MONITORING CARBONATION IN PLASTIC WASTE-INCORPORATED CONCRETE USING PIEZOELECTRIC SENSORS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF 202303410 Thesis report.pdf Restricted to Repository staff only until 4 March 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

الاسم الكامل: عمر جمعة عمر عنوان الرسالة: مراقبة الكربنة في الخرسانة المحتوية على نفايات بلاستيكية باستخدام الحساسات الكهروضغطية التخصص: الهندسة المدنية تاريخ الدرجة العلمية: مايو 2026 تهدف هذه الدراسة إلى تطوير وتقييم خرسانة مستدامة من خلال استبدال جزء من الركام بنفايات بلاستيكية معاد تدويرها من البولي إيثيلين منخفض الكثافة (LDPE) بنسب 20% و40% من الكتلة الكلية، مع دراسة تأثير المعالجة بالكربنة المتسارعة على الخواص الميكانيكية والبنيوية للخرسانة. تم تعريض العينات لغاز ثاني أكسيد الكربون بضغط 60 psi، ثم تقييم أدائها باستخدام اختبارات مقاومة الضغط ومعامل المرونة، إضافة إلى عدد من الاختبارات غير الإتلافية والتحليل المجهري. أظهرت النتائج أن إضافة LDPE تؤدي إلى انخفاض كثافة الخرسانة وصلابتها بسبب ضعف الترابط بين جزيئات البلاستيك وعجينة الإسمنت وطبيعتها الكارهة للماء، إلا أن المعالجة بالكربنة حسّنت بشكل ملحوظ مقاومة الخرسانة من خلال تكوين كربونات الكالسيوم، مما ساهم في تحسين البنية المسامية. وقد حققت الخرسانة المحتوية على 20% LDPE أفضل أداء ميكانيكي عام، بينما أظهرت الخرسانة بنسبة 40% LDPE زيادة تدريجية في المقاومة نتيجة التفاعل المشترك بين المسامية المتزايدة واستمرار الكربنة. كما تم استخدام حساسات كهرضغطية (PZT) لمراقبة تطور الكربنة والصلابة آنياً باستخدام تقنية الممانعة الكهرو-ميكانيكية (EMI) من خلال ثلاث طرق تركيب مختلفة: مدفونة، ملتصقة على السطح، وقابلة لإعادة الاستخدام. وأثبتت النتائج أن الحساسات المدفونة هي الأكثر حساسية ودقة في تتبع تطور الخواص الميكانيكية مقارنة بالطرق الأخرى. وأكدت نمذجة العناصر المحدودة توافق النتائج التجريبية مع الاستجابات الكهرو-ميكانيكية المتوقعة. تخلص الدراسة إلى أن الخرسانة المعدلة بـ LDPE والمعالجة بالكربنة تمثل مادة إنشائية مستدامة وفعالة، وأن استخدام الحساسات الكهرضغطية المدفونة يعد الطريقة المثلى للمراقبة المستمرة لتقدم الكربنة ونمو المقاومة

English Abstract

Full Name : Omar Juma Omar Thesis Title : Monitoring carbonation in plastic waste-incorporated concrete using piezoelectric sensors Major Field : Civil engineering- structure Date of Degree : March 2026 This research examines the formulation and evaluation of "Sustainably Designed Concrete," with the inclusion of Low-Density Polyethylene (LDPE) recovered plastic as a part of the aggregate mix, with regard to enhancing mechanical properties under accelerated carbonation. The substitution levels used were 20% and 40% LDPE as a percentage of total mass. Each sample cured under 60 psi of CO2 prior to mechanical and microstructure analysis, and then all samples were all tested for compressive strength and modulus of elasticity, along with a number of non-destructive methods. LDPE decreased concrete's density and stiffness due to weak bonding between LDPE and cement (as well as the hydrophobicity of the plastic particle); however, carbonation curing significantly enhanced carbonation of the concrete to form calcium carbonate precipitates that refined the pore structure, resulting in a significant increase in strength for LDPE concrete. The concrete with the 20% LDPE mixture has the best overall performance, whereas the concrete with the 40% LDPE mixture attained linear strength gain due to the combination of increased porosity and further carbonation of the same concrete sample. Piezoelectric (PZT) sensor technology was used to carry out real-time monitoring through the three configurations (surface-bonded, embedded, and reusable) via electro-mechanical impedance (EMI) techniques. The highest sensitivity was obtained with the embedded sensors, with both RMSD and MAPD experiencing dramatic increases with the age of the set time. For example, with the 40% LDPE mix, the attached sensors had RMSD (≈ 39%) and MAPD (≈ 75%) after 28 days. In comparison, when looking at the 20% LDPE mix, attached sensors had an RMSD of ≈ 15% and MAPD of ≈ 24% after the same time. Surface-bonded sensors were much less sensitive than embedded sensors at maximum RMSD (≈ 7–12%) and MAPD (≈ 14–22%) across all of the various mix ratios. Reusable sensors recorded moderate but consistent responses, with maximum RMSD (≈ 14%) and MAPD (≈ 19%) being documented after 28 days with the addition of the 40% LDPE mix ratio. Comparison studies indicate that the use of embedded PZT sensors provides the best method of monitoring the evolution of carbonation and stiffness due to the large degree of electromechanical coupling as well as their direct interaction with the concrete matrix. Finite element modeling substantiated the experimental EMI signatures and accurately modeled the sensor/concrete interactions. These results confirm that carbon-cured LDPE-modified concrete is a practical, sustainable building material and that embedded PZT-based EMI sensing is the optimum technique for continuous measurement of carbonation progress and strength growth.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Dr. Kong Fah Tee,
Committee Members:	Dr. Mohammed Ali Alosta, Dr. Muhammad Kalimur Rahman Hafiz,
Depositing User:	OMAR OMAR (g202303410)
Date Deposited:	09 Mar 2026 10:33
Last Modified:	09 Mar 2026 10:33
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144095