CARBONATION-CURED MAGNESIUM OXYCHLORIDE CEMENT INCORPORATING BAUXITE RESIDUE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis Khalilullah Ansari (g202313270).pdf Restricted to Repository staff only until 23 December 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

تُبحث في هذه الدراسة تأثير المعالجة بالتكربن على إسمنت أوكسي كلوريد المغنيسيوم (MOC) عند دمج الطين الأحمر (RM) كبديل جزئي لأكسيد المغنيسيوم (MgO). يهدف البحث إلى تحسين أداء واستدامة روابط الـ MOC من خلال خفض استهلاك MgO، والاستفادة من النفايات الصناعية، وتحسين ثبات الأطوار عبر التحكم في عملية التكربن. جرى تحضير عجائن MOC باستبدال MgO بنسب 0٪، 10٪، 20٪، 30٪، 40٪، و50٪ من RM، ثم تعريضها للمعالجة الهوائية ولمعالجة التكربن. وشملت عملية التوصيف الشاملة اختبارات مقاومة الضغط، وقياس الأس الهيدروجيني (pH)، والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR)، والحيود السيني (XRD)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، إضافة إلى تقييم معامل التليين، وذلك لتحديد آليات الإماهة والتكربن والاستقرار.أظهرت النتائج أن المعالجة بالتكربن حسّنت بشكل ملحوظ مقاومة الضغط ومقاومة الماء للخلطات المعدلة بـ RM. فقد حقق استبدال 10٪ من MgO أعلى مقاومة ضغط بلغت 66 ميغاباسكال بعد 14 يوماً، وهو ما يمثل زيادة تقارب 7.6٪ مقارنة بالعينات المعالَجة هوائياً. كما بلغ معاملا التليين لبدائل 10٪ و20٪ قيمتي 0.78 و0.80، أي ما يقارب ضعف قيمة خليط MOC القياسي. وأكدت تحاليل FTIR وXRD تحول الأطوار غير المستقرة في MOC إلى أطوار كربونات أكثر استقراراً مثل الهيدروماغنسيات، والدايبينغيت، والكلورارتينيت. كما أن ظهور قمم كربونات واضحة عند 1420–1485 سم⁻¹، وانعكاسات XRD المميزة لكربونات المغنيسيوم القاعدية، وصور SEM التي تُظهر مورفولوجيا نواتج الإماهة المتوافقة مع مختلف كربونات المغنيسيوم المميّهة (HMCs)، إضافة إلى الفقد في الوزن (%) بين 500–900 °م خلال اختبار TGA، كلها تشير إلى فعالية امتصاص ثاني أكسيد الكربون. أظهر تحليل pH انخفاضاً طفيفاً بعد التكربن، مع استقرار القيم بين 9.9 و10.7، مع بقائها في مدى قلوية كافٍ لضمان متانة المادة. ومن منظور الاستدامة، أدى استبدال 10–50٪ من MgO بـ RM إلى خفض انبعاثات CO₂ العملية بمقدار يتراوح بين 28.258 و31.616 كغ CO₂ لكل طن من الخلطة. وبذلك تُظهر عجائن MOC المكربنة المحتوية على الطين الأحمر خصائص ميكانيكية أفضل، واستقراراً مائياً أعلى، وانخفاضاً في البصمة الكربونية. تثبت هذه الدراسة أن دمج RM مع MOC واعتماد المعالجة بالتكربن يوفران مساراً عملياً وفعالاً بيئياً لإنتاج مواد إنشائية مغنيسيومية منخفضة الكربون وعالية المتانة. الكلمات المفتاحية: الطين الأحمر، إسمنت أوكسي كلوريد المغنيسيوم، المعالجة بالتكربن، مقاومة الماء، المركبات

English Abstract

The effect of carbonation curing on magnesium oxychloride cement (MOC) incorporating red mud (RM) as a partial replacement for magnesium oxide (MgO) is examined in this study. The research aims to enhance the performance and sustainability of MOC binders by reducing MgO consumption, utilizing industrial waste, and improving phase stability through controlled carbonation. MOC pastes were prepared with 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 50% MgO replacement by RM and were subjected to both air and carbonation curing. A comprehensive characterization including compressive strength testing, pH measurement, FTIR, XRD, SEM and softening coefficient evaluation was conducted to identify hydration, carbonation, and stability mechanisms. Results showed that carbonation curing significantly improved the strength and water resistance of the RM-modified mixes. The 10% RM replacement achieved the highest compressive strength of 66 MPa after 14 days, representing an increase of about 7.6% compared with air-cured specimen. The softening coefficients of 10% and 20% reached 0.78 and 0.80, nearly two times the value of the control MOC mix. FTIR and XRD analysis confirmed the transformation of unstable MOC phases into more stable carbonate phases such as hydromagnesite, dypingite, and chlorartinite. Distinct carbonate peaks at 1420–1485 cm⁻¹, characteristic XRD reflections of basic magnesium carbonates, SEM images showing morphology of hydration products matching with different hydrated magnesium carbonates (HMCs), and weight loss (%) between 500 ºC-900 ºC during TGA testing, indicates effective CO₂ uptake. pH analysis showed a slight decrease after carbonation, stabilizing between 9.9 and 10.7, while remaining sufficiently alkaline for material durability. From a sustainability perspective, replacing 10–50% of MgO with RM reduced process CO₂ emissions by 28.258-31.616 kg CO₂ per ton of mix. The red-mud-incorporated carbonation-cured MOC pastes therefore exhibit improved mechanical properties, enhanced water stability, and reduced embodied carbon. This research establishes that integrating RM with MOC and adopting carbonation curing offers a technically viable and environmentally beneficial route for producing durable, low-carbon magnesium-based construction materials. Keywords; red mud, magnesium oxychloride cement, carbonation curing, water resistance, supplementary cementitious composites.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Hanif, Asad
Committee Members:	Mukhtar, Faisal and Khalid, Hammad Raza
Depositing User:	KHALILULLA ANSARI (g202313270)
Date Deposited:	23 Dec 2025 09:55
Last Modified:	23 Dec 2025 09:55
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143843