MOHAMED, SAKARIYE (2026) INNOVATIVE CEMENTITIOUS COMPOSITES: SILICA AEROGEL INTEGRATION FOR SUPERIOR THERMAL AND MECHANICAL PERFORMANCE. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MSc_Thesis_Sakaria_Abdi_Mohamed-V22 UPDATED.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 25 June 2027. Download (4MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الدراسة دمج هلام السيليكا الهوائي (Silica Aerogel, SA) في المواد الأسمنتية المركبة كنهج مبتكر لتحسين الأداء الحراري لمواد البناء، مع تقييم التأثيرات المصاحبة على خصائصها الفيزيائية والميكانيكية. إن الطلب المتزايد على الطاقة في قطاع البناء، والذي يرجع بدرجة كبيرة إلى ضعف كفاءة العزل الحراري في أغلفة المباني، يبرز الحاجة إلى تطوير مواد إنشائية متقدمة قادرة على توفير عزل حراري فائق دون التأثير بشكل كبير على الأداء الإنشائي. تم تنفيذ برنامج تجريبي شامل على مستويين: مستوى المادة ومستوى العنصر الإنشائي. ففي المرحلة الأولى، تم تطوير خلطات مونة إسمنتية من خلال الاستبدال الجزئي للرمل الطبيعي بهلام السيليكا الهوائي بشكليه المسحوق والحبيبي وبنسب استبدال تراوحت بين 0% و65%، مع وبدون إضافة غبار السيليكا. أظهرت النتائج أن دمج هلام السيليكا الهوائي أدى إلى تحسين ملحوظ في الأداء الحراري للمونة الأسمنتية. وعلى وجه الخصوص، أدى استخدام الهلام الحبيبي إلى خفض التوصيل الحراري من 1.62 واط/م·كلفن في الخلطة المرجعية إلى 0.60 واط/م·كلفن عند نسبة استبدال 65%، وهو ما يمثل انخفاضاً يقارب 63%. إلا أن هذا التحسن الحراري كان مصحوباً بانخفاض في مقاومة الضغط نتيجة زيادة المسامية وانخفاض استمرارية المصفوفة الأسمنتية. فعند نسبة استبدال 65%، انخفضت مقاومة الضغط من 43.05 ميغاباسكال إلى 11.96 ميغاباسكال في الخلطات المحتوية على الهلام الحبيبي. في المقابل، أظهرت خلطات الهلام المسحوق احتفاظاً أعلى بالمقاومة الميكانيكية، حيث حققت مقاومة ضغط بلغت 31.45 ميغاباسكال عند نفس نسبة الاستبدال. واستناداً إلى التقييم المتكامل للتوصيل الحراري، ومقاومة الضغط، والكثافة، والمؤشرات المرتبطة بالمتانة، تم تحديد خلطة P50 باعتبارها الخلطة المثلى على مستوى المادة، إذ وفرت أفضل توازن بين الأداء الحراري والكفاءة الميكانيكية. وفي المرحلة الثانية، تم تصنيع واختبار وحدات بناء جوفاء بالحجم الكامل تحتوي على هلام السيليكا الهوائي لتقييم إمكانية التطبيق العملي لهذه المواد على المستوى الإنشائي. وأكدت النتائج إمكانية نقل الفوائد الحرارية المحققة على مستوى المونة إلى عناصر إنشائية فعلية. فقد انخفض التوصيل الحراري لوحدات البناء الجوفاء من 0.163 واط/م·كلفن للخلطة المرجعية إلى 0.134 واط/م·كلفن عند أعلى نسبة استبدال، في حين انخفضت الكثافة بحوالي 40%. ومع ذلك، أدى ارتفاع محتوى الهلام الهوائي إلى انخفاض ملحوظ في مقاومة الضغط، حيث تراجعت من 10.12 ميغاباسكال في الوحدة المرجعية إلى 0.98 ميغاباسكال عند نسب الاستبدال المرتفعة. ومن بين جميع الخلطات المدروسة، أظهرت خلطة M35 أفضل توازن بين الأداء الحراري، وخفض الكثافة، ومقاومة الضغط، ولذلك تم اعتمادها باعتبارها الخلطة المثلى لتطبيقات وحدات البناء الجوفاء العملية. تؤكد النتائج أن هلام السيليكا الهوائي يُعد مادة فعّالة للغاية في خفض التوصيل الحراري والكثافة وتحسين كفاءة الطاقة للمواد الأسمنتية المركبة. إلا أن هذه المزايا ترتبط بمقايضة واضحة في الأداء الميكانيكي يجب أخذها في الاعتبار عند تصميم الخلطات. وبشكل عام، تشير النتائج إلى أن المواد الأسمنتية المركبة المعدلة بهلام السيليكا الهوائي تُعد مناسبة بشكل خاص للتطبيقات خفيفة الوزن وغير الحاملة ولأغلفة المباني ذات الكفاءة الحرارية العالية. كما توفر هذه الدراسة فهماً معمقاً للعلاقات بين محتوى الهلام الهوائي، وشكل الجسيمات، والبنية المجهرية، والأداء الحراري، والخصائص الميكانيكية، وتسهم في تطوير مواد بناء مستدامة وموفرة للطاقة لتطبيقات البناء المستقبلية.

English Abstract

This study investigates the incorporation of silica aerogel (SA) into cementitious composites as an innovative approach to enhance the thermal performance of building materials while evaluating the associated effects on their physical and mechanical properties. The increasing energy demand in the construction sector, largely driven by inadequate thermal insulation in building envelopes, highlights the need for advanced construction materials capable of providing superior thermal insulation without excessively compromising structural performance. A comprehensive experimental program was conducted at both the material and structural scales. In Phase I, mortar mixtures were developed by partially replacing natural sand with powder and granular silica aerogel at replacement levels ranging from 0% to 65%, with and without silica fume incorporation. The results demonstrated that silica aerogel significantly improved the thermal insulation performance of cementitious mortars. In particular, granular aerogel reduced thermal conductivity from 1.62 W/m·K for the reference mortar to 0.60 W/m·K at 65% replacement, corresponding to a reduction of approximately 63%. However, the enhanced thermal performance was accompanied by reductions in compressive strength due to increased porosity and reduced matrix continuity. At 65% replacement, compressive strength decreased from 43.05 MPa to 11.96 MPa for granular aerogel mixtures. In contrast, powder aerogel mixtures exhibited substantially higher strength retention, achieving a compressive strength of 31.45 MPa at the same replacement level. Based on the combined evaluation of thermal conductivity, compressive strength, density, and durability-related indicators, the P50 mortar mixture was identified as the optimum material-level composition, providing the most favorable balance between thermal insulation performance and mechanical integrity. In Phase II, full-scale hollow masonry blocks incorporating silica aerogel were fabricated and tested to assess the practical applicability of the optimized materials. The results confirmed that the thermal benefits achieved at the mortar level could be successfully translated into structural-scale components. The thermal conductivity of the hollow blocks decreased from 0.163 W/m·K for the control mixture to 0.134 W/m·K at the highest aerogel replacement level, while the density was reduced by approximately 40%. However, increasing aerogel content also resulted in a substantial reduction in compressive strength, from 10.12 MPa for the control block to 0.98 MPa at high replacement levels. Among the investigated hollow block mixtures, the M35 mixture exhibited the most favorable balance between thermal insulation performance, density reduction, and compressive strength, and was therefore identified as the optimum mixture for practical hollow masonry block applications. The findings demonstrate that silica aerogel is highly effective in reducing thermal conductivity and density while improving the energy-efficiency potential of cementitious materials. Nevertheless, these benefits are associated with a clear trade-off in mechanical performance that must be carefully considered during mixture design. Overall, the results indicate that silica aerogel-modified cementitious composites are particularly suitable for lightweight, non-load-bearing, and thermally efficient building-envelope applications. This study provides valuable insights into the relationships among aerogel content, particle morphology, microstructure, thermal performance, and mechanical behavior, and contributes to the development of sustainable and energy-efficient construction materials for future building applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor:	Mohammed Alosta,
Thesis Committee Members:	Shakeel Ahmed, Shamsad Ahmad,
Depositing User:	SAKARIYE MOHAMED
Date Deposited:	25 Jun 2026 11:31
Last Modified:	30 Jun 2026 09:21
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144623