INVESTIGATING THE EFFECT OF CARBONATION CURING AND RED MUD UTILIZATION ON CHARACTERISTICS OF CEMENT COMPOSITES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Complete Thesis) Thesis Complete Muhammad Talha Shafique .pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 26 December 2025. Download (10MB)

Arabic Abstract

يعد إنتاج الأسمنت من بين المساهمين الرئيسيين في ثاني أكسيد الكربون في جميع أنحاء العالم، حيث يتم توليد طن من الغازات الدفيئة لكل طن من الأسمنت. ومن النفايات الصناعية الأخرى المتولدة بكميات ضخمة الطين الأحمر، حيث يتم إنتاج 1.5 طن من الطين الأحمر لكل طن من إنتاج الألومينا. تعد إعادة تدوير النفايات، بما في ذلك الطين الأحمر وثاني أكسيد الكربون، أمرًا ضروريًا لأن كلاهما يؤثر سلبًا على النظام البيئي. لم يتم بعد دراسة عزل ثاني أكسيد الكربون في مركبات الأسمنت التي تحتوي على الطين الأحمر على نطاق واسع. يتناول هذا البحث دراسة تأثير استبدال الأسمنت بالطين الأحمر على الخواص الميكانيكية والمجهرية للمعجون الأسمنتي وإجراء الكربنة اللاحقة لتعزيز خواص الملاط الأسمنتي المحتوي على الطين الأحمر. وينقسم البحث إلى قسمين. أولاً، تمت دراسة عوامل تحسين أنظمة الكربنة. لهذا الغرض، تمت دراسة تأثير فترات ما قبل الترطيب على معالجة الكربنة لمعجون OPC لتحسين ثاني أكسيد الكربون. تم إخضاع عينات عجينة الأسمنت إلى معالجة الكربنة لمدة 3 ساعات عند ضغوط تتراوح بين 15 و 60 رطل لكل بوصة مربعة بعد فترات ما قبل الترطيب البالغة 0 و 3 و 7 و 24 ساعة. تم تقي يم أنظمة المعالجة الإضافية، بما في ذلك الكربنة الممتدة لمدة 48 ساعة والمعالجة الفورية للرطوبة. تم استخدام التقنيات التحليلية مثل TGA و SEM و XRD و FTIR لتحليل تكوين الطور والقوة والانكماش ودرجة الحموضة في محلول المسام. تشير النتائج إلى أن فترات الترطيب المسبق الأقصر ) 0 - 3 ساعات( تعزز امتصاص ثاني أكسيد الكربون، وقوة الضغط، وتكوين كربونات الكالسيوم، في حين أن الترطيب المسبق الممتد يقلل من كفاءة الكربنة بسبب فقدان الماء من خلال التبخر. أما الجزء الثاني فقد درس تأثير دمج الطين الأحمر في البدائل المختلفة. خضعت معاجين الأسمنت والملاط التي تحتوي على 5 ،% 10 %، و 15 % من استبدال الطين الأحمر إلى المعالجة بالكربنة لمدة 72 ساعة بعد الصب. أظهرت النتائج أن دمج الطين الأحمر في مونة الأسمنت أدى إلى تحسين القوة في البداية مقارنة بالتحكم، على الرغم من ملاحظة انخفاض طفيف عند 28 يومًا. عززت معالجة الكربنة الاحتفاظ بالقوة لمدة 28 يومًا عبر جميع مستويات استبدال الطين الأحمر وقللت بشكل كبير من انكماش تجفيف العينات. أشار تحليل FTIR إلى انخفاض في نسبة البورتلانديت وزيادة الكالسيت على الأسطح، مع تشكل كربونات الكالسيوم غير المتبلورة ) ACC ( في الطبقات الوسطى من العينات الغازية. أظهرت نتائج TGA زيادة في امتصاص ثاني أكسيد الكربون مع ارتفاع محتوى الطين الأحمر، في حين أظهرت SEM-EDS تأثيرات حشو النانو التي عززت مصفوفة الأسمنت من خلال بنية هجينة من الكالسيت وهلام C-S-H . تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانية دمج الطين الأحمر في تحسين كفاءة الكربنة وتعزيز متانة المواد الأسمنتية.

English Abstract

Cement production is among the main contributors to CO2 worldwide, with a ton of greenhouse gas generated per ton of cement. Another industrial waste generated in huge quantities is red mud, with 1.5 tons of red mud being generated per ton of alumina production. Recycling both wastes, including red mud and CO2, is essential as both adversely affect the ecosystem. Sequestration of CO2 in cement composites incorporating red mud has yet to be studied widely. This research investigates the impact of replacing cement with red mud on cement pastes' mechanical and microstructural properties and doing subsequent carbonation to enhance the properties of red mud-incorporated cement mortar. The research is divided into two portions. Firstly, parameters for improving the carbonation regimes were studied. For this, the influence of pre-hydration durations on the carbonation curing of OPC paste to improve CO₂ was studied. Cement paste specimens were subjected to 3-hour carbonation curing at pressures of 15 and 60 psi after pre-hydration durations of 0, 3, 7, and 24 hours. Additional curing regimes, including extended carbonation for 48 hours and immediate moisture curing, were assessed. Analytical techniques such as TGA, SEM, XRD, and FTIR were employed to analyze phase composition, strength, shrinkage, and pore solution pH. The findings indicate that shorter pre-hydration durations (0-3 hours) enhance CO₂ uptake, compressive strength, and calcium carbonate formation, whereas extended pre-hydration reduces carbonation efficiency due to water loss through evaporation. The second part studied the influence of red mud incorporation at various replacements. Cement pastes and mortar samples with 5%, 10%, and 15% red mud replacement underwent carbonation curing for 72 hours after casting. The results revealed that incorporating red mud in cement mortar improved strength initially compared to the control, although a slight reduction was observed at 28 days. Carbonation curing enhanced strength retention at 28 days across all red mud replacement levels and significantly reduced the drying shrinkage of specimens. FTIR analysis indicated a reduction in portlandite and increased calcites on surfaces, with amorphous calcium carbonate (ACC) forming in the middle layers of carbonated specimens. TGA results showed increased CO₂ uptake with higher red mud content, while SEM-EDS demonstrated nano-filler effects that reinforced the cement matrix through a hybrid structure of calcite and C-S-H gel. These findings highlight the potential of red mud incorporation to improve carbonation efficiency and enhance the durability of cementitious materials.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Khalid, Hammad Raza
Committee Co-Advisor:	Ahmad, Shamsad
Committee Members:	Adekunle, Saheed Kolawole and Muhammad Hanif, Asad Hanif and Al-Dulaijan, Salah Uthman
Depositing User:	MUHAMMAD SHAFIQUE (g202211480)
Date Deposited:	26 Dec 2024 06:38
Last Modified:	26 Dec 2024 06:38
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143173