THE USE OF CARBONATED CALCIUM-RICH MATERIALS AS ADMIXTURES IN THE PRODUCTION OF OPC-BASED CONCRETE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Omer's MS_Thesis_Approved.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 10 June 2025. Download (6MB)

Arabic Abstract

تحظى معالجة الكربنة المعجلة باهتمام كبير كوسيلة فعالة لتقليل البصمة الكربونية في صناعة الخرسانة. ومع ذلك، فإن بيئة ثاني أكسيد الكربون عالية التركيز المطلوبة لكربونات الخرسانة تحد من تطبيقها على الخرسانة مسبقة الصب. حاولت الدراسات الحديثة معالجة هذا القيد من خلال دمج ثاني أكسيد الكربون مباشرة في الخلطات الخرسانية الطازجة، ولكن أساليبها تظل صعبة بالنسبة لخلط الخرسانة في الموقع. للتغلب على ذلك، تقترح الدراسة الحالية إدخال الكربنة المعدنية إلى الخلطات الخرسانية الطازجة في ثلاث خطوات. من خلال اختيار الجير المطفأ والأسمنت البورتلاندي العادي (OPC) كمواد غنية بالكالسيوم (CRMs)، تقترح هذه الدراسة حقن ثاني أكسيد الكربون في ملاط هذه الأسمنت البورتلاندي، وطحن منتجات الكربنة، ثم دمجها في الخلطات الخرسانية. تم العثور على الكالسيت باعتباره العنصر المهيمن في CRMs المكربنة، كما يتضح من قمم الكالسيت المتميزة التي لوحظت في كل من ملفات تحليل قياس الحرارة الحراري (TGA)، وأطياف حيود الأشعة السينية (XRD)، والتغيرات المورفولوجية التي لوحظت في مسح الصور المجهرية الإلكترونية. أدى دمج CRMs المكربنة في مخاليط المعجون بمستويات استبدال OPC التي تصل إلى 15% إلى الحفاظ بشكل كافٍ على منتجات الترطيب، كما كشفت TGA وXRD. أدى ذلك إلى تعزيز القوة في سن مبكرة والحفاظ على أكثر من 95% من قوة الضغط بعد 28 يومًا. أظهرت نتائج مقاومة الانضغاط أنه عند مستوى استبدال 10%، أظهرت خلطات الملاط ذات CC وCL أداء أفضل من تلك ذات LSP، حيث احتفظت بـ 95% من قوة التحكم ومعامل المرونة، بينما حافظت خلطة LSP على 87%. كانت قوة الشد والانكماش الجاف وامتصاص الماء أفضل في مخاليط CC وCL مقارنة بـ LSP. أظهرت مخاليط CC الارتفاع الأكثر أهمية في معامل انتقال الكلوريد حتى عند مستوى الاستبدال الأقصى، متجاوزة قيمة خليط التحكم بنسبة 28٪. تم تحديد مستوى الاستبدال بنسبة 20% على أنه الأمثل لتحقيق التوازن بين الفوائد البيئية والقوة. تم استخدام هذه النسبة لإنتاج مخاليط خرسانية مخلوطة، والتي أظهرت قوة الضغط، ومعامل المرونة، وامتصاص الماء مقارنة بخليط التحكم، مما يشير إلى أن طريقة الكربنة المقترحة توفر طريقًا للاستدامة في إنتاج الخرسانة دون المساس بشكل كبير بأدائها. يشير تحليل استدامة مخاليط الملاط/الخرسانة إلى أن دمج CRMs المكربنة في الملاط/الخرسانة يمكن أن يقلل بشكل فعال من ثاني أكسيد الكربون المتجسد

English Abstract

Accelerated carbonation treatment is gaining significant attention as a viable means to reduce the carbon footprint in the concrete industry. However, the highly concentrated CO2 environment required to carbonate concrete limits its application to pre-cast concrete. Recent studies attempted to address this limitation by incorporating CO2 directly into the fresh concrete mixtures but their approaches remain challenging for on-site concrete mixing. To overcome this, the current study proposes introducing mineral carbonation into fresh concrete mixtures in three steps. Selecting hydrated lime and ordinary Portland cement (OPC) as calcium-rich materials (CRMs), this study proposes injecting CO2 into slurries of these CRMs, powdering the carbonation products, and then incorporating them into concrete mixtures. Calcite was found as the dominant component in the carbonated CRMs, as evidenced by distinct calcite peaks observed in both thermogravimetric analysis (TGA) profiles, X-ray Diffraction (XRD) spectra, and morphology changes noted in scanning electron micrographs. The incorporation of carbonated CRMs in paste mixtures at OPC replacement levels of up to 15% sufficiently preserved the hydration products, as revealed by TGA and XRD. This resulted in enhanced early-age strength and sustaining above 95% of the compressive strength after 28 days. Compressive strength results revealed that at 10% replacement level, mortar mixtures with CC and CL show better performance than those with LSP, retaining 95% of the control’s strength and elastic modulus, while LSP mixture maintained 87%. Tensile strength, drying shrinkage, and water absorption were better in CC and CL mixtures compared to LSP. CC mixtures exhibited the most insignificant rise in chloride migration coefficient even at maximum replacement level, exceeding control mixture’s value by 28%. A 20% replacement level is identified as optimal for balancing environmental benefits with strength. This percentage was used to produce blended concrete mixtures, which demonstrated compressive strength, elastic modulus, and water absorption comparable to the control mixture, suggesting that the proposed carbonation method offers a path to sustainability in concrete production without significantly compromising its performance. Sustainability analysis of mortar/concrete mixtures suggested that incorporating carbonated CRMs in mortar/concrete can effectively reduce the embodied CO2.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Construction Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Ahmad, Shamsad
Committee Co-Advisor:	Adekunle, Saheed K.
Committee Members:	Alosta, Mohammed A. and Al-Zahrani, Mesfer M. and Abd El Fattah, Ahmed
Depositing User:	OMER AHMED (g202103470)
Date Deposited:	10 Jun 2024 09:53
Last Modified:	10 Jun 2024 09:53
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142964