Effectiveness of Electric Arc Furnace (EAF) Slag as Sustainable Aggregate for Stone Columns. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Final Approved M.Sc. Thesis) MNeanaa_Thesis.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 22 June 2027. Download (7MB)

Arabic Abstract

يتأثر الطلب المتسارع على مشاريع تحسين التربة في المملكة العربية السعودية بشكل متزايد بطبيعة التربة الساحلية الضعيفة واستنزاف الركام الطبيعي المستخرج من المحاجر. وبينما يمثل خبث فرن القوس الكهربائي منتجاً ثانوياً متوفراً محلياً من صناعة الصلب ويتمتع بقدرة إنشائية نظرية، إلا أن هناك نقصاً تحديداً في البيانات الميدانية واسعة النطاق التي تثبت صلاحية استخدامه في الأعمدة الحجرية غير المغلفة والمنفذة بالإحلال الاهتزازي في ظل ظروف المياه الجوفية العدوانية كيميائياً. تعالج هذه الدراسة هذه الفجوة من خلال تقييم مدى ملاءمة خبث فرن القوس الكهربائي كبديل مباشر للحجر الجيري المكسر، وذلك من خلال منهجية متكاملة تتكون من ثلاث مراحل: التوصيف المجهري والميكانيكي المعملي، واختبارات التحميل الميدانية واسعة النطاق والتحليل العكسي باستخدام العناصر المحدودة ثلاثية الأبعاد. أثبتت الفحوصات المعملية الصلاحية البيئية والميكانيكية للمادة. حيث أكدت تقييمات ارتشاح المعادن الثقيلة أن الخبث يُصنف كركام خامل بيئياً، وبمستويات تقع ضمن الحدود التنظيمية الدولية. كما أظهرت الاختبارات الحجمية والميكانيكية أن الخبث يتمتع بمتانة عالية؛ ففي ظل ظروف محاكاة الغمر في مياه السبخة المالحة والتعرض للكبريتات، حافظ الركام على سلامته الهيكلية، حيث ساهم ترسب الملح السطحي في زيادة طفيفة في زاوية الاحتكاك الأساسية (من 45 درجة كخط أساس إلى ما يقرب من 50 درجة). وقد انعكست هذه الخصائص المعملية بشكل مباشر على تحسين الأداء الميداني واسع النطاق. تحت إجهاد تحميل يمثل حالة حد القابلية للتشغيل مقداره 225 كيلوباسكال، سجلت مجموعة الأعمدة الحجرية من خبث هبوطاً مقداره 10.2 ملم، مقارنة بـ 12.7 ملم للمجموعة المرجعية المتطابقة من الحجر الجيري، مما يمثل انخفاضاً بنسبة 20٪ تقريباً في هبوط الأساسات. تم تحديد هذا الفارق في الأداء رياضياً من خلال التحليل العكسي، والذي أظهر معامل جساءة التربة المركب بلغ 47.9 ميجاباسكال للتربة المحسنة بالخبث مقابل 38.4 ميجاباسكال لتلك المحسنة بالحجر الجيري. وأخيراً، نجح تحليل العناصر المحدودة ثلاثي الأبعاد في محاكاة منحنيات الحمل والهبوط الميدانية ضمن حدود التسامح الهندسي المقبولة. وقد دمج النموذج العددي المُعاير هذه النتائج، موضحاً بشكل صريح أن الجساءة الأودومترية لركام الخبث والتي كانت أعلى بنسبة 75٪ (والمستمدة من الاختبارات الفيزيائية) هي الآلية الرئيسية وراء تقليل الهبوط الملحوظ ميدانياً. بشكل عام، تؤكد الأدلة الكيميائية والميكانيكية والميدانية والعددية أن خبث فرن القوس الكهربائي مناخياً يمثل بديلاً قوياً ميكانيكياً، وآمناً بيئياً، وقابلاً للتنبؤ به تحليلياً لاستخدامه في تطبيقات الأعمدة الحجرية

English Abstract

The rapid demand for ground improvement in Saudi Arabia is increasingly constrained by weak coastal soils and the depletion of quarried natural aggregates. While Electric Arc Furnace (EAF) slag represents a locally abundant steelmaking byproduct with theoretical structural capacity, there is a specific lack of full-scale field data validating its use in uncased vibro-replacement stone columns under chemically aggressive groundwater conditions. This study addresses this gap by evaluating the suitability of aged EAF slag as a direct replacement for crushed limestone through an integrated three-phase methodology: laboratory microstructural and mechanical characterization, full-scale in-situ zone load testing, and three-dimensional finite element back-analysis. The laboratory investigation established the environmental and mechanical viability of the material. Heavy metal leaching assessments confirmed the slag qualifies as an environmentally inert aggregate well within international regulatory limits. Volumetric and mechanical testing revealed the slag is highly durable; under simulated sabkha brine submergence and sulfate exposure, the aggregate maintained its integrity, with surface salt precipitation contributing to a marginal increase in its friction angle (from a baseline of 45 degrees to nearly 50 degrees). These laboratory-scale properties translated directly into improved full-scale field performance. Under a serviceability limit-state loading of 225 kPa, the EAF slag stone-column configuration settled by 10.2 mm, compared to 12.7 mm for an identical limestone control group, representing an approximate 20% reduction in foundation settlement. This performance differential was quantified by analytical back-calculation, which yielded a composite modulus of 47.9 MPa for the slag-improved ground and 38.4 MPa for the limestone. Finally, a three-dimensional finite element analysis successfully reproduced the field load-settlement curves within engineering tolerance. The calibrated numerical model integrated the findings, explicitly demonstrating that the 75% higher oedometric stiffness of the EAF slag aggregate, derived from physical testing, was the mechanism driving the field-observed reduction in settlement. Collectively, the integrated chemical, mechanical, field, and numerical evidence validates standard-weathered EAF slag as a mechanically robust, environmentally safe, and analytically predictable alternative for stone column ground improvement.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Geotechnical Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor:	Syed Umair Naqvi,
Thesis Co-Advisor:	Mubashir Aziz,
Thesis Committee Members:	Asad Hanif,
Depositing User:	MOHAMED NEANAA
Date Deposited:	22 Jun 2026 11:40
Last Modified:	22 Jun 2026 11:40
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144614