DEVELOPMENT OF A UNIVERSAL CEMENT BEHAVIOR MODEL USING MOLECULAR-LEVEL SIMULATIONS AND LABORATORY NANO-TESTING TECHNIQUES. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (DEVELOPMENT OF A UNIVERSAL CEMENT BEHAVIOR MODEL USING MOLECULAR-LEVEL SIMULATIONS AND LABORATORY NANO-TESTING TECHNIQUES) Ph.D dissertation (Waleed Al-Awsh).pdf - Updated Version Restricted to Repository staff only until 1 January 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

هدفت هذه الرسالة إلى فهم التفاعلات المعقدة للإسمنت من خلال دراسة خصائصه عبر نسب مختلفة من الماء للإسمنت (نسبة الماء/الإسمنت). تم إعداد خمس خلطات من عجينة الإسمنت بنسب مختلفة من الماء/الإسمنت تتراوح بين 0.25 إلى 0.65. تم حساب كمية الماء المطلوب لإكمال عملية التفاعل الإسمنتي نظريًا؛ وأُجريت تقنيات تجريبية مثل التحليل الطيفي XRD وSEM وTGA ورامان لتقييم البنية المجهرية للإسمنت المتفاعل. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام برنامج المحاكاة الديناميكية الجزيئية لإنشاء نموذج محاكاة للإسمنت على المستوى الذري، والذي تم التحقق من صحته باستخدام بيانات التجارب المعملية. علاوة على ذلك، تم تطوير نماذج أسمنتية تشتمل على النانو سيليكا ونانو الطين الأحمر لاستكشاف الخصائص الميكانيكية والبنية الدقيقة لهذه النماذج. كما تم استخدام طريقة التوزيع الذري القطري (RDF) وحجم الفراغ الحر (FFV) لدراسة التركيب الذري الأساسي لعجينة الأسمنت (C-S-H). وأيضاً تمت مقارنة النتائج التجريبية مع عمليات المحاكاة للتحقق من صحة النموذج المطور. وتم مقارنة المركب الاساسي للاسمنت C-S-H مع نظير معدني معروف يسمى التوبرموريت. وأظهرت نتائج التوزيع الذري القطري توافق كبير بين المركبين. بالإضافة إلى ذلك، تم تجهيز عجينة أسمنتية تتضمن هياكل إيميدازوليت زيوليتية (ZIFs) من النوع ZIF-67 بمقياس النانو وتقييم بنيتها الميكانيكية والمجهرية. كما تم دراسة مدى جدوى استخدام نسبة صغيرة من ZIF-67 (0–0.9 بالوزن٪) كمواد مكملة لتفاعل الإسمنت. أظهرت نتائج هذه الأطروحة أن الماء المطلوب لإكمال التفاعل يجب ان لايقل عن 40% من نسبة وزن الإسمنت، حيث أن 22% من نسبة الماء تكون مرتبطة كيميائيًا و18% من الماء تكون مرتبطة فيزيائيًا. بالإضافة إلى أن نتائج اختبار المسعر أظهرت أن ذروة توليد الحرارة من حيث الحد الأقصى للتدفق كانت في الخليط الذي يحتوي على 0.25 من نسبة الماء إلى الإسمنت. ومع ذلك أشار تحليل التدفق الحراري النوعي إلى أن الخليط الذي فيه نسبة الماء/الإسمنت 0.35 هو الأعلى من حيث إجمالي الحرارة المتولدة.وتدعم هذه النتيجة الافتراض بأن محتوى الماء المطلوب للتفاعل الكامل يجب أن يكون أكبر من 35% من إجمالي الأسمنت. وايضاً أظهر النموذج المحاكي تنبؤات مقبولة للخواص الميكانيكية والبنية المجهرية للعجينات الإسمنتية. علاوة على ذلك، تم دمج النانو سيليكا ونانو الطين الأحمر في نماذج الأسمنت لاستكشاف تأثيرهما على الخواص الميكانيكية. وأشارت النتائج إلى أن استبدال الأسمنت بمادة النانو سيليكا بنسبة تصل إلى 5% يمكن أن يعزز الأداء الميكانيكي للإسمنت، وأن تجاوز هذا الحد قد يكون له تأثير ضار على الخصائص الميكانيكية. بينما عملت مادة نانو الطين الأحمر كمواد لسد الفراغات فقط وليس لها تفاعل مباشر مع الإسمنت. علاوة على ذلك، أدى دمج الجسيمات النانوية ZIF-67 إلى تحسينات كبيرة في قوة الضغط والشد عند استبدال 0.5% بالوزن، مما يشير إلى التحسينات المحتملة في كل من الخواص الميكانيكية والتفاعلية للإسمنت.

English Abstract

The current research aimed to understand the cement hydration complexity by investigating its properties across different water cement ratios (w/c). Five cement paste mixes were prepared with w/c ratios ranging from 0.25 to 0.65. The water demand to complete the hydration process was theoretically calculated; and experimental techniques such as XRD, SEM, TGA, and Raman spectroscopy were conducted to investigate the microstructure of the cement paste. Moreover, molecular dynamics simulation was used to develop an atomistic cement model, validated with experimental data. Furthermore, cement models incorporating nano-silica, nano-red mud were developed to explore the mechanical and microstructural properties of these models. The experimental results were compared with the simulations to validate the developed model. Radial distribution function (RDF) and fractional free volume (FFV) analyses were performed to investigate the local atomic structure of the cement paste models. The calcium-silicate-hydrate (C-S-H) phase, a key hydration product, was characterized through RDF and benchmarked against a well-known mineral analog, namely tobermorite. Additionally, cement paste incorporating zeolitic imidazolate frameworks (ZIFs) type ZIF-67 in nano scale was conducted the mechanical and microstructure properties. The feasibility and compatibility of utilizing a small percentage of ZIF-67 (0–0.9 wt.%) as an additive to cement-based materials has been investigated. The results showed that the total water demand to complete the hydration process was at least 40 wt.% of the cement weight, with 22 wt.% is attributed to chemically bound water and 18 wt.% to physically bound water. Additionally, the calorimeter results showed that the peak heat generation in terms of maximum flow occurred in the mix with a w/c of 0.25. Nevertheless, the analysis of specific heat flow indicated that the mixture with a w/c of 0.35 exhibited the highest total heat generated. This finding supports the assumption that the water content required for complete hydration should be greater than 35 wt.% of the total cement. The developed model demonstrated reliable predictions of the mechanical properties and microstructural matrix under different w/c ratios. Moreover, nano-silica and nano-red mud were incorporated into the cement models to explore their effects on mechanical properties. The findings indicated that replacing cement with nano-silica (up to 5%) can enhance the mechanical performance of cement-based materials, and exceeding this limit may have a detrimental impact on the cement paste properties. While the nRM worked as a filler material. Furthermore, incorporating ZIF-67 nanoparticles led to significant improvements in compressive and tensile strengths at a 0.5 wt% replacement, indicating potential enhancements in both mechanical and hydration properties of cement-based materials.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Al-Osta, Mohammed
Committee Co-Advisor:	AL-AMOUDI, OMAR
Committee Members:	Shamsad, Ahmad and Saleh, Tawfik and Drmosh, Qasem
Depositing User:	WALEED ALAWSH (g201404260)
Date Deposited:	02 Jan 2025 07:44
Last Modified:	02 Jan 2025 07:44
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143216