CONCRETE INCORPORATING CONSTRUCTION & DEMOLITION AND PLASTIC WASTES: DURABILITY AND APPLICATIONS IN CONCRETE FILLED STEEL TUBES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Thesis) MS Thesis-Almotaseembillah Ahmed-g202203040-Oct 2024.pdf Restricted to Repository staff only until 7 November 2025. Download (5MB)

Arabic Abstract

تهدف هذه الدراسة إلى تطوير خرسانة هجينة من الركام المعاد تدويره (HRAC) التي تحتوي على ركام الخرسانة المعاد تدويره (RCA) والنفايات البلاستيكية (PW)، تحديداً البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، كركام ناعم. تم إنتاج HRAC عن طريق استبدال 60% من الركام الخشن الطبيعي بـ RCA مع تغيير نسب استبدال HDPE للركام الناعم إلى 0% و15% و30% و45%. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام غبار السيليكا (SF) كمواد إسمنتية مكملة، لتحل محل 5% من وزن الأسمنت في نصف الخلطات. لتقييم الأداء، تم إعداد واختبار ثمانية خلطات خرسانية من حيث الخصائص الطازجة، الميكانيكية، والمتانة. في البداية، تم تقييم قابلية تشغيل الخرسانة الطازجة باستخدام اختبار الهبوط. ثم تم تقييم الخصائص الميكانيكية من خلال اختبارات مقاومة الضغط، مقاومة الشد المنقسمة، مقاومة الانحناء، معامل المرونة، معامل المرونة الديناميكي، وسرعة النبضات فوق الصوتية (UPV). بالنسبة للمتانة، تم تقييم الخرسانة من خلال قياس الكثافة، امتصاص الماء، المسامية، الموصلية الحرارية، هجرة الكلوريد، التوصيلية الكهربائية، المقاومة الكهربائية، امتصاص الصوت، الانكماش الجاف، ومقاومة الحريق. أظهرت نتائج الخصائص الميكانيكية أن مقاومة الضغط، مقاومة الشد المنقسمة، مقاومة الانحناء، وUPV تظهر اتجاهاً متشابهاً نحو قيم أقل مع زيادة محتوى HDPE. كما أنها تشترك في اتجاه التحسن مع إضافة غبار السيليكا حتى نسبة استبدال البلاستيك 15%. ومع ذلك، يُلاحظ اتجاه معاكس عند نسب استبدال البلاستيك 30% و45%، حيث يؤدي إضافة غبار السيليكا إلى انخفاض في الأداء. بشكل عام، تظهر الخرسانة المطورة لجميع الخلطات مقاومة ضغط تفوق 27 ميجا باسكال، مما يعتبر مقبولاً كخرسانة إنشائية. تشير نتائج دراسة المتانة إلى تأثيرات متباينة على الخصائص، مع تسليط الضوء بشكل خاص على سلوك غبار السيليكا في هذه التركيبة. على سبيل المثال، قد لا يكون استخدام الحبيبات البلاستيكية كركام ناعم ممكناً عند استبدالها بنسبة 30% أو أكثر حيث تميل إلى الذوبان عند درجات حرارة 250 درجة مئوية وأكثر. لاستكشاف المزيد من التطبيقات الهيكلية المحتملة، تم استخدام الخلطات الخرسانية في أنابيب فولاذية مملوءة بالخرسانة (CFSTs)، وتم تحليل قدرتها على التحمل المحوري وأنماط الفشل. أظهر التحليل أن قدرة التحمل المحوري تقل مع زيادة محتوى HDPE، وأن الشكل المتشوه في حالة المحتوى العالي من النفايات البلاستيكية وعدم وجود SF قد تأثر بشكل كبير. بالإضافة إلى ذلك، قيّمت الدراسة جوانب الاستدامة مثل البصمة الكربونية، والطاقة المتجسدة، والتكلفة، مما أبرز الفوائد البيئية والتحديات المرتبطة باستخدام HRAC. على الرغم من بعض القيود في الأداء، يمثل دمج RCA وPW في الخرسانة نهجًا مستدامًا لإدارة النفايات، مما يساهم في تحقيق أهداف الاقتصاد الدائري. ومع ذلك، تم تحديد تحديات مثل مشكلات تماسك الخلطات الطازجة، انخفاض معامل المرونة، والتحلل الحراري للخرسانة البلاستيكية. وللتغلب على هذه التحديات، اقترحت الدراسة حلولًا محتملة وتوصيات لتحسين التطبيق العملي لـ HRAC في مجال البناء.

English Abstract

This study investigates the development of hybrid recycled aggregate concrete (HRAC) incorporating recycled concrete aggregates (RCA) and plastic waste (PW), specifically high-density polyethylene (HDPE), as fine aggregates. The HRAC was produced by replacing 60% of natural coarse aggregates volume with RCA and part of the fine aggregates volume was replaced by HDPE granules at replacement ratios of 0%, 15%, 30%, and 45%. In addition, (SF) was used as a supplementary cementitious material, replacing 5% of the cement weight in half of mixes. To evaluate the performance, eight concrete mixes were prepared and tested for their fresh, mechanical, and durability properties. The fresh and mechanical properties were investigated to serve as a reference for comparison and discussion of the durability and structural applications. The durability properties were assessed by measuring density, water absorption, porosity, thermal conductivity, chloride migration, electrical conductivity, electrical resistivity, sound absorption, drying shrinkage, and fire resistance. The results of the mechanical properties showed a decreased in the mechanical properties with the increase of PW content with minor role for the SF. However, the developed mixes have compressive strength of more than 27.0 MPa, an acceptable structural concrete. The durability study indicates varying impacts on the properties, particularly highlighting the behavior of SF in this combination. For examples, using PW granules as fine aggregates could not be feasible at 30% replacement or more as more plastic content tend to melt at temperature of 250°C and more. To further explore potential structural applications, the concrete mixes were utilized in concrete-filled steel tubes (CFSTs), and their axial load capacity and failure modes were analyzed. The analysis showed that the axial load capacity decreased as the PW content increased and the deformed shape for case of high PW content and no SF has been severely impacted. Furthermore, the study assessed sustainability aspects, such as carbon footprint, embodied energy, and cost. Despite some performance limitations, incorporating RCA and PW in concrete offers a sustainable approach to waste management, contributing to circular economy goals. Nevertheless, challenges such as fresh consistency issues, low elastic modulus, and thermal degradation of PW concrete were identified. To address these challenges, the study proposed potential solutions and recommendations for enhancing the practical application of HRAC in construction.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Construction Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering Earth Sciences Research > Corrosion Research > Engineering Research > General
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	R. Khalid, Hammad
Committee Co-Advisor:	E. S. Musa, Abubakr
Committee Members:	Al-Osta, Mohammed and Ahmad, Shamsad and Abdelfattah, Ahmed
Depositing User:	Mr. Almotaseembillah Altigani Abdulhafiz Ahmed
Date Deposited:	24 Nov 2024 11:30
Last Modified:	24 Nov 2024 11:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143092