BARKHADLE, ABDULKADIR (2026) Stabilization of Weak Soils Using a Combined Fly-ash Based Geopolymer and Fiber Reinforcement. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF ABDULKADIR BARKHADLE- MS THESIS.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 25 June 2027. Download (4MB)

Arabic Abstract

تعاني التربة المثبتة بالجيوبوليمر من الهشاشة (Brittleness) التي تحد من تطبيقاتها الميدانية على الرغم من الزيادة الكبيرة في مقاومتها. تبحث هذه الدراسة في استخدام الجيوبوليمر أحادي الجزء القائم على الرماد المتطاير (OPG)، والمنشط بواسطة ميتاسيليكات الصوديوم اللامائية، بالتزامن مع التسليح بألياف البولي بروبيلين (PP) لتحسين المقاومة، والصلابة، والمطيلية (Ductility)، والقدرة التحميلية للتربة الضعيفة في آن واحد. تم استخدام الرماد المتطاير من الفئتين (Class C و Class F) بنسب تتراوح بين 10-50%، مع إضافة ألياف البولي بروبيلين بنسب تتراوح بين 0-1.0% لخلطات مختارة من OPGC20 و OPGF20. شمل التقييم اختبار المقاومة للضغط غير المحصور (UCS)، ومعامل القاطع (E₅₀)، وانفعال الانهيار (εp)، والمتانة (Toughness)، ونسبة تحمل كاليفورنيا المغمورة (CBR)، وذلك تحت ظروف معالجة محيطية عند 23 درجة مئوية ومعالجة بالفرن عند 65 درجة مئوية. أدت المعالجة بـالجيوبوليمر (OPG) إلى زيادة مقاومة الضغط غير المحصور (UCS) لمدة 28 يوماً من 0.221 ميجا باسكال (للتربة غير المعالجة) إلى 19.844 ميجا باسكال (لخلطة OPGC50) و 18.666 ميجا باسكال (لخلطة OPGF50). وفي الخلطات المسلحة بالألياف، بلغت أعلى قيم لـ UCS عند المعالجة المحيطية 5.38 ميجا باسكال (OPGC20-PP0.75) و 5.52 ميجا باسكال (OPGF20-PP0.25)؛ بينما حققت المعالجة بالفرن قيم 6.60 ميجا باسكال (OPGC20-PP1.0) و 5.93 ميجا باسكال (OPGF20-PP0.75). وقد أدت النسب المنخفضة من ألياف البولي بروبيلين إلى تعظيم معامل القاطع (E₅₀)، بينما حسنت النسب الأعلى من انفعال الانهيار والمتانة، مما يعكس مقايضة واضحة بين المقاومة والمطيلية. كما ارتفعت نسبة تحمل كاليفورنيا المغمورة (CBR) من 10.15% للتربة غير المعالجة إلى 297.1% (OPGC20) و 293.8% (OPGF20)، مع قيم تتراوح بين 239.8% و 217.3% للخلطات المسلحة بالألياف، وهي قيم تلبي جميع متطلبات طبقة الأساس المساعدة (Sub-base). يساهم النظام المشترك بين الجيوبوليمر (OPG) وألياف البولي بروبيلين بفعالية في معالجة القصور في التربة المعالجة بالجيوبوليمر، مع توفير مكاسب كبيرة في المقاومة والقدرة التحميلية. وتعتمد النسبة المثلى لألياف البولي بروبيلين على معيار التصميم المطلوب: فالجرعات المنخفضة تزيد من الصلابة، بينما تحكم الجرعات العالية سلوك المطيلية والمتانة. يقدم هذا النظام نهجاً مستداماً لتثبيت التربة يعتمد على "إضافة الماء فقط"، مما يساهم في تثمين الرماد المتطاير كمنتج ثانوي صناعي ويزيل المخاطر المرتبطة بالمنشطات القلوية السائلة.

English Abstract

Geopolymer-stabilized soils suffer from brittleness that limits their field applicability despite strong strength gains. This study investigates one-part fly-ash-based geopolymer (OPG), activated by anhydrous sodium metasilicate combined with polypropylene (PP) fiber reinforcement to simultaneously improve the strength, stiffness, ductility, and bearing capacity of weak soil. Class C and Class F fly ash were used at OPG contents of 10–50%, and PP fiber was incorporated at 0–1.0% in selected OPGC20 and OPGF20 mixtures. Unconfined compressive strength (UCS), secant modulus (E₅₀), peak strain (εp), toughness (T), and soaked California Bearing Ratio (CBR) and CBR swell were evaluated under ambient curing at 23°C and oven curing at 65°C. OPG treatment increased 28-day UCS from 0.221 MPa (untreated) to 19.844 MPa (OPGC50) and 18.666 MPa (OPGF50). In fiber-reinforced mixtures, the highest ambient-cured UCS values were 5.38 MPa (OPGC20-PP0.75) and 5.52 MPa (OPGF20-PP0.25); oven curing yielded 6.60 MPa (OPGC20-PP1.0) and 5.93 MPa (OPGF20-PP0.75). Low PP fiber contents maximized E₅₀, while higher contents improved εp and T, reflecting a clear strength–ductility trade-off. Soaked CBR increased from 10.15% for untreated soil to 297.1% (OPGC20) and 293.8% (OPGF20), with fiber-reinforced values of 239.8% and 217.3%, all satisfying sub-base requirements. CBR swell tests under both unconfined and standard 4.54 kg surcharge conditions confirmed substantially reduced volumetric expansion in all OPG-treated mixtures, with the lowest swell recorded for the combined OPG–PP fiber composites under surcharge loading. The combined OPG and PP fiber system effectively addresses the brittleness limitation of geopolymer-treated soils. Brittleness reduction was assessed through the progressive increase in peak strain (εp) and toughness (T) with increasing PP fiber content, alongside the improvement in post-peak stress retention observed in the stress–strain curves; no single brittleness index was calculated, and these deformation-based metrics are used as proxies for ductility gain throughout the study. The optimal PP fiber content is criterion-dependent: lower dosages maximize stiffness, while higher dosages govern ductility and toughness. This system offers a sustainable, just-add-water stabilization approach for weak soils, valorizing fly ash as an industrial by-product and eliminating the hazards of liquid alkaline activators.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering Civil Engineering > Geotechnical Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor:	Naser Al-shayea,
Thesis Committee Members:	Amin Ali Al-fakih, Syed Umair Naqvi,
Depositing User:	ABDULKADIR BARKHADLE
Date Deposited:	25 Jun 2026 11:30
Last Modified:	30 Jun 2026 09:21
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144624