EFFECT OF CO2 ON THE PERFORMANCE AND SUSTAINABILITY OF LIMESTONE CALCINED CLAY CONCRETE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS THESIS) MS THESIS g202212200 (updated).pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 18 May 2026. Download (24MB)

Arabic Abstract

هناك حاجة متزايدة لإجراء أبحاث لاستكشاف حلول مبتكرة لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في قطاع البناء، مع الحفاظ في الوقت نفسه على أداء الخرسانة أو تحسينه. تستكشف هذه الدراسة دمج حمض الكربونيك (H2CO3) وبيكربونات الصوديوم (NaHCO3) في الأسمنت البورتلاندي العادي (OPC)، والأسمنت المقاوم للكبريتات (SRC)، وأسمنت الطين المحروق بالجير (LC3) للتحقق من تأثيراتها على التفاعل المبكر مع الماء، والخصائص الميكانيكية، وتطور البنية المجهرية. تم تطوير أسمنت LC3 عن طريق استبدال جزئي للكلنكر التقليدي بالطين المحروق والجير، اللذين يتميزان ببصمة كربونية أقل وخصائص قوة مشابهة للأسمنت البورتلاندي العادي. تفوق NaHCO3 على.( H2CO3) تم دمج جرعات مختلفة من NaHCO3 (0%، 1%، 3%، و5%) لتقييم تأثيرها على حركية تفاعل الاسمنت مع الماء، والأداء الميكانيكي، والبنية المجهرية. تشمل الاختبارات التي تم إجراؤها القياسات الحرارية، والهبوط (الجريان)، واختبارات القوة الانضغاطية والشد، وقياس الكثافة، وامتصاص الماء، وتطور الرقم الهيدروجيني، والأشعة السينية (XRD)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM-EDS). أظهرت النتائج أن H2CO3 لم يكن له تأثير كبير، بينما أدت الجرعات المعتدلة من (من NaHCO3 1% لـ LC3 و 3% لـ OPC) إلى تحسين التفاعل المبكر مع الماء والخصائص الميكانيكية من خلال تعزيز الكربنة الداخلية، وزيادة مواقع التكوين لمنتجات التفاعل، وتحسين كثافة البنية المجهرية. ومع ذلك، فإن التركيزات الأعلى (5%) أثرت سلبًا على الأداء بسبب الكربنة الزائدة. مقارنةً بذلك، أظهر أسمنت LC3 خصائص ميكانيكية ودوام متفوقة عند الجرعات المثلى من NaHCO3، كما تبين من خلال قوة انضغاطية أعلى، وامتصاص ماء أقل، وبنية مجهرية أكثر كثافة من أسمنت OPC، وذلك بفضل النشاط البوزولاني للطين المحروق والجير. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانات LC3 كبديل مستدام قادر على توفير خرسانة قوية ودائمة مع تقليل كبير في التأثير البيئي. إن تحسين جرعة NaHCO3 أمر بالغ الأهمية لتحقيق أقصى استفادة من الأداء مع تقليل مخاطر تأثيرات هيكلية.

English Abstract

There is a growing need for research exploring innovative solutions to reduce CO2 emissions in the construction sector while maintaining or improving concrete performance. This research examines the incorporation of carbonic acid (H2CO3) and sodium bicarbonate (NaHCO3) in ordinary Portland cement (OPC), sulfate resisting cement (SRC) and limestone calcined clay cement (LC3) to investigate its effects on early-age hydration, mechanical properties, and microstructural evolution. LC3 cement was developed by partially substituting traditional clinker with calcined clay and limestone, known for their lower carbon footprint and comparable strength properties to OPC. NaHCO3 outperformed the H2CO3. Various dosages of NaHCO₃ (0%, 1%, 3%, and 5%) were incorporated to assess their impact on cement hydration kinetics, mechanical performance, and microstructure. Tests conducted include thermal, slump, compressive and tensile strength assessments, density measurement, water absorption, pH evolution, X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM-EDS). Results demonstrated that H2CO3 showed no significant effect whereas, moderate dosages of NaHCO3 (1% for LC3 and 3% for OPC) enhanced early-age hydration and mechanical properties by promoting internal carbonation, increasing nucleation sites for hydration products, and improving microstructural density. However, higher concentrations (5%) negatively impacted performance due to excessive carbonation. Comparatively, LC3 demonstrated superior mechanical and durability properties at optimal NaHCO3 dosages, evidenced by higher compressive strengths, reduced water absorption, and a denser microstructure than OPC, owing to the pozzolanic activity of calcined clay and limestone. These findings highlight LC3's potential as a sustainable alternative capable of providing strong and durable concrete with a significantly reduced environmental impact. Optimizing NaHCO3 dosage is critical to maximizing performance benefits while minimizing structural integrity risks.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Albu Shaqraa, Abbas Ahmed
Committee Co-Advisor:	Adekunle, Saheed Kolawole
Committee Members:	Mukhtar, Faisal and Khalid, Hammad and Hanif, Asad
Depositing User:	ARQAM AZEEM (g202212200)
Date Deposited:	20 May 2025 06:14
Last Modified:	20 May 2025 06:14
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143379