Isu, Paul (2026) Self-Sensing 3D-Printed Concrete Integrated with Graphene Derivatives. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Paul_Inya_Isu_MS_Thesis_Report.pdf Restricted to Repository staff only until 27 August 2027. Download (23MB)

Arabic Abstract

تُعد السلامة الإنشائية في قطاع الانشاءات أمراً بالغ الأهمية، ولذلك أدّت إلى ظهور مراقبة الصحة الإنشائية (SHM)، وهي عملية تقييم حالة المنشأ للكشف المبكر عن الأضرار. وفي الطباعة ثلاثية الابعاد للخرسانة، يُعد هذا التقييم مهماً جداً نظراً لقابليتها للتباين الاتجاهي، وضعف الترابط بين الطبقات، وبدء التشققات عند الطبقة الرابطة بين الطبقتين. يهدف هذا البحث إلى تطوير خلطات للطباعة الخرسانية ثلاثية الابعاد ذاتية الاستشعار من خلال إضافة صفائح الجرافين النانوية (GNP)، وأكسيد الجرافين (GO)، وأكسيد الجرافين المختزل (rGO) بنسب مختلفة تبلغ 0.3% و1% و2% من وزن الأسمنت إلى خلطات الاسمنت. تمت دراسة الخصائص الريولوجية، والأداء الكهربائي والميكانيكي في الحالتين الطازجة والمتصلدة، بالإضافة إلى التحليل المجهري لخلطات للطباعة الخرسانية ثلاثية الابعاد. أظهرت الخصائص الريولوجية قيماً مناسبة للطباعة الخرسانية ثلاثية الابعاد القائمة على البثق. كما أظهرت مقاومة الضغط للطباعة الخرسانية ثلاثية الابعاد قيماً منخفضة، لكنها حققت مقاومة انحناء أعلى مقارنةً بنظيرتها المصبوبة في القوالب. ويؤكد الأداء البيزومقاومي أن الخرسانة المطبوعة ثلاثية الأبعاد المطوّرة يمكنها الاستجابة للتشوه تحت تأثير الحمل من خلال التغير الجزئي في المقاومية الكهربائية (FCR)، والذي أظهر استقراراً وحساسية عالية، مع معامل القياس (GF) بين 80 و500 في معظم الحالات. ويؤكد التحليل المجهري أن مشتقات الجرافين حسّنت البنية المجهرية للمونة دون تغيير بنية مصفوفة الاسمنت. وبشكل عام، تُظهر النتائج إمكانية إنتاج خرسانة مطبوعة ثلاثية الأبعاد ذاتية الاستشعار قائمة على مشتقات الجرافين لاستخدامها في البنية التحتية الذكية.

English Abstract

This research develops self-sensing 3DPC mixtures by incorporating graphene nanoplatelets (GNP), graphene oxide (GO), and reduced graphene oxide (rGO) at 0.3%, 1%, and 2% by weight of cement into mortar mixtures. The study investigated the rheological characteristics, fresh and hardened electrical and mechanical performance, and microstructural analysis of the 3DPC mixtures. The rheological performance indicated values suitable for extrusion-based 3DPC. The 3DPC mechanical strengths, investigated using layered mortar (LM) specimens, showed weak compressive strength but superior flexural strength compared to their mold-cast counterparts. The piezoresistive performance confirms that the developed 3DPC mixtures can respond to deformation under load through fractional change in resistivity (FCR), which showed stability and high sensitivity, with a gauge factor (GF) between 80 and 500 in most cases. Microstructural analysis confirms that the graphene derivatives refined the mortar microstructure without altering the mortar matrix structure. Overall, the outcome shows the feasibility of producing graphene-derivative-based self-sensing 3DPC for smart infrastructure

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Civil Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Thesis Advisor:	Faisal Mukhtar,
Thesis Committee Members:	Asad Hanif, Tanvir Qureshi,
Depositing User:	PAUL ISU
Date Deposited:	30 Aug 2026 05:58
Last Modified:	30 Aug 2026 05:58
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144749