DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION OF INNOVATIVE AND SUSTAINABLE ONE-PART ALKALI-ACTIVATED BINDER USING LOCALLY AVAILABLE PRECURSORS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis-Husam-Completed.pdf Restricted to Repository staff only until 7 January 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

يُسهم الأسمنت البورتلاندي العادي بحوالي 7٪ من الانبعاثات العالمية لثاني أكسيد الكربون، بينما ينتج عن صناعة الألومينا كميات كبيرة من الطين الأحمر عالي القلوية الذي يتطلب تخزينًا طويل الأمد ويمثل مصدر خطر بيئي. تهدف هذه الدراسة إلى تطوير وتقييم رابط مفعّل قلويًا أحادي المكوّن يجمع بين الطين الأحمر وخبث الأفران العالية المحبب مع منشطات صلبة، مع استهداف نظام خلط جاف يتيح إعادة استخدام النواتج الثانوية الصناعية (GGBFS) المطحون المحلية تحت ظروف إنضاج عملية. جرى توصيف الطين الأحمر وخبث الأفران العالية باستخدام فلورة الأشعة السينية FE- وتحليل توزيع حجم الحبيبات والمجهر الإلكتروني الماسح بمجال الانبعاث XRD وحيود الأشعة السينية XRF بوصفها المنشط الرئيسي. استُخدمت (Na2SiO ثم استُخدما كمواد أولية مع ميتاسيليكات الصوديوم اللامائية ( 3 ،SEM منهجية سطح الاستجابة مع تصميم مركب مركزي لتغيير محتوى الطين الأحمر بين 50 و 70 ٪ ومحتوى ميتاسيليكات الصوديوم اللامائية بين 8 و 12 ٪ عند نسبة ماء إلى رابط ثابتة قدرها 0.30 . ربطت النماذج الإحصائية هذه المتغيرات ٪ بمقاومة الضغط عند 3 و 28 يومًا وحددت خلطة مثلى مكوّنة من 50 ٪ طين أحمر و 50 ٪ خبث أفران عالية و 8 ميتاسيليكات صوديوم لامائية، مع مقاومات متوقعة في حدود 38 ميجا باسكال عند عمر 3 أيام و 62 ميجا باسكال عند عمر 28 يومًا، وقد تأكدت هذه القيم تجريبيًا. بعد ذلك جرى اختبار الخلطة المثلى مع ثلاثة منشطات صلبة مختلفة هي تحت ثلاثة نظم ، (CaCO₃) وكربونات الكالسيوم (NaOH) ميتاسيليكات الصوديوم اللامائية وهدروكسيد الصوديوم إنضاج هي الإنضاج الهوائي والحراري والمائي، مع قياس قابلية الجريان وحرارة الإماهة وزمن الشك ومقاومة الضغط xvi والكثافة والامتصاص المائي ونسبة الفراغات والبنية المجهرية. أظهرت نتائج الخلطة المنشطة بميتاسيليكات الصوديوم اللامائية أفضل أداء عام، حيث حققت مقاومة ضغط عند 28 يومًا أعلى من 60 ميجا باسكال تحت الإنضاج الهوائي وامتصاصًا مائيًا في حدود 14 إلى 15 ٪، ونسب فراغات ،³ والمائي، وكثافة حجمية جافة بين 1750 و 1820 كجم/م نافذة في حدود 24 إلى 26 ٪. أما هدروكسيد الصوديوم فقد أعطى زمن شك سريعًا لكنه ارتبط بمقاومات ضغط أقل، في حين تصرفت كربونات الكالسيوم أساسًا كمالئ، مع مسامية مرتفعة وقيم مقاومة غالبًا أقل من 25 ميجا باسكال. أن النظام XRD ونتائج EDX وخرائط FE-SEM أظهرت قياسات حرارة الإماهة وتحليل النسب المولية وصور N- مع كمية ثانوية من جل C-(N)-A-S-H المنظّم بميتاسيليكات الصوديوم اللامائية يكوّن جلًا هجينا كثيفًا من نوع بينما تبقى الخلطات المنشطة بهدروكسيد الصوديوم ،Na/Ca وSi/Al و Ca/Si مدعومًا بنسب متوازنة ل ،A-S-H وكربونات الكالسيوم أقل بلمرة وأكثر مسامية. تُبيّن النتائج أن الرابط أحادي المكوّن القائم على الطين الأحمر وخبث الأفران العالية المحبب المطحون والمنشّط بميتاسيليكات الصوديوم اللامائية يمكن أن يحقق مقاومة من رتبة إنشائ ية مع مسامية منخفضة نسبيًا تحت ظروف إنضاج واقعية، وأن يوفر مسارًا عمليًا لإعادة استخدام كميات كبيرة من الطين الأحمر في روابط إنشائية خالية من الأسمنت البورتلاندي.

English Abstract

Ordinary Portland cement is responsible for nearly 7 percent of global CO2 emissions, while alumina production generates large volumes of highly alkaline red mud that require long term storage and pose environmental risk. This study develops and evaluates a one part alkali activated binder that combines red mud and ground granulated blast furnace slag (GGBFS) with solid activators, targeting a dry mix system that can reuse local industrial by products under practical curing conditions. Red mud and GGBFS were characterized by XRF, XRD, particle size analysis, and FE SEM, then used as precursors with anhydrous sodium metasilicate (Na2SiO3) as the main activator. A response surface methodology central composite design varied the red mud content between 50 and 70 percent and Na2SiO3 between 8 and 12 percent at a constant water to binder ratio of 0.30. The models related these factors to 3 day and 28 day compressive strength and identified an optimum mixture of 50 percent red mud, 50 percent GGBFS, and 8 percent Na2SiO3, with predicted strengths of about 38 MPa at 3 days and 62 MPa at 28 days, which were confirmed experimentally. The optimum mixture was then tested with three activators (Na2SiO3, NaOH, CaCO3) and three curing regimes (ambient, thermal, and water) for flowability, heat of hydration, setting time, compressive strength, density, water absorption, void ratio, and microstructure. Na2SiO3 gave the best overall performance, with 28 day strengths above 60 MPa under ambient and water curing, dry bulk densities between 1750 and 1820 kg/m³, water absorption near 14 to 15 percent, and permeable void ratios near 24 to 26 percent. NaOH produced rapid setting but lower strength, while CaCO3 behaved mainly as a filler, with high porosity and strength often below 25 MPa. Calorimetry, molar ratio analysis, FE SEM, EDX mapping, and XRD showed that the Na2SiO3 system forms a dense hybrid C-(N)-A-S-H gel with minor N-A-S-H, supported by balanced Ca/Si, Si/Al, and Na/Ca ratios, whereas NaOH and CaCO3 mixtures remain less polymerized and more porous. The results demonstrate that a one part red mud GGBFS binder activated by Na2SiO3 can reach structural grade strength with relatively low porosity under realistic curing, and provide a viable route for large volume reuse of red mud in cement free binders.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	AL-FAKIH, AMIN
Committee Members:	Al-OSTA, MOHAMMED and KHALID, HAMMAD
Depositing User:	HUSAM ALSARHAN (g202313930)
Date Deposited:	07 Jan 2026 10:15
Last Modified:	07 Jan 2026 10:15
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143996