The Effects of Using Calcareous Clays in Limestone Calcined Clay Cement (LC3). Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ms thesis- Seifeldin.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 30 December 2025. Download (20MB)

Arabic Abstract

الخرسانة هي ثاني أكثر المواد استخدامًا على وجه الأرض بعد الماء. يتم إنتاج حوالي 1.6 إلى 3.6 مليار طن من الأسمنت البورتلاندي العادي (OPC) سنويًا، ومن المتوقع أن يتجاوز هذا الرقم 5 مليارات طن بحلول عام 2030. يستمر الطلب العالمي على الأسمنت في النمو بمعدل سنوي يبلغ حوالي 4%. ومع ذلك، فإن التأثير البيئي لإنتاج الأسمنت البورتلاندي كبير، حيث يساهم بحوالي 7% إلى 8% من الانبعاثات العالمية لثاني أكسيد الكربون .(CO₂) تعود هذه المشكلة بشكل أساسي إلى عملية إنتاج الكلنكر. يقدم الأسمنت الطيني الجيري المكلس (LC3) بديلاً واعدًا LC3 .هو مزيج ثلاثي من الأسمنت والطين المكلس والحجر الجيري، ويوفر تقليلًا في انبعاثات CO₂ بنسبة تصل إلى حوالي 30% مقارنة بـ .OPC يحقق LC3 تخفيضًا بنسبة 50% في محتوى الكلنكر عن طريق مزج 30% من الطين المكلس، و15% من الحجر الجيري، وحوالي 5% من الجبس. ما يميز LC3 هو اعتماده على المواد الخام المتوفرة على نطاق واسع (الطين والحجر الجيري)، مما يجعله خيارًا مستدامًا وعمليًا بين الأنواع الأخرى من الاسمنتات المخلوطة. يتميز الطين الجيري (Calcareous Clay) بخصائص تجمع بين الطين والحجر الجيري، حيث يحتوي على الألومينا والسيليكا إلى جانب الكالسيت .(CaCO₃) تشير هذه التركيبة إلى إمكانيته في استبدال الحجر الجيري جزئيًا أو كليًا في خلطات .LC3 ومع ذلك، يتمثل التحدي الرئيسي في تحديد درجة الحرارة المثلى للتكليس لتحويل الكاولينيت إلى الميتاكولين مع الحفاظ على استقرار .CaCO₃ تمت في هذه الدراسة تقييم جدوى استبدال الحجر الجيري جزئيًا أو كليًا بالطين الجيري (Calcareous Clay) في خلطات LC3 . تم تكليس الطين الجيري عند درجات حرارة تتراوح بين 650°C و800 °C لمدة 30 و60 دقيقة. وتم تحديد درجة الحرارة المثلى للتكليس من خلال تقدير محتوى الكاولينيت والكالسيت للطين الجيري المكلس. استخدمت طرق توصيف مختلفة، بما في ذلك توزيع حجم الجسيمات (PSD)، الفحص بالأشعة السينية (XRF)، حيود الأشعة السينية (XRD)، والتحليل الحراري الوزني (TGA) على المواد الخام. تم إعداد خلطات LC3 المعتمدة على الطين الجيري مع 55% من الأسمنت ومستويات مختلفة من استبدال الحجر الجيري (15%، 10%، 5%، و0%)، بالإضافة إلى مزائج خاملة (i) لتقييم تفاعلية الطين الجيري. أُجريت اختبارات مقاومة الضغط وتحليلات XRD وTGA على العينات المتصلدة. أظهرت النتائج أنه على الرغم من انخفاض محتوى الكاولينيت في الطين الكلسي، فإن المزائج التي تحتوي على 55% و70% من الأسمنت حققت نتائج مقاربة لخلطة OPC المرجعية، مع متوسط انخفاض في المقاومة بنسبة 26.6% و21.4% عند 28 يومًا على التوالي. ولم تُلاحظ أي تأثيرات سلبية على مقاومة الضغط عبر مستويات استبدال الحجر الجيري. أكدت التحليلات الميكروية تكوين الهيميكربوالومينات والمونوكربوالومينات، حيث أظهرت الخلطات المعتمدة على الطين الجيري استهلاكًا أعلى للبورتلانيت مقارنة بالمزائج الخاملة

English Abstract

Concrete is the most widely used material on earth after water. Each year, approximately 1.6 to 3.6 billion tons of Ordinary Portland Cement (OPC) are produced, and this figure is projected to reach more than 5 billion tons by 2030. Global cement demand continues to grow at an annual rate of around 4%. However, the environmental impact of portland cement production is significant, contributing to about 7% to 8% of global CO₂ emissions. This problem is mainly due to the process of clinker production. Limestone Calcined Clay Cement (LC3) presents a promising alternative. LC3 is a ternary blend of cement, calcined clay, and limestone that offers a CO₂ reduction of approximately 30% compared to OPC. LC3 achieves a 50% reduction in clinker content by blending 30% calcined clay, 15% limestone, and about 5% gypsum. What sets LC3 apart is its reliance on widely available raw materials (clay and limestone) making it a sustainable and practical choice among other blended cements. Calcareous clay (CC) combines the characteristics of both clay and limestone, containing alumina and silica alongside calcite (CaCO₃). This composition suggests its potential to partially or fully replace limestone in LC3 blends. However, a key challenge lies in determining the optimal calcination temperature to transform kaolinite into metakaolin while maintaining the stability of CaCO₃ This study investigated the feasibility of partially or fully replacing limestone with calcareous clay (CC) in LC3 mixes. CC was calcined at temperatures ranging from 650°C to 800°C for 30 and 60 minutes. The optimal calcination temperature was determined by estimating kaolinite and calcite contents for the calcined calcareous clays. Various characterization methods, including particle size distribution (PSD), X-ray fluorescence (XRF), X-ray diffraction (XRD), and thermogravimetric analysis (TGA) were used on the raw materials. CC-based LC3 mixes with 55% cement and different limestone replacement levels (15%, 10%, 5%, and 0%) were prepared, as well as inert filler (i) mixes for assessing the reactivity of CC. Compressive strength tests, XRD, and TGA were conducted on the hydrated samples. The results showed that, despite the low kaolinite content in CC, mixes with 55% and 70% cement achieved comparable results to the reference OPC mix, with an average reduction in strength of 26.6% and 21.4% at 28 days, respectively. No negative effects on compressive strength were observed across limestone replacement levels. Microstructural analyses confirmed the formation of Hemicarboaluminate and Monocarboaluminate, with CC-based mixes showing higher portlandite consumption than inert filler mixes.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Al-Zahrani, M.M.
Committee Co-Advisor:	khalid, Hammad R.
Committee Members:	Shamsad, Ahmad and Alosta, Mohammed Ali and Adekunle, Saheed Kolawole
Depositing User:	SEIFELDIN BAGNEID (g202115070)
Date Deposited:	31 Dec 2024 08:43
Last Modified:	31 Dec 2024 08:43
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143188