Alhajja, Muhamad (2026) Evaluation of Mechanical and Durability Performance of Zero-Cement Concrete Using Locally Sourced Industrial Waste Materials. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Thesis MUHAMAD DIAA ALHAJJA.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 16 August 2027. Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives. Download (5MB)

Arabic Abstract

لا يزال الاستخدام واسع النطاق للطين الأحمر (Red Mud, RM) في الخرسانة المنشطة قلويًا أحادية المكوّن (One-part Alkali activated concrete) يمثل تحديًا بسبب انخفاض تفاعلية الطين الأحمر، إضافةً إلى محدودية الدراسات التي تناولت المعالجة في الهواء واستخدام المنشطات القلوية الصلبة. فقد اعتمدت معظم الدراسات السابقة على منشطات قلوية سائلة، أو على نسب استبدال منخفضة للطين الأحمر، أو اقتصرت على أنظمة العجائن أو المونة، أو تمت معالجتها عند درجات حرارة مرتفعة، في حين لا تزال الدراسات المتعلقة بالخرسانة أحادية المكوّن المعالجة في الظروف المحيطة والتي تحتوي على كميات كبيرة من الطين الأحمر وخبث الأفران (GGBFS)، والمنشطة فقط بميتاسيليكات الصوديوم الصلبة (SMS)، محدودة. علاوةً على ذلك، ركزت الأبحاث السابقة بصورة رئيسية على مقاومة الضغط، بينما تناول عدد قليل منها تقييمًا متكاملًا يشمل خواص حالة السيولة، والأداء الميكانيكي، وخصائص المتانة، والتطور البنيوي المجهري، إلى جانب توضيح العلاقات المتبادلة بين هذه الجوانب. في هذه الدراسة، تم تطوير وتحسين خرسانة منشطة قلويًا أحادية المكوّن مع معالجتها في الهواء، باستخدام الطين الأحمر السعودي المتوفر محليًا وخبث الأفران العالية المحبب والمطحون (GGBFS)، مع استخدام ميتاسيليكات الصوديوم الصلبة (SMS) بوصفها المنشط القلوي الوحيد. ولدراسة خصائص الخرسانة المنشطة قلويًا، تم تصميم تسع خلطات من خلال تغيير نسبة الطين الأحمر إلى خبث الأفران (RM/GGBFS) وجرعة ميتاسيليكات الصوديوم، بينما استُخدمت خرسانة الأسمنت البورتلاندي التقليدية كخلطة مرجعية. وقد شملت الدراسة تقييم خواص القابلية التشغيلية، وقياسات المسعر الحراري متساوي الحرارة، ومقاومة الضغط، والأداء الميكانيكي، والمتانة، إضافةً إلى التوصيف البنيوي المجهري. أظهرت النتائج أن خفض محتوى الطين الأحمر من 72% إلى 52% أدى إلى تحسين ملحوظ في تفاعلية المواد الأولية، حيث ارتفع إجمالي الحرارة المنطلقة من نحو 73 إلى 99 جول/غرام، كما زادت مقاومة الضغط بعمر 28 يومًا من 11 إلى 39.62 ميغاباسكال. ولم يؤدِّ رفع جرعة ميتاسيليكات الصوديوم إلى أكثر من 8% إلى تحسين إضافي في مدى التفاعل أو مقاومة الضغط، مما يشير إلى أن تركيب المواد الأولية كان أكثر تأثيرًا في الأداء من جرعة المنشط القلوي. وقد حققت الخلطة المثلى، والمكوّنة من 52% طين أحمر، و40% خبث أفران عالية محبب ومطحون، و8% ميتاسيليكات صوديوم، أعلى قابلية للتشغيل، وأكثف بنية مجهرية، وأداءً ميكانيكيًا مُرضيًا تحت ظروف المعالجة المحيطة، إلى جانب خصائص متانة مقبولة. كما أكدت تحليلات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) والتحليل الطيفي (EDS) أن التحسن في الأداء الهندسي يعود إلى تكوّن نواتج تفاعل التنشيط القلوي الغنية بالكالسيوم، والتي عززها إدخال خبث الأفران العالية. وتُظهر هذه النتائج إمكانية الاستفادة الفعالة من كميات كبيرة من الطين الأحمر في الخرسانة المنشطة قلويًا أحادية المكوّن والمعالجة في الظروف المحيطة، مما يوفر بديلًا عمليًا ومستدامًا للخرسانة الأسمنتية البورتلاندية التقليدية، مع الإسهام في تحقيق الاستفادة واسعة النطاق من النفايات الصناعية.

English Abstract

High-volume red mud (RM) utilization in one-part alkali-activated concrete remains challenging because of the relatively low intrinsic reactivity of RM and the limited availability of studies involving ambient curing and solid alkaline activators. Most previous studies relied on liquid alkaline activators, relatively low RM replacement levels, paste or mortar systems, or elevated-temperature curing, while investigations on ambient-cured one-part concrete incorporating high-volume RM and GGBFS activated solely by solid sodium metasilicate remain limited. Furthermore, prior research has primarily focused on compressive strength, with comparatively few studies providing an integrated evaluation of fresh properties, mechanical performance, durability characteristics, and microstructural evolution, or establishing the relationships among these performance aspects. This study developed and optimized an ambient-cured one-part alkali-activated concrete incorporating locally sourced Saudi RM and ground granulated blast furnace slag (GGBFS), activated solely by solid sodium metasilicate (SMS). To investigate the properties of AAC, nine mixtures were designed by varying the RM/GGBFS ratio and SMS dosage, while a conventional Portland cement concrete served as the reference. Fresh properties, isothermal calorimetry, compressive strength, mechanical performance, durability, and microstructural characterization were systematically investigated. The results demonstrated that reducing the RM content from 72% to 52% substantially enhanced precursor reactivity, increasing the cumulative heat release from approximately 73 to 99 J/g and the 28-day compressive strength from 11 to 39.62 MPa. Increasing the SMS dosage beyond 8% did not further improve reaction extent or strength, indicating that precursor composition exerted a pronounced influence on performance than activator dosage. The optimized mixture (52% RM, 40% GGBFS, and 8% SMS) exhibited the highest workability, the densest microstructure, satisfactory mechanical performance under ambient curing, and acceptable durability characteristics. SEM and EDS analyses confirmed that the improved engineering performance resulted from the formation of calcium-rich alkali-activated reaction products promoted by the incorporation of GGBFS. The findings demonstrate that high-volume RM can be effectively utilized in ambient-cured one-part alkali-activated concrete, providing a practical and sustainable alternative to conventional Portland cement concrete while enabling large-scale valorization of industrial waste.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor:	Amin Ali Al-fakih,
Thesis Committee Members:	Abbas Albu Shaqraa, Raid Alrashidi,
Depositing User:	MUHAMAD ALHAJJA
Date Deposited:	17 Aug 2026 10:41
Last Modified:	17 Aug 2026 10:41
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144714