من المخاطر في أعضاء الخرسانة المسلحة بالفولاذ. قدم دمج CKD تعزيزًا كبيرًا لقوة الانضغاط المبكر للخرسانة ولكن تأثيره كان يقل مع نضوج الخلطات ، مع انخفاض SAF وصل لأكثر من 50 ٪ ، في معظم الحالات. بالمقارنة مع نظيراتها من CKD2 ، أظهرت مخاليط CKD1 قوة انضغاط أعلى في المرحلة المبكرة بنسبة 30 ٪ تقريبًا ولكن الفرق كان متوازنًا في المراحل المتأخرة ، حيث أظهرت الخلطات المدروسة قوة ضغط لمدة 28 يومًا تتراوح بين 23 إلى 54 ميجا باسكال. للوصول إلى أقصى استفادة من الـ CKD ، فإنه يوصى باستبدال 50% من الـ OPC بالـ CKD. بالمقابل فإن استخدام نسبة 0.5 من ال w/b سيكون أفضل لعزل CO2 في الخرسانة المعدلة باضافة CKD ؛ ومع ذلك ، يمكن الحصول على قوة ضغط أعلى مع انخفاض قيمة w/b ولكن يؤدي ذلك لزيادة تكلفة بسبب استخدام الملدنات ويؤدي إلى انخفاض قدرة عزل CO2. وأخيرًا ، تبين أن تطبيق معالجة ACC على مخاليط الخرسانة المعدلة باضافة CKD هو تطبيق مفيد تقنيًا وبيئيًا.

English Abstract

Accelerated carbonation curing (ACC) is a technique involving sequestration of CO2 in young concrete, which improves the concrete properties. This research evaluated the impact of incorporation of cement kiln dust (CKD), an industrial waste product sourced from two local cement plants, coded CKD1 and CKD2, on CO2 uptake and strength characteristics of concrete mixtures. The CKDs were characterized and used as a cement replacement, from 0 to 60%, in the mortar phase of a base concrete mixture at w/b of 0.5 and 0.425. The developed mortar mixtures were cast and cured in steel molds for 12 or 18 hours, subjected to 12 hours ACC at 414 kPa (60 Psi) and 24±1 ℃, and then moist cured until 28 days. The CO2 uptake and strength development characteristics of mortar mixtures were investigated through two developed assessment indices: CO2 uptake factor (CUF) and strength activity factor (SAF), respectively. It was found that the fine-grained CKD1 (mean particle size of 14.74 µm) contained much lower free lime and higher calcite, compared with the coarse-grained CKD2 (mean particle size of 27.51 µm). The incorporation of CKD was found to increase the water demand and setting time of CKD-cement blends. The fine-grained CKD1 demanded about 3% to 20% more water and exhibited increased setting time compared with CKD2, depending on CKD content and the blending procedure. A developed ‘pre hydrated’ blending of the CKDs with cement was found to require less water compared with the conventional dry mixing. Concrete mixtures with low to medium CKD content, pre cured for 12 hour before ACC performed better in CO2 uptake compared with the 18 hrs pre cured counterparts. Although, the absolute CO2 uptake of CKD-modified mixtures decreased with increase in CKD content, the relative CO2 uptake depends on the CKD type and w/b of the mixture. CKD1 mixtures were generally more effective in CO2 sequestration compared with the high-lime-containing coarse-grained CKD2 with CO2 consumption of up to 14% of the mass of cement content and a maximum of 8%, respectively; in both cases, the higher w/b of 0.5 proved more effective. The pH of mixtures, at all depths, were above in a narrow range of 12.6 to 12.8, regardless of the curing regime, indicating the feasibility of a risk free full depth ACC in steel-reinforced concrete members. The incorporation of CKD offered significant enhancement of the early-age compressive strength of concrete but its effect diminished as the mixtures matured, with SAF reduction of over 50%, in most cases. Compared with CKD2 counterparts, CKD1 mixtures exhibited about 30% higher early age compressive strength but the difference evened out at later age, with the studied mixtures exhibiting 28-day compressive strengths varying between 23 to 54 MPa. Considering the maximum beneficial use of CKD, a 50% replacement of OPC with fine-grained CKD was found optimal. A w/b of 0.5 was found favorable for CO2 sequestration in CKD-modified concrete; however, higher compressive strength can be obtained with reduced w/b but at higher cost of plasticizer and lower CO2 sequestration capacity. Finally, the application of ACC to CKD modified concrete mixtures was shown to be a technically and environmentally beneficial combination

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Civil Engineering
Civil Engineering > Structural Engineering
Department: College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor: Adekunle, Saheed
Committee Members: Shamsad, Ahmad and Salah, Al-Dulaijan
Depositing User: WASIU ALIMI (g201707410)
Date Deposited: 09 Aug 2020 06:36
Last Modified: 09 Aug 2020 06:36
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141679

Available Versions of this Item