Use of Industrial Waste-Based Binders with CO2 Curing to Stabilize Local Marginal Soils. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) MS Thesis_ Shuaib Bashir Mir_ g202308530_ Dec 2025.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 31 December 2026. Download (66MB)

Arabic Abstract

غالبًا ما تُظهر التربة الهامشية في المناطق الجافة مقاومة قص منخفضة، وقابلية انضغاط عالية، وأداءً ميكانيكيًا ضعيفًا في ظل تغيرات الرطوبة، مما يحد من استخدامها المباشر في التطبيقات الجيوتقنية. يُعد التثبيت التقليدي باستخدام الأسمنت أو الجير فعالًا، ولكنه يرتبط بانبعاثات كربونية عالية. تبحث هذه الدراسة في استخدام المواد الرابطة المشتقة من المخلفات الصناعية كبدائل مستدامة لتثبيت الترب الهامشية المحلية، مع التركيز على التأثير المشترك للتركيب الكيميائي للمادة الرابطة ومعالجة التربة بثاني أكسيد الكربون (CO2). أُجري برنامج تجريبي منظم باستخدام خبث الأفران العالية المحبب المطحون (GGBS) كمادة رابطة أساسية، مع استبدال جزئي بأبخرة السيليكا (SF) أو غبار فرن الأسمنت (CKD). تم تحضير العينات في ظروف دمك مضبوطة، وقُيّمت في ظل ظروف معالجة عادية مضبوطة الرطوبة (NC)، ومعالجة بثاني أكسيد الكربون (CC؛ 125 كيلو باسكال لمدة 7 أيام). تم تقييم الأداء الميكانيكي باستخدام اختبارات مقاومة الضغط غير المحصور (UCS)، ونسبة التحمل الكاليفورنية بعد النقع (CBR)، واختبارات الانضغاط أحادي البعد. كما أُجري توصيف دقيق للبنية المجهرية لعينات التربة باستخدام حيود الأشعة السينية (XRD)، والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، والتحليل الحراري الوزني (TGA)، والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM)، والتحليل الطيفي للإلكترونات بالأشعة السينية (XPS)، بالإضافة إلى القياس الحراري متساوي الحرارة، وذلك لدعم تفسير الاستجابة الجيوميكانيكية. أظهرت النتائج أن النسبة المثلى لخبث الأفران العالية المحبب المطحون (GGBS) تبلغ 22% (وزنًا من التربة)، وقد تم تحديدها استنادًا إلى الكفاءة الميكانيكية وليس إلى مقاومة الضغط القصوى فقط. عند هذه النسبة، ارتفعت مقاومة الضغط غير المحصور (UCS) بعد 28 يومًا من 21 كيلو باسكال إلى 9.7 ميجا باسكال، وهو ما يمثل زيادة تتجاوز 460 ضعفًا مقارنةً بالتربة غير المعالجة، ويعكس انتقال السلوك الميكانيكي نحو مادة مركبة إسمنتية. وقد أدى الاستبدال الجزئي لهذه النسبة المثلى من خبث الأفران العالية المحبب (22%) من خلال المزج الثنائي إلى مزيد من التحسن في الأداء الجيوتقني؛ حيث حقق الاستبدال بنسبة 15% من خبث الأفران العالية المحبب (من كتلة المادة الرابطة) باستخدام غبار فرن الأسمنت (CKD) أعلى مقاومة ضغط غير محصور بعد 28 يومًا بلغت 13.27 ميجا باسكال، في حين أدى الاستبدال بنسبة 15% من خبث الأفران العالية المحبب (من كتلة المادة الرابطة) باستخدام أبخرة السيليكا (SF) إلى الوصول إلى مقاومة ضغط غير محصور قدرها 11.55 ميجا باسكال. تشير نتائج القياس الحراري متساوي الحرارة إلى أن غبار فرن الأسمنت (CKD) يُسهِم في التنشيط الكيميائي لخبث الأفران العالية المحبب (GGBS)، ويتضح ذلك من ظهور ذروة ترطيب ثانوية بارزة بين 18 و24 ساعة. يتوافق هذا السلوك مع تحسن تطور المقاومة في المراحل المبكرة، وارتفاع قيم نسبة تحمل كاليفورنيا (CBR) بعد التشبع (>130%)، وأدنى معامل انضغاط (Cc) مُلاحظ في خليط GGBS-CKD. في المقابل، أظهر استبدال أبخرة السيليكا (SF) "تأخرًا في الترطيب" نتيجةً لنقص التفاعل الكيميائي في المراحل المبكرة ونقص الكالسيوم. أظهرت معالجة ثاني أكسيد الكربون استجابةً تعتمد بشكل كبير على نوع الخلطة، حيث عززت قوة الخلطات الغنية بالكالسيوم، بينما قللت من قوة الخلطات التي تحتوي على الخبث فقط نتيجةً لانخفاض القلوية الناتج عن الكربنة. وبشكل عام، تُظهر الدراسة أن الخلطات المُكوّنة من خبث الأفران العالية المحبب ومسحوق أفران الأسمنت تُوفر استراتيجية تثبيت عالية الأداء ومنخفضة الكربون للتربة الهامشية المحلية.

English Abstract

Marginal soils in arid regions often exhibit low shear strength, high compressibility, and poor mechanical performance under moisture variation, limiting their direct use in geotechnical applications. Conventional stabilization using cement or lime is effective but associated with high carbon emissions. This study investigates the use of industrial by-product binders as sustainable alternatives for stabilizing local marginal soils, with emphasis on the combined influence of binder chemistry and carbon dioxide (CO2) curing. A structured experimental program was carried out using Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBS) as the primary binder, with partial replacement by Silica Fume (SF) or Cement Kiln Dust (CKD). Specimens were prepared at controlled compaction conditions and evaluated under normal moisture-controlled curing (NC), and CO2 curing (CC; 125 kPa for 7 days). Mechanical performance was assessed through Unconfined Compressive Strength (UCS), soaked California Bearing Ratio (CBR), and One-Dimensional Compressibility tests. Microstructural characterization of soil samples was conducted using X-ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy, Thermogravimetric Analysis (TGA), Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and Isothermal Calorimetry to support interpretation of the geomechanical response. The results identify an optimum GGBS content of 22% (by weight of soil), defined based on mechanical efficiency rather than maximum strength alone. At this dosage, the 28-day UCS increased from 21 kPa to 9.7 MPa, representing an increase of over 460-fold compared to the untreated soil and reflecting a transition toward cemented composite behavior. Partial replacement of this optimum GGBS content (22%) through binary blending further enhanced the geotechnical performance; 15% replacement of GGBS (by mass of binder) with CKD achieved the highest 28-day UCS of 13.27 MPa, while 15% replacement of GGBS (by mass of binder) with SF reached 11.55 MPa. Isothermal Calorimetry results indicate that CKD facilitates chemical activation of GGBS, as evidenced by a pronounced secondary hydration peak between 18 and 24 hours. This behavior is consistent with the enhanced early-age strength development, high soaked CBR values (>130%), and the lowest Compression Index (Cc) observed in the GGBS-CKD mixture. Conversely, SF replacement exhibited a "hydration lag" due to a lack of early-age chemical reactivity and calcium deficiency. CO2 curing exhibited a strongly mix-dependent response, enhancing strength in calcium-rich mixtures while reducing strength in slag-only mixtures due to carbonation-induced alkalinity reduction. Overall, the study demonstrates that blended mixtures based on GGBS and CKD provide a high-performance and lower-carbon stabilization strategy for local marginal soils.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Geotechnical Engineering Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Aziz, Mubashir
Committee Members:	Naqvi, Syed Umair Ali and Farooq, Qazi Umar
Depositing User:	SHUAIB MIR (g202308530)
Date Deposited:	01 Jan 2026 10:19
Last Modified:	01 Jan 2026 10:19
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143969