Mechanical and Microstructural Performance of Cementitious Composites with Engineered Paper Waste Additives. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis Report_Salman Sajan.pdf Restricted to Repository staff only until 21 May 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

أدى الطلب المتزايد على مواد البناء المستدامة إلى توجيه الاهتمام نحو استكشاف مواد تقوية بديلة مشتقة من مصادر النفايات. تهدف هذه الدراسة إلى تقييم إمكانية استخدام مواد السليلوز المشتقة من نفايات الورق—وهي الألياف السليلوزية الدقيقة (MCF)، والسليلوز النانوي الليفي (NFC)، وبلورات السليلوز النانوية (CNC)—كإضافات متعددة المقاييس لتحسين أداء المواد الإسمنتية. وتركّز الدراسة على تحليل تأثير حجم الألياف، وشكلها المورفولوجي، ونسبة إضافتها على الخواص الطازجة، وحركية الإماهة، والسلوك الميكانيكي، والتطور البنيوي المجهري، بالإضافة إلى خصائص المتانة. تمت معالجة الألياف السليلوزية الدقيقة ميكانيكياً لإنتاج السليلوز النانوي الليفي باستخدام الخلط عالي القص، في حين تم تحضير بلورات السليلوز النانوية من خلال التحلل الحمضي باستخدام حمض الكبريتيك تحت ظروف محكمة. تم تحضير عينات مونة إسمنتية بإضافات مختلفة تتراوح نسبتها بين (0.05-0.30%) من وزن الأسمنت، واختبارها وفقاً لمعايير ASTM ذات الصلة. وشملت الاختبارات التجريبية قابلية التشغيل، وزمن الشك، وقياس الحرارة المتولدة (المسعرية متساوية الحرارة)، ومقاومة الضغط والانحناء، وامتصاص الماء، والانكماش الجاف، بالإضافة إلى اختبارات المتانة مثل مقاومة الكبريتات والأحماض. كما تم إجراء تحاليل بنيوية ومعدنية باستخدام تقنيات SEM-EDS وXRD وTGA. أظهرت النتائج أن إضافة السليلوز تؤثر بشكل ملحوظ على إماهة الأسمنت والبنية المجهرية من خلال آليتين رئيسيتين هما تعزيز النوى البلورية واحتفاظ الماء. وقد أظهر السليلوز النانوي الليفي (NFC) أفضل أداء من حيث تكثيف البنية المجهرية وتحسين المعالجة الداخلية، مما أدى إلى تحسين الخصائص الميكانيكية وتقليل المسامية عند نسب الإضافة المثلى (حوالي 0.10-0.15%). كما أظهرت بلورات السليلوز النانوية (CNC) تحسناً ملحوظاً في المتانة، خاصة تحت تأثير الأحماض، من خلال تقليل التدهور الحجمي وفقدان المقطع العرضي نتيجة تحسين بنية المسام وتقليل النفاذية. في المقابل، أظهرت الألياف السليلوزية الدقيقة (MCF) أداءً محدوداً على المدى الطويل، حيث أدت النسب العالية منها إلى تكتل الألياف وزيادة المسامية وانخفاض المتانة. كما بيّنت النتائج أن جميع أنواع السليلوز تمتلك نطاقاً أمثل للإضافة يتراوح بين (0.10-0.20%)، حيث تنخفض الكفاءة خارج هذا النطاق نتيجة تكتل الألياف وزيادة الطلب على الماء. بشكل عام، تؤكد هذه الدراسة على الدور الحاسم لشكل الألياف وتوزيعها في تحديد أداء المواد الإسمنتية، وتثبت أن السليلوز النانوي المشتق من نفايات الورق يمكن أن يكون إضافة فعالة ومستدامة لإنتاج مواد إسمنتية عالية الأداء. كما تساهم هذه النتائج في دعم مبادئ الاقتصاد الدائري من خلال تحويل النفايات الصناعية إلى مواد ذات قيمة مضافة في قطاع البناء.

English Abstract

The growing demand for sustainable construction materials has driven the exploration of alternative reinforcements derived from waste resources. However, existing studies have predominantly investigated cellulose fibers sourced from agricultural feedstock and lack a comprehensive evaluation of extracting cellulose fibers from paper waste and incorporating them in cementitious composite systems. The critical gap in the comparative understanding of how fiber scale and morphology govern cementitious performance. This study examines the effects of waste‑paper‑derived cellulose materials Microcellulose fibers (MCF), Nanofibrillated cellulose (NFC), and Cellulose nanocrystals (CNC) as multiscale additives in the morphology, dosage influence fresh behavior, hydration kinetics, mechanical properties, microstructural evolution, and overall durability performance of cementitious composites within a unified experimental framework. MCF was mechanically processed into NFC using high-shear blending, while CNC was synthesized via controlled sulfuric acid hydrolysis. Mortar specimens incorporating varying dosages (0.05-0.30% by weight of cement) were prepared and tested for compressive and flexural strength, water absorption, dry shrinkage, and durability tests such as sulfate and acid resistance. While the paste samples were prepared to study the fresh properties such as flowability, setting time and isothermal calorimetry. Microstructural and phase analyses were conducted using Scanning Electron Microscopy with Energy‑Dispersive X‑ray Spectroscopy (SEM-EDS), X‑ray Diffraction (XRD), and Thermogravimetric Analysis (TGA) techniques. Results indicate that cellulose incorporation significantly influenced the cement hydration and microstructure through a dual mechanism of nucleation enhancement and water retention. NFC exhibited a denser, more homogenous microstructure with a well developed compact C-S-H with minimal visible porosity, resulting in improved in compressive strength by 24% and reduced porosity by 9% at an optimal dosage of 0.15%. CNC produced the most significant enhancement in compressive strength, achieving a 25% increase, and delivered the best overall durability performance across most dosages. Under acid exposure, CNC effectively reduced dimensional degradation and cross‑sectional loss through pore refinement, as evidenced by the denser granular microstructure observed in SEM, along with a 2% reduction in permeability. In contrast, MCF exhibited limited long‑term effectiveness, as higher dosages led to fiber agglomeration, increased porosity, and reduced durability. Although its optimal dosage of 0.1% produced a compressive strength close to the control, MCF achieved the highest flexural strength among all three cellulose fibers showing a 30% increase relative to the control attributed to its effective crack‑bridging capability. All cellulose types exhibited a declined performance beyond 0.20 percentage due to fiber clustering and increased water demand. Overall, the study highlights wastepaper derived nanocellulose can serve as an effective, sustainable additive for a better cementitious material.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering Research Research > Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor:	Kong Fah Tee,
Thesis Committee Members:	Jobin Jose, Amin Ali Al-fakih,
Depositing User:	SALMAN SAJAN
Date Deposited:	17 Jun 2026 05:22
Last Modified:	17 Jun 2026 05:22
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144583