Development of New Lightweight Geopolymer System. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.
![]() |
PDF (Final Thesis Draft)
Final Thesis Draft - Idham Kholid Rahmatullah.pdf - Draft Version Restricted to Repository staff only until 23 June 2026. Download (3MB) |
Arabic Abstract
تم استخدام الأسمنت البورتلاندي على نطاق واسع في عمليات تدعيم الآبار لعقود عدة، نظراً لما يتمتع به من قوة عالية ومتانة كبيرة. ومع ذلك، فإن استمرارية استخدامه تثير مخاوف بيئية كبيرة، إذ يُعرف أن إنتاج الأسمنت البورتلاندي يساهم بنسبة تتراوح بين 5–8٪ من إجمالي انبعاثات الكربون العالمية. لذلك، فإن تطوير وتنفيذ بدائل غير معتمدة على الأسمنت البورتلاندي أصبح أمراً ضرورياً للحد من الاعتماد على أنظمة الأسمنت التقليدية. يُعد أسمنت الجيوبوليمر خياراً بديلاً صديقاً للبيئة، حيث يستخدم مواد ألومينوسيليكاتية كمكونات أساسية للربط. ومع ذلك، لا تزال الدراسات المتعلقة بتطوير أسمنت الجيوبوليمر، خصوصاً الأنظمة المصممة بكثافة منخفضة، محدودة. تهدف هذه الدراسة إلى استكشاف إمكانية استخدام مواد غير بورتلاندية كمكونات رابطة في أسمنت الجيوبوليمر خفيف الوزن. تم اختيار الألياف الزجاجية المعززة بالبلاستيك (GFRP)، والسكوريا البركانية (VS)، وخبث الأفران العالية المحبب والمطحون (GGBFS) كمصادر رئيسية للمواد الرابطة في هذه الدراسة. وقد تم دمج هذه المواد مع عدة منشطات كيميائية تشمل هيدروكسيد الصوديوم (NaOH)، ميتاسيليكات الصوديوم (Na₂SiO₃)، وهيدروكسيد البوتاسيوم (KOH)، بنسب مختلفة بهدف تحديد أفضل تركيبة لكل نظام رابط. تم إجراء اختبارات شاملة لتقييم الخصائص الميكانيكية، والسلوك الريولوجي، وثبات الأسمنت، والخصائص البتروفزيائية. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحاليل إضافية مثل قياسات زمن التثخين ودراسات التزهير لفهم أفضل لسلوك عينات الجيوبوليمر. وقد تم تصنيع جميع العينات باستخدام طريقة الجيوبوليمر أحادي المكون لتعزيز الكفاءة التشغيلية. فيما يخص أسمنت الجيوبوليمر القائم على GFRP، تم دمج 15٪ بالوزن من كل من NaOH، وNa₂SiO₃، وKOH مع المسحوق الرابط لدراسة سلوك البلمرة. أظهرت النتائج أن العينة المفعلّة بواسطة Na₂SiO₃ حققت أعلى مقاومة انضغاط ومعامل مرونة، بينما العينة المفعلّة بواسطة KOH حققت أعلى مقاومة شد. أشارت اختبارات السلوك الريولوجي إلى أن عجائن Na₂SiO₃ وفرت تعليقاً أفضل للجسيمات تحت الظروف الساكنة والديناميكية، رغم ارتفاع اللزوجة البلاستيكية. بالمقابل، أظهرت عجائن KOH لزوجة بلاستيكية منخفضة، مما يجعلها مناسبة أكثر للعمليات التي تتطلب سهولة الضخ. أظهرت اختبارات الثبات أداءً ممتازاً لجميع عينات GFRP بتحقيق أقل من 2٪ تباين في توزيع الجسيمات وأقل من 1 مل من السائل الحر. كشفت التحاليل البتروفزيائية أن تنشيط NaOH خفّض بشكل ملحوظ من المسامية والنفاذية، رغم أن العينات المنشطة بـ NaOH أظهرت ترشيحاً للصوديوم أكبر بعد 24 ساعة من المعالجة بدرجة حرارة الغرفة. مقارنةً بالأسمنت البورتلاندي، تفوقت عينات الجيوبوليمر القائمة على GFRP في معظم المعايير باستثناء الخصائص المرنة. أما في حالة أسمنت الجيوبوليمر القائم على VS، فقد تم تقييم منشطين (NaOH وKOH). وأظهرت النتائج أن NaOH أكثر فاعلية، حيث أن العينات المفعلّة بإضافة 15٪ من KOH لم تتمكن من التصلب بعد 24 ساعة. أظهرت التجارب الإضافية أن إضافة 20٪ من NaOH عززت من مقاومة الانضغاط والشد مقارنةً بالأسمنت التقليدي. وقد أظهر الجيوبوليمر القائم على VS مقاومة انضغاط وخصائص مرونة أفضل، في حين احتفظ الأسمنت البورتلاندي بمقاومة شد أعلى. من ناحية السلوك الريولوجي، تفوق الجيوبوليمر في قدرته على تعليق الجسيمات وتقليل التفاوتات في الكثافة والسائل الحر مقارنةً بالأسمنت التقليدي. إلا أن الخصائص البتروفزيائية كانت أقل قليلاً من تلك الخاصة بالأسمنت البورتلاندي التقليدي. أخيراً، تم استخدام GGBFS كمادة رابطة رئيسية، مع تنشيطها باستخدام KOH أو NaOH. ورغم أن كلا المنشطين أظهرا أداءً مقبولاً، فقد فُضّل استخدام NaOH بسبب قدرته على تقليل المسامية والنفاذية في الجيوبوليمر القائم على الخبث. أظهرت اختبارات الخصائص الميكانيكية أن إضافة 10٪ من NaOH حققت أعلى مقاومة انضغاط، في حين أن إضافة 5٪ أنتجت أعلى مقاومة شد. كما أن زيادة محتوى المنشط حسنت السلوك الريولوجي وثبات العجينة، مع تحقيق تفاوت كثافة أقل من 1٪. وأظهرت اختبارات زمن التثخين أن العينة التي أضيف لها 10٪ من NaOH كان لها أقصر وقت تثخين، بينما العينة بنسبة 5٪ سجلت أطول وقت للتثخين. وبالمثل، تحسنت الخصائص البتروفزيائية مع زيادة محتوى المنشط. في الختام، يوفر أسمنت الجيوبوليمر بديلاً فنياً واقتصادياً وبيئياً واعداً للأسمنت البورتلاندي. وإلى جانب تقليل التكاليف التشغيلية، فإن تطوير أسمنت الجيوبوليمر باستخدام مواد صخرية ومخلفات صناعية محلية يمكن أن يسهم بشكل كبير في تعزيز استغلال الموارد المحلية ودعم بيئة أكثر خضرة واستدامة
English Abstract
Portland cement has been widely used in wellbore cementing operations for several decades due to its high strength and durability. However, its continued use poses significant environmental concerns. It is widely recognized that the production of Portland cement accounts for approximately 5–8% of global carbon emissions. Therefore, the development and implementation of non-Portland cement alternatives are crucial to reducing reliance on traditional cement systems. Geopolymer cement, a green alternative, utilizes aluminosilicate materials as primary binders. Nevertheless, research on geopolymer cements, particularly those designed for lightweight applications, remains limited. This study investigates the potential use of non-Portland materials as binders for lightweight geopolymer cement. The glass fiber reinforced plastic (GFRP), volcanic scoria (VS), and ground granulated blast furnace slag (GGBFS) were selected as binder sources in this study. These materials were combined with various chemical activators, including sodium hydroxide (NaOH), sodium metasilicate (Na₂SiO₃), and potassium hydroxide (KOH), at different concentrations to determine the optimal formulation for each binder system. Comprehensive tests were conducted to evaluate mechanical properties, rheological behavior, cement stability, and petrophysical properties. Additional analyses, such as thickening time measurements and efflorescence studies, were performed to better understand the behavior of the geopolymer samples. All samples were synthesized using the one-part geopolymer method to enhance operational effectiveness. In the case of GFRP-based geopolymer cement, each sample incorporated 15% by weight of binder (BWOB) of either NaOH, Na₂SiO₃, or KOH to investigate the polymerization behavior. Results revealed that the Na₂SiO₃-activated sample exhibited the highest compressive strength and elastic modulus, while the KOH-activated sample achieved the highest tensile strength. Rheological tests indicated that Na₂SiO₃-based slurries provided superior particle suspension under static and dynamic conditions, albeit at the cost of higher plastic viscosity. Conversely, the KOH-activated slurry displayed lower plastic viscosity, making it attractive for operations requiring easier pumping. Stability tests demonstrated excellent cement stability across all GFRP-based samples, achieving particle segregation below 2% and free fluid volumes below 1 mL. Petrophysical analysis showed that NaOH activation notably reduced porosity and permeability. However, samples activated with NaOH exhibited more significant sodium leaching after 24 hours at room temperature. Compared to Portland cement, GFRP-based geopolymer cement outperformed in most parameters except for elastic properties. For VS-based geopolymer cement, two activators (NaOH and KOH) were evaluated. It was found that NaOH was more effective, as samples activated with 15% KOH failed to solidify after 24 hours. Further testing revealed that adding 20% NaOH enhanced the compressive and tensile strengths compared to Portland cement. The VS-based geopolymer demonstrated superior compressive strength and elastic properties, whereas Portland cement retained a higher tensile strength. In rheological behavior, the geopolymer exhibited better solid particle suspension and reduced density variations and free fluid. Petrophysical properties, however, were slightly inferior to those of traditional Portland cement. Finally, GGBFS was employed as a primary binder, activated with either KOH or NaOH. Although both activators produced acceptable results, NaOH was preferred due to its ability to reduce porosity and permeability in the slag-based geopolymer. Mechanical property testing revealed that a 10% NaOH addition achieved the highest compressive strength, whereas a 5% NaOH addition yielded the highest tensile strength. Increasing the activator content also improved the slurry's rheological behavior and stability, with density variation consistently below 1%. Thickening time tests showed that the 10% NaOH sample had the shortest thickening time, while the 5% NaOH sample had the longest. Similarly, increasing the activator concentration improved petrophysical properties. In conclusion, geopolymer cement presents a technically, economically, and environmentally viable alternative to Portland cement. Beyond reducing operational costs, the development of geopolymer cements using domestically sourced rock-based and industrial waste materials can significantly promote the use of local resources and contribute to a greener and more sustainable environment.
Item Type: | Thesis (Masters) |
---|---|
Subjects: | Petroleum Petroleum > Drilling Engineering |
Department: | College of Petroleum Engineering and Geosciences > Petroleum Engineering |
Committee Advisor: | Elkatatny, Salaheldin |
Committee Members: | El-Fattah, Ahmed Mohsen Sabry Abd and Mahmoud, Ahmed Abdulhamid Ahmed |
Depositing User: | IDHAM RAHMATULLAH (g202210160) |
Date Deposited: | 23 Jun 2025 08:43 |
Last Modified: | 23 Jun 2025 08:43 |
URI: | http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143574 |