Life cycle assessment based simulation for carbon reduction performance in sustainable construction materials. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF final thesis draft.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 13 May 2027. Download (2MB)

Arabic Abstract

قيّمت هذه الدراسة الأداء البيئي والاقتصادي لاستخدام الرماد البركاني والحمأة الملحية بوصفهما مواد إسمنتية تكميلية في إنتاج المونة. وتدمج الدراسة إمكانات خفض الانبعاثات الكربونية وفق منظور تقييم دورة الحياة من المهد إلى البوابة، وجدوى التكلفة، وإمكانات عزل الكربون خلال العمر التشغيلي المرتبطة باستخدام المواد الإسمنتية التكميلية. علاوة على ذلك، استُخدمت محاكاة مونت كارلو لمعالجة حالات عدم اليقين المصاحبة لتقييم دورة الحياة. أظهرت نتائج التقييم من المهد إلى البوابة أن الاستبدال المركب بنسبة 40% من الرماد البركاني والحمأة الملحية خفّض الانبعاثات الكربونية بنسبة 37% دون التأثير سلبًا في مقاومة الضغط. ومن بين مراحل دورة الحياة التي تم تقييمها، تبيّن أن مرحلة إنتاج المواد الخام، أي المرحلة A1، هي المصدر الرئيس للانبعاثات الكربونية، متجاوزةً التأثيرات المرتبطة بمرحلة النقل A2 ومرحلة إنتاج المونة A3. كما أظهر تحليل التكلفة أن إدخال المواد الإسمنتية التكميلية يقلل تكلفة المواد بنسبة 28%؛ غير أن زيادة تكاليف النقل تعوّض جزءًا من هذه الفائدة، مما يجعل الأداء الاقتصادي معتمدًا بدرجة كبيرة على ظروف سلسلة الإمداد. وتشير نتائج عزل الكربون إلى أنه، اعتمادًا على نوع المواد الإسمنتية التكميلية ونسبتها، ومقاومة الضغط، وهندسة العنصر، وظروف التعرض ومدته، يمكن استرداد نحو 11% من انبعاثات مكافئ ثاني أكسيد الكربون الأولية من خلال عزل ثاني أكسيد الكربون في عناصر المونة. ومع ذلك، ينخفض عزل ثاني أكسيد الكربون مع زيادة نسبة استبدال المواد الإسمنتية التكميلية، ويُعزى ذلك بصورة رئيسة إلى انخفاض توافر هيدروكسيد الكالسيوم، الذي يُستهلك أثناء التفاعل البوزولاني لهذه المواد. وبناءً على ذلك، تكون قدرة امتصاص ثاني أكسيد الكربون محدودة بظروف التعرض ومدته، ونوع المواد الإسمنتية التكميلية، ونسبة مساحة السطح إلى الحجم. تُبيّن النتائج أن المونة القائمة على المواد الإسمنتية التكميلية تحقق فوائد بيئية واقتصادية كبيرة مع الحفاظ على أداء ميكانيكي وإنشائي مقبول. كما تدعم هذه النتائج تبنّي المواد الإسمنتية التكميلية المتوافرة محليًا للحد من الكربون المتجسد وتعزيز ممارسات التشييد ذات الكفاءة في استخدام الموارد.

English Abstract

This study evaluated the environmental and economic performance of incorporating volcanic ash (VA) and brine sludge (BS) as supplementary cementitious materials (SCMs) in mortar production. The study integrates life cycle (cradle to gate) carbon emission reduction potential, cost feasibility, and lifetime carbon sequestration potential associated with SCMs. Furthermore, Monte Carlo simulation was employed to address the uncertainties occurred in the life cycle assessment. The cradle-to-gate assessment shows that the combined 40% VABS replacement reduced carbon emissions by 37% without compromising compressive strength. Among the assessed life-cycle stages, raw material production Stage A1 was identified as the dominant contributor to carbon emissions, exceeding the impacts associated with transportation Stage A2 and mortar production Stage A3 Cost analysis indicates that SCM incorporation reduces material cost by 28%, but transportation cost increases offset part of this benefit, making economic performance highly dependent on supply chain conditions. The sequestration result indicates depending on SCM type and dosage, compressive strength, element geometry, exposure conditions and duration, about 11% of the initial Co₂-e emissions could be recovered through Co₂ sequestration in the mortar elements. However, Co₂ sequestration decreases with increasing SCM replacement ratio, primarily due to the reduced availability of calcium hydroxide, which is consumed during the pozzolanic reaction of SCMs. Consequently, Co₂ uptake capacity is limited by exposure conditions and duration, SCM type, and surface area to volume ratio. The findings demonstrate that SCM-based mortar provides substantial environmental and cost benefits while maintaining acceptable mechanical/structural performance. The results support the adoption of locally available SCMs in reducing embodied carbon and promoting resource-efficient construction practices.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Construction
Department:	College of Design and Built Environment > Architectural Engineering and Construction Management
Thesis Advisor:	Laith Hadidi,
Thesis Committee Members:	Muhammad Asif, Awsan Mohammed,
Depositing User:	SALIH ABDULAHI (g202411560)
Date Deposited:	17 May 2026 08:47
Last Modified:	17 May 2026 08:47
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144287