Stabilization of Marl Soil Using Calcined Clay Based Geopolymer and Fibers. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Abdirahman Ahmed_Thesis Book_Final Report_4-pdf.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 8 June 2027. Download (4MB)

Arabic Abstract

تُعدّ تربة المارل من التُّرَب الإشكالية التي تتميز بمقاومة قص منخفضة، وقابلية انضغاط عالية، وحساسية واضحة للرطوبة، مما يجعلها غير مناسبة للاستخدام المباشر في التطبيقات الجيوتقنية دون معالجة مسبقة. وعلى الرغم من أن الأسمنت البورتلاندي العادي لا يزال المُثبِّت السائد، إلا أن انبعاثاته العالية من ثاني أكسيد الكربون وعمليات إنتاجه كثيفة الاستهلاك للطاقة تتعارض مع المتطلبات المتزايدة لبدائل البناء المستدام. علاوة على ذلك، تُشكّل المخلفات الزراعية كسعف النخيل ونفايات بلاستيك البولي إيثيلين تيريفثاليت المستهلكة تحديات بيئية متنامية بسبب التخلص غير السليم منها، مما يمثّل فرصة غير مستغلة لتثمين هذه المواد في التطبيقات الجيوتقنية. تبحث هذه الدراسة في استخدام جيوبوليمر أحادي المكوّن مصنوع من الطين المكلّس، ومُنشَّط بميتاسيليكات الصوديوم الصلبة، مقروناً بتسليح من ألياف نخيل التمر الطبيعية وألياف البولي إيثيلين تيريفثاليت المُعاد تدويرها، وذلك بهدف تحسين السلوك الميكانيكي وسلوك التشوه لتربة المارل. تم تقييم محتويات الجيوبوليمر بنسب تتراوح بين 5% و30%، وتبيّن أن 15% هي النسبة المثلى، فيما أُضيفت الألياف بنسب تتراوح بين 0.25% و1% إلى الخليط المثالي. جرى تقييم الأداء الميكانيكي من خلال اختبارات مقاومة الضغط غير المحصور، ومعامل المرونة، والمتانة، وإجهاد الفشل، ونسبة تحمّل كاليفورنيا في ظروف النقع وغير النقع، فيما أُجريت دراسة التوصيف الميكروبنيوي باستخدام حيود الأشعة السينية والمجهر الإلكتروني الماسح. أسفر تثبيت الجيوبوليمر عن زيادة مقاومة الضغط غير المحصور من 0.113 ميغاباسكال إلى 6.162 ميغاباسكال، كما ارتفعت نسبة تحمّل كاليفورنيا المنقوعة من 10.97% إلى 202.50% عند محتوى الجيوبوليمر البالغ 15%، ثم إلى 327.47% بإضافة 0.75% من ألياف نخيل التمر، مما يُؤكد ملاءمة التربة المعالجة للاستخدام كطبقة أساس للطرق. حقّقت ألياف نخيل التمر بنسبة 0.75% إجهاد فشل بلغ 12.8%، أي أكثر من خمسة أضعاف استجابة ألياف البولي إيثيلين تيريفثاليت عند المحتوى ذاته، وذلك بفضل التماسك المتفوق على السطح البيني مع مصفوفة الجيوبوليمر. كما أكدت نتائج حيود الأشعة السينية والمجهر الإلكتروني الماسح نجاح عملية تكوين الجيوبوليمر من خلال تشكّل هلام غير بلوري وتكثيف تدريجي للبنية المجهرية. تُبرهن هذه النتائج على أن المنظومة المتكاملة توفر استراتيجية فعّالة ومستدامة وقابلة للتطبيق الميداني لتحسين تربة المارل الإشكالية، مع الإسهام في تحقيق أهداف الاقتصاد الدائري من خلال تثمين المخلفات الزراعية ونفايات البلاستيك المح

English Abstract

Marl soil is a problematic geomaterial characterized by low shear strength, high compressibility, and pronounced moisture sensitivity, rendering it unsuitable for direct use in geotechnical applications without prior treatment. While ordinary Portland cement remains the predominant stabilizer, its high CO₂ emissions and energy-intensive production conflict with the growing demand for sustainable construction alternatives. Additionally, agricultural residues such as date palm fronds and post-consumer polyethylene terephthalate (PET) plastic waste pose growing environmental challenges due to improper disposal, representing an untapped opportunity for valorisation in geotechnical applications. This study investigates the use of a calcined clay-based one-part geopolymer, activated by solid sodium metasilicate, combined with natural date palm fiber (DPF) and recycled PET fiber reinforcement to improve the mechanical and deformation behavior of marl soil. Geopolymer contents of 5–30% were evaluated, with 15% identified as optimum, and fibers were incorporated at 0.25–1% into the optimum mix. Mechanical performance was assessed through unconfined compressive strength, elastic modulus, toughness, failure strain, and California bearing ratio under soaked and unsoaked conditions, while microstructural characterization was conducted using X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Geopolymer stabilization increased UCS from 0.113 MPa to 6.162 MPa and soaked CBR from 10.97% to 202.50% at GP15, rising further to 327.47% with 0.75% DPF, confirming suitability for road subgrade applications. DPF at 0.75% achieved failure strains of 12.8% more than five times the response of PET, owing to superior interfacial bonding with the geopolymer matrix. XRD and SEM confirmed successful geopolymerization through amorphous gel formation and progressive microstructural densification. These findings demonstrate that the combined system provides an effective, sustainable, and field-applicable strategy for improving problematic marl soil while contributing to circular economy objectives through the valorization of local agricultural and plastic waste streams.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Geotechnical Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor:	Naser Al-shayea,
Thesis Committee Members:	Ammar Al-shammari, Amin Ali Al-fakih,
Depositing User:	ABDIRAHMAN AHMED
Date Deposited:	08 Jun 2026 07:51
Last Modified:	08 Jun 2026 07:51
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144527