Impact of Carbonation Curing on the Acid Resistance of Cement Waste-Derived Portlandite Concrete. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ziaurahman Ali final MS thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 18 June 2027. Download (6MB)

Arabic Abstract

تقيّم أظهر البورتلانديت المشتق من نفايات الأسمنت (CDP)، الناتج عن الإماهة المسبقة لغبار أفران الأسمنت (CKD)، إمكانات واعدة كمادة إسمنتية تكميلية تسهم في تعزيز الاستفادة من ثاني أكسيد الكربون (CO2) وتقليل الأثر البيئي للمواد الإسمنتية. ومع ذلك، فإن المحتوى المرتفع من البورتلانديت في الأنظمة المعدلة بـ CDP يثير مخاوف تتعلق بمتانتها عند التعرض للبيئات الحمضية. لذلك، تهدف هذه الدراسة إلى تقييم مدى قدرة المعالجة بالكربنة على تحسين مقاومة مونة الأسمنت المحتوية على CDP لهجوم حمض الكبريتيك. تم تحضير خلطات مونة إسمنتية باستبدال الأسمنت جزئياً بالبورتلانديت المشتق من نفايات الأسمنت (CDP) بنسب تراوحت بين 0 و40%، ثم أُخضعت لنظامي معالجة تقليدية ومعالجة بثاني أكسيد الكربون، قبل تعريضها لبيئة حمض الكبريتيك لمدة ثلاثة أشهر. وتم تقييم مجموعة من الخصائص شملت قابلية التشغيل، ومقاومة الضغط، وامتصاص ثاني أكسيد الكربون، ومؤشرات المتانة. كما استُخدم المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لدراسة مورفولوجيا وبنية نواتج الإماهة ومنتجات التآكل الناتجة عن التعرض الحمضي. أدى بروتوكول الإماهة المسبقة المعتمد إلى تحويل أكسيد الكالسيوم (CaO) الموجود في غبار أفران الأسمنت إلى مزيج من البورتلانديت والكربونات، مما عزز التفاعلية في الأعمار المبكرة، وحسّن قابلية التشغيل، وخفّض الحاجة إلى المضافات الكيميائية، وزاد من امتصاص ثاني أكسيد الكربون ليصل إلى 5.40% من كتلة المونة عند نسبة استبدال 30% من CDP بعد التجفيف والمعالجة بالكربنة. كما ساهمت المعالجة بالكربنة في تكثيف البنية الداخلية للمصفوفة وتحسين مقاومتها لهجوم حمض الكبريتيك بصورة ملحوظة. فبعد ثلاثة أشهر من التعرض الحمضي، انخفض فقدان الوزن في الخلطات غير المعالجة بالكربنة من 40.3% إلى 27.1% مع زيادة نسبة CDP من 0% إلى 40%، في حين انخفض في الخلطات المعالجة بالكربنة من 38.9% إلى ‎−0.4%، مما يشير إلى حدوث زيادة طفيفة في الوزن عند أعلى نسبة استبدال. وبينما احتفظت الخلطات غير المعالجة بالكربنة بحوالي 80% من مقاومتها الأصلية للضغط بغض النظر عن نسبة CDP، أظهرت الخلطات المعالجة بالكربنة تحسناً ملحوظاً في الاحتفاظ بالمقاومة، حيث ارتفعت نسبة الاحتفاظ بالمقاومة من 80.7% عند 0% CDP إلى 95.0% عند 40% CDP. كما أكدت التحاليل المجهرية تكوّن مصفوفة أكثر كثافة ومناطق انتقالية بينية أكثر استقراراً في الخلطات المعدلة بـ CDP والمعالجة بالكربنة. وأخيراً، تبيّن أن النسبة المثلى من CDP بلغت 30% لتحقيق أعلى امتصاص لثاني أكسيد الكربون، و40% لتحقيق أفضل أداء من حيث المتانة، مما يؤكد فعالية هذا النهج المستدام في تحسين أداء المواد الإسمنتية وتعزيز استدامتها.

English Abstract

Cement waste-derived portlandite (CDP), produced by the pre-hydration of cement kiln dust (CKD), has shown potential as a supplementary cementitious material for promoting CO2 utilization and reducing the environmental footprint of cementitious composites. However, the high portlandite content of CDP-modified systems raises concerns regarding their durability under acidic exposure. This study investigates whether carbonation curing can enhance the sulfuric acid resistance of mortar containing CDP. Mortar mixtures with 0–40% CDP replacement of cement were prepared, subjected to normal and CO2 curing regimes, and then exposed to a sulfuric acid environment for 3 months. Various properties, including workability, strength, CO2 uptake, and durability indicators, were evaluated. Scanning electron microscopy was employed to assess the morphology and microstructure of hydrates and acid corrosion products. The adopted CDP pre-hydration protocol transformed CaO in CKD into a blend of portlandite and carbonates, enhancing early-age reactivity, improving workability, reducing admixture demand, and increasing CO2 uptake to 5.40% by mass of mortar at 30% CDP following dehydration and carbonation curing. Carbonation curing promoted matrix densification and significantly enhanced sulfuric acid resistance. After three months of acid exposure, weight loss decreased from 40.3% to 27.1% for uncarbonated mortars and from 38.9% to −0.4% for carbonated mortars as CDP content increased from 0% to 40%. While uncarbonated mixtures retained approximately 80% of their original compressive strength regardless of CDP content, carbonated mixtures exhibited improved strength retention, increasing from 80.7% at 0% CDP to 95.0% at 40% CDP. Microstructural analysis confirmed a denser matrix and more stable interfacial zones in carbonated CDP-modified mortars. Finally, the optimum CDP levels were found to be 30% for CO2 uptake and 40% for durability, demonstrating a sustainable and effective approach for improving cement performance.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering Research > Corrosion Research > Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor:	Saheed Adekunle,
Thesis Co-Advisor:	Hammad Khalid,
Thesis Committee Members:	Qasem Drmosh,
Depositing User:	ZIAURAHMAN ALI
Date Deposited:	21 Jun 2026 07:47
Last Modified:	21 Jun 2026 07:47
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144598