Development of Sustainable Concrete Building Brick Incorporating Recycled Plastic Waste and Industrial By-Products. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Development of Sustainable Concrete Building Brick Incorporating Recycled Plastic Waste and Industrial By-Products) Master thesis .pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 13 April 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

يُعدّ قطاع التشييد والبناء أحد المساهمين الرئيسيين في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون عالميًا، إضافةً إلى كونه مصدرًا رئيسيًا لتوليد النفايات الصلبة، مما يستدعي تطوير مواد بناء مستدامة تُقلل من استهلاك الأسمنت وتُعزز في الوقت ذاته إعادة تدوير النفايات والاستفادة منها. تهدف هذه الدراسة إلى تطوير طوب خرساني إنشائي صديق للبيئة من خلال الاستخدام المشترك للطين الناتج منتلميع السيراميك كمادة إسمنتية تكميلية، والنفايات البلاستيكية المعاد تدويرها والمعالجة كبديل جزئي للركام الناعم. وقد تم تنفيذ برنامج تجريبي شامل تضمن إعداد 54 خلطة مونة لأغراض التحسين، تلتها ست خلطات مختارة لإنتاج الطوب الخرساني بأشكاله المختلفة: غير المعالج، والمغطى بالأسمنت ، والمغطى بالجبس ، والمعالج بهيدروكسيد الصوديوم . تحتوي الخلطات المختارة على مايصل الى 50% من مخلفات تلميع السيراميك و 20% من النفايات البلاستيكية المعاد تدويرها. أظهرت النتائج أن مخلفات تلميع السيراميك يسهم بشكل ملحوظ في تحسين تدرج الحبيبات وزيادة كثافة البنية المجهرية، مما يسمح باستبدال نسب مرتفعة من الأسمنت مع الحفاظ على الأداء الإنشائي. فعند استبدال 50% من الأسمنت بمخلفات تلميع السيراميك ، بلغت مقاومة الضغط 24.50 ميجا باسكال، متجاوزةً متطلبات الكود الامريكي للمواد الخرسانية، في المقابل، أدى إدخال النفايات البلاستيكية المعاد تدويرها و غير المعالج إلى انخفاض مقاومة الضغط إلى 18.55 ميجا باسكال، نتيجة لطبيعته الكارهة للماء وضعف منطقة الانتقال البيني، مما يحدّ من كفاءة نقل الإجهاد ويزيد من تكوّن الفراغات داخل المصفوفة. أدى تعديل سطح النفايات البلاستيكية المعاد تدويرها إلى تحسين ملحوظ في الترابط البيني وأداء المادة المركبة. وقد أظهر البلاستك المغطى بالجبس أفضل أداء، حيث حقق مقاومة ضغط بلغت 25.76 ميجا باسكال، ومقاومة انحناء 4.46 ميجا باسكال، ومعامل مرونة 15.7 جيجا باسكال. ويُعزى هذا التحسن إلى زيادة خشونة السطح، وتحسين قابلية البلل، وتعزيز التداخل الميكانيكي مع المصفوفة الأسمنتية. كما أظهر البلاستيك المغطى بالأسمنت أداءً مقاربًا، في حين قدم البلاستك المعالج بهيدروكسيد الصوديوم تحسنًا متوسطًا نتيجة زيادة خشونة السطح مع استمرار وجود بعض العيوب المجهرية. أكدت اختبارات المتانة أن جميع الخلطات المحسنة استوفت متطلبات الكود الامريكي للمواد الخرسانية، ولم تُظهر أي ظاهرة تزهير، كما حافظت على استقرار أبعادي مناسب. وقد أدى استخدام مخلفات تلميع السيراميك إلى تقليل التوصيل الحراري بنسبة تصل إلى 46%، بينما ساهم إدخال البلاستيك المعاد تدويرها في تعزيز خاصية العزل الحراري لتصل إلى 0.583 واط/م·كلفن. إضافةً إلى ذلك، ساهم مخلفات تلميع السيراميك في تقليل الكثافة وتحسين البنية المسامية، في حين أسهم البلاستيك المعالج في تقليل الفراغات البينية والنفاذية. أظهرت نتائج تقييم دورة الحياة أن استبدال 50% من الأسمنت بـ مخلفات تلميع السيراميك أدى إلى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والطاقة الكامنة بنسبة تقارب 50%، مما يؤكد الدور المحوري لاستخدام مخلفات تلميع السيراميك في تحقيق الاستدامة البيئية. كما أظهر تحليل التكلفة أن مخلفات تلميع السيراميك يسهم بشكل كبير في خفض تكلفة الإنتاج نظرًا لانخفاض سعره، في حين تُعد البلاستيك المعالجة باستخدام الأسمنت والجبس خيارات اقتصادية مجدية مع زيادة طفيفة في التكلفة (0.0905–0.0906 دولار/كجم). في المقابل، تبيّن أن المعالجة بهيدروكسيد الصوديوم هي الأقل جدوى اقتصاديًا (0.2690 دولار/كجم) بسبب ارتفاع تكاليف المواد الكيميائية والمعالجة. بوجه عام، تُظهر الطوب الخرساني المعتمد على مخلفات تلميع السيراميك و النفايات البلاستيكية المعاد تدويرها والمعالجة توازنًا مثاليًا بين الأداء الميكانيكي، والمتانة، والكفاءة الحرارية، والاستدامة البيئية، والجدوى الاقتصادية، مما يجعله حلًا واعدًا وقابلًا للتطبيق على نطاق واسع في تحقيق البناء منخفض الكربون ودعم مبادئ الاقتصاد الدائري

English Abstract

The construction sector is a major contributor to global CO2 emissions and solid waste generation, necessitating the development of sustainable materials that reduce cement consumption while enabling effective waste valorization. This study investigates the development of eco-efficient concrete building bricks through the combined incorporation of ceramic polishing sludge (CPS) as a supplementary cementitious material and treated recycled plastic waste (T-RPW) as a partial fine aggregate replacement. A comprehensive experimental program was conducted, consisting of 54 mortar mixtures for optimization, followed by six selected concrete brick mixtures containing up to 50% CPS and 20% RPW in untreated, cement-coated, gypsum-coated, and NaOH-treated forms. The results demonstrate that CPS significantly enhances particle packing and microstructural densification, enabling high-volume cement replacement while maintaining structural performance. At 50% CPS replacement, compressive strength reached 24.50 MPa, exceeding ASTM requirements. However, the inclusion of untreated RPW reduced compressive strength to 18.55 MPa due to its hydrophobic nature and weak interfacial transition zone, which limits stress transfer and promotes void formation. Surface modification of RPW markedly improved interfacial bonding and composite performance. Among the treatments, gypsum-coated RPW exhibited superior performance, achieving a compressive strength of 25.76 MPa, modulus of rupture of 4.46 MPa, and elastic modulus of 15.7 GPa. These improvements are attributed to enhanced surface roughness, improved wettability, and stronger mechanical interlocking within the cementitious matrix. Cement-treated RPW showed comparable performance, while NaOH-treated RPW demonstrated moderate improvement due to increased roughness but persistent surface defects. Durability evaluation confirmed that all optimized mixtures satisfied ASTM standards, exhibited no efflorescence, and maintained acceptable dimensional stability. CPS incorporation reduced thermal conductivity by up to 46%, while RPW further enhanced insulation performance to as low as 0.583 W/m·K. Additionally, CPS contributed to reduced density and pore refinement, whereas treated RPW minimized interfacial voids and permeability. Life cycle assessment indicated that replacing 50% of cement with CPS reduced CO2 emissions and embodied energy by approximately 50%, establishing CPS as the primary driver of environmental sustainability. Cost analysis further revealed that CPS significantly lowers production costs due to its low unit price, while cement- and gypsum-treated RPW represent economically viable surface modification strategies with moderate cost increases (0.0905–0.0906 US$/kg). In contrast, NaOH-treated RPW was identified as the least economical option (0.2690 US$/kg) due to high chemical and processing costs. Overall, CPS–T-RPW concrete building bricks demonstrate an optimal balance between mechanical performance, durability, thermal efficiency, environmental sustainability, and cost-effectiveness, offering a scalable solution for low-carbon and circular-economy construction.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor:	Amin Ali Al-fakih,
Thesis Committee Members:	Abubakr Musa, Kong Fah Tee,
Depositing User:	MOHAMED MOHAMED (g202309610)
Date Deposited:	15 Apr 2026 07:27
Last Modified:	15 Apr 2026 07:27
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144123