CO2 SEQUESTRATION POTENTIAL OF STRUCTURAL LIGHTWEIGHT CEMENTITIOUS COMPOSITE INCORPORATING CENOSPHERE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) IRFAN HANIEF-G202390210-MS THESIS.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 29 December 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

تُحفّز الحاجة إلى أنظمة إسمنتية منخفضة الكربون وذات كفاءة طاقية عالية دراسة الخلطات الخرسانية خفيفة الوزن المعتمدة على الميكروسفيرات الطينية المتطايرة (FAC) لإنتاج مركّبات خرسانية خفيفة الوزن إنشائية (SLWCC) تحت المعالجة بالتكربن المعجّل (ACC). تم إعداد خلطات خرسانية خفيفة الوزن تحتوي على نسب متغيرة من FAC تتراوح بين 30–50% من وزن الإسمنت، وبنسبة ماء إلى إسمنت ثابتة تبلغ 0.4، مما أدى إلى تحقيق انخفاضات كبيرة في الكثافة من 2080 كجم/م³ للخلطة المرجعية إلى 1170 كجم/م³ للخلطة ذات أعلى نسبة من FAC. تم اختبار المادة الإسمنتية المطوّرة من حيث قابلية التشغيل، الكثافة، الامتصاص المائي، مقاومة الضغط والانحناء، التوصيل الحراري، والخصائص المجهرية. وبعد 28 يوماً، سجّلت خلطات 30% و40% FAC مقاومات ضغط بلغت 47.4 ميغاباسكال و44.5 ميغاباسكال على التوالي، وهي قيم أعلى بكثير من متطلبات الخرسانة خفيفة الوزن الإنشائية. وقد حسّنت المعالجة بالتكربن المعجّل الأداء بشكل رئيسي في المراحل المبكرة من خلال ترسيب كربونات الكالسيوم وتكثيف البنية وتقليل الامتصاص المائي. كما انخفض معامل التوصيل الحراري للخلطة المرجعية (1.98 واط/م·كلفن) بشكل ملحوظ ليصل إلى 0.58–0.73 واط/م·كلفن في الخلطات الغنية بـ FAC، دون تأثير كبير للتكربن على هذا الانخفاض. وأظهرت الدراسات الميكروية (SEM, XRD, FTIR) سلامة أغلفة FAC، ونشاطاً بوزولانياً موضعياً، واستهلاك هيدروكسيد الكالسيوم، وتكوّن الكالسيت بنمط مرتبط بالعمق، كما أكدت زيادة كثافة منطقة الانتقال البيني (ITZ) تحت تأثير ACC. وبشكل عام، تُظهر الدراسة أن دمج FAC يُنتج خرسانات خفيفة الوزن إنشائية ذات مقاومة حرارية محسّنة، بينما تؤدي المعالجة بالتكربن المعجّل إلى تحسينات في تطور مقاومة الضغط المبكرة، وصقل المسامية، وزيادة احتجاز ثاني أكسيد الكربون.

English Abstract

The need for low-carbon, energy-efficient cementitious systems motivates the investigation of fly ash cenosphere (FAC)–based structural lightweight composites (SLWCC) under accelerated carbonation curing (ACC). Lightweight composites (LWC) incorporating a varying percentage of 30-50% FAC by the weight of cement were prepared at a constant w/c ratio of 0.4, achieving significant density reductions from 2080 kg/m3 for reference mix to 1170 kg/m3 for the mix containing highest percentage of FAC. The developed cementitious material was tested for workability, density, water absorption, compressive and flexural strength, thermal conductivity, and microstructural characteristics At 28 days, the 30 percent and 40 percent FAC mixes had compressive strengths of 47.4 MPa and 44.5 MPa, respectively, which is significantly higher than the structural lightweight concrete requirements. Accelerated carbonation curing (ACC) primarily increased performance at early age by precipitation of CaCO3 and densification of the matrix and reduction in water absorption. The thermal conductivity of the reference mixture (1.98 W/mK) was reduced significantly to 0.58-0.73 W/mK in FAC-rich composites, which was only slightly affected by carbonation. The microstructural studies (SEM, XRD, FTIR) indicated consistent FAC shells, localized pozzolanic activity, consumption of portlandite, and depth-related calcite formation, and validated the intensified ITZ densification under ACC. Overall, the study demonstrates that FAC incorporation effectively produces SLWCC with enhanced thermal resistance, while ACC introduces modifications in early-age strength development, pore refinement, and CO₂ sequestration.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Hanif, Asad
Committee Members:	Adekunle, Saheed Kolawole and Mukhtar, Faisal
Depositing User:	IRFAN BHAT (g202390210)
Date Deposited:	29 Dec 2025 12:12
Last Modified:	29 Dec 2025 12:12
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143923