INVESTIGATING THE POTENTIALS OF UTILIZING MODIFIED RED MUD AS ENGINEERING FILL MATERIAL. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis (Hosam Shehab-202317610) - Last Full Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 13 October 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

تبحث هذه الأطروحة في إمكانية الاستفادة من الطين الأحمر (Red Mud)، وهو ناتج ثانوي صناعي لعملية باير المستخدمة في إنتاج الألومينا، كمادة ردم هندسية. يُنتَج الطين الأحمر بكميات كبيرة عالميًا، وتسبب خصائصه الكيميائية والفيزيائية، مثل القلوية العالية ودقة حجم الجسيمات وإمكانية تسرب المعادن الثقيلة، تحديات بيئية وهندسية في التخلص منه. في المملكة العربية السعودية، يُنتَج الطين الأحمر من خام البوكسيت في موقع الزبيرة، إلا أن خصائصه الجيوتقنية والبيئية لم يتم توثيقها بشكل كافٍ بعد. تهدف هذه الدراسة إلى إجراء تقييم منهجي للطين الأحمر الخام والمعالج لتحديد مدى صلاحيته للاستخدام في التطبيقات الجيوتقنية. أُجريت الدراسة على مرحلتين. تناولت المرحلة الأولى توصيف الطين الأحمر غير المعالج من خلال اختبارات فيزيائية وكيميائية وجيوتقنية وبيئية شملت الكثافة النوعية، حدود أتربرج، التدرج الحبيبي، الدمك، الانضغاطية، مقاومة الضغط غير المحصور (UCS)، القص المباشر، النفاذية، وقياس الأس الهيدروجيني. كما تم تقييم الأداء البيئي باستخدام اختبار الرشح القياسي (TCLP) لقياس قابلية انتقال المعادن الثقيلة. وقد وفرت هذه الاختبارات بيانات أساسية عن الخصائص الهندسية والبيئية للطين الأحمر الخام. أما المرحلة الثانية، فقد ركزت على تحسين الطين الأحمر من خلال المعالجة بالتثبيت/التصلب (S/S) باستخدام إضافات مختلفة تشمل الرمل والإسمنت والجير والفحم الحيوي، وبنسب متباينة. جرى تحضير الخلطات عند الكثافة الجافة العظمى (MDD) ومحتوى الرطوبة الأمثل (OMC) كما حُدد من اختبار بروكتور المعدل. تم تقييم الأداء من خلال اختبارات UCS والقص المباشر والنفاذية واختبار TCLP. إضافة إلى ذلك، خضعت بعض الخلطات المختارة لتحاليل متقدمة باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD) والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء (FTIR) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لدراسة التغيرات المعدنية والكيميائية والبنيوية الدقيقة الناتجة عن المعالجة. أظهرت النتائج أن الطين الأحمر الخام يتميز بنعومته وحساسيته للرطوبة،، وقابلية ملحوظة لانتقال بعض المعادن مثل الكروم والفاناديوم والباريوم، مما يحد من استخدامه المباشر في الأعمال الجيوتقنية. في المقابل، حسّنت إضافات الإسمنت والجير من القوة والانضغاطية بفضل التفاعلات الكيميائية (الترطيب والتفاعلات البوزولانية)، بينما ساهم الرمل في تحسين الكثافة ومقاومة القص، وأسهم الفحم الحيوي في تقليل الرشح وتعديل البنية الدقيقة، مع تأثير محدود على القوة عند الجرعات العالية. كما أكدت الفحوصات الميكروسكوبية والمعدنية تكوين مواد إسمنتية جديدة وتغيرات بلورية وتأثيرات مالئة انعكست إيجابًا على الأداء الهندسي للخلطات. وأخيرًا، تُظهر هذه الدراسة أن الطين الأحمر في السعودية يمكن اعتباره موردًا هندسيًا مستدامًا عند معالجته بشكل مناسب. وتشمل الآثار العملية تقليل الاعتماد على تربة الردم الطبيعية، والحد من المخاطر البيئية المرتبطة بتخزين الطين الأحمر، ودعم ممارسات البناء المستدام في المملكة. كما توصي الدراسة بأبحاث مستقبلية تشمل التحقق الحقلي، ودراسة المتانة طويلة الأمد تحت ظروف مناخية وأحمال مختلفة، واستكشاف طرق معالجة إضافية أو مركبة لتحسين الكفاءة الاقتصادية والبيئية. وبذلك، تسهم هذه الأطروحة في تطوير فهم أوسع لإعادة توظيف المخلفات الصناعية، وتقدم إطارًا علميًا لإعادة استخدام الطين الأحمر في التطبيقات الجيوتقنية.

English Abstract

This thesis examines the potential of utilizing red mud (RM), a by-product of the Bayer process in alumina production, as an engineering fill material. RM is produced in large quantities worldwide, and its disposal creates environmental and economic challenges due to its high alkalinity, fine particle size, and potential for heavy metal leaching. In Saudi Arabia, RM is generated from the Az Zabirah bauxite deposit, but its geotechnical and environmental properties have not been fully documented. This study provides a systematic evaluation of untreated and stabilized Saudi RM to assess its feasibility for reuse in geotechnical engineering applications. The research was carried out in two phases. The first phase involved characterizing untreated RM through physical, chemical, geotechnical, and environmental testing, including specific gravity, Atterberg limits, particle size distribution, compaction, consolidation, unconfined compressive strength (UCS), direct shear, permeability, and pH. Environmental performance was examined using the Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP) to determine the mobility of heavy metals. These tests established the baseline engineering and environmental properties of RM. In the second phase, stabilization/solidification (S/S) treatment was applied using sand, cement, lime, and biochar at different proportions. The stabilized mixes were compacted at maximum dry density (MDD) and optimum moisture content (OMC) obtained from Modified Proctor testing. Performance was assessed through UCS, direct shear, permeability, and TCLP. Selected mixes were also analyzed using X-ray diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Scanning Electron Microscopy (SEM) to study mineralogical, chemical, and microstructural changes. The findings indicate that untreated RM exhibits a fine particle size, moisture sensitivity, and measurable leaching of trace metals, which restrict its direct use in geotechnical applications. Stabilization with cement and lime improved strength and compressibility, while sand enhanced density and shear resistance. Biochar contributed to reduced leaching and microstructural modification. Microstructural tests indicated the presence of cementitious gels, crystalline changes, and filler effects that influenced the engineering performance of the mixes. Ultimately, this research underscores the potential for Saudi RM to be reclassified from a waste product into a sustainable engineering material when treated with suitable stabilizers. Practical implications include reducing the demand for natural borrow soils, minimizing environmental risks associated with RM disposal, and supporting sustainable construction practices in Saudi Arabia. Future research should extend to field-scale validation, long-term durability studies under variable climatic and loading conditions, and the exploration of additional treatment methods to further enhance environmental safety. By addressing these aspects, this thesis contributes to the growing body of knowledge on the valorization of industrial waste. It provides a framework for the beneficial reuse of RM in geotechnical engineering applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Geotechnical Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	ALI, SYED UMAIR
Committee Members:	AZIZ, MUBASHIR and ONAIZI, SAGHEER
Depositing User:	HUSSAM SHEHAB (g202317610)
Date Deposited:	28 Oct 2025 05:57
Last Modified:	28 Oct 2025 05:57
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143728