"PERFORMANCE OF CEMENT-FREE GEOPOLYMER COMPOSITES MADE WITH LOCALLY AVA" by Omar Fawwaz Abbas

Date of Award

11-2022

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Civil Engineering

Department

Civil Engineering

First Advisor

Dr. Hilal El-Hassan

Abstract

This dissertation is concerned with developing sustainable cement-free mortars made with local industrial by-product materials. Ladle slag is generated in mass quantities from secondary steel treatment in the United Arab Emirates (UAE). It is typically disposed of in stockpiles and landfills. Ladle slag is an excellent candidate for geopolymer composites because of its aluminosilicate composition. Such composites are developed by activating industrial by-products in alkaline solutions. This project aims to utilize locally produced ladle slag from the secondary steel treatment in the UAE to produce geopolymer mortars. The effect of various mixture proportions on the developed composites was assessed using the Taguchi design of experiments. Further, other industrial by-products, including fly ash and ground granulated blast furnace slag, were utilized in combination with the ladle slag to produce binary/ternary mortars. The performance of the geopolymers was evaluated through workability, setting time, and compressive strength testing. The TOPSIS method was employed to optimize the mixture proportions for superior performance, i.e., fresh and hardened properties. The optimum mixes for each blend of geopolymer mortar (i.e., ladle slag, ladle slag/fly ash, ladle slag/blast furnace slag, and ladle slag/fly ash/blast furnace slag) were obtained for maximum signal-to-noise ratio responses and validated through experimental testing. Their reaction kinetics and microstructure characteristics were analyzed using an X-Ray Diffractometer (XRD), Fourier-Transform Infrared spectroscopy (FTIR), and Scanning Electron Microscopy (SEM) with electron-dispersive X-ray (EDX). Additionally, the economic and environmental footprint of the optimum mixes was assessed by carrying out cost and environmental impact analyses. Experimental findings showed that the optimum mix was made with a binder content of 650 kg/m3, ladle slag-to-fly ash ratio of 9:1, sodium hydroxide molarity of 8 M, alkaline activator solution-to-binder ratio of 0.50, sodium silicate-to-sodium hydroxide ratio of 2.0, and crushed sand replacement by dune sand of 75%. It is characterized by compressive strength of 20.3 MPa, a flow of 160 mm, and initial and final setting times of 98 and 230 minutes, respectively. Meanwhile, its equivalent carbon dioxide emissions and cost are 343 kg and 442 AED (120 USD) per 1 m3 of mortar produced. This work provides a sustainable solution to valorize locally abundant industrial waste in a cement-free geopolymer mortar while also conserving natural resources and alleviating greenhouse gas emissions. Implementing the TOPSISTaguchi method on single, binary, and ternary mixes offered a better understanding of the effect of various design parameters on the performance of alkali-activated composites with minimum experimental runs.

Arabic Abstract

أداء المركبات الجيوبوليمرية الخالية من الأسمنت والمصنوعة من ال نفايات ال صناعية ال صلبة المتوافرة محليًا

تعنى هذه الرسالة بتطوير مونة مستدامة خالية من الأسمنت مصنوعة من مواد صناعية محلية. إذ ينتج خبث المغرفة بكميات كبيرة من المعالجة الثانوية للفولاذ في دولة الإمارات العربية المتحدة. وعادة ما يتم التخلص منها في المخزونات وفي مدافن النفايات. يعد خبث المغرفة مرشحًا ممتازًا لمركبات الجيوبوليمر بسبب تركيبته المصنوعة من سيليكات الألمنيوم. يجري تطوير هذه المركبات عن طريق تنشيط المنتجات الثانوية الصناعية في المحاليل القلوية. يهدف هذا المشروع إلى الإفادة من خبث المغرفة المنتج محليًا من معالجة الصلب الثانوية في دولة الإمارات العربية المتحدة لإنتاج ملاط جيوبوليمر. وجرى تقييم تأثير نسب الخليط المختلفة في المركبات المطورة باستخدام تصميم تاجوشي (Taguchi) للتجارب. علاوة على ذلك، أستخدمت منتجات ثانوية صناعية أخرى، بما في ذلك الرماد المتطاير وخبث أفران الصهر المطحونة، مع خبث المغرفة لإنتاج ملاط ثنائي / ثلاثي. وكان تقييم أداء الجيوبوليمر من خلال قابلية التشغيل، وقياس وقت التصلب، واختبار قوة الانضغاط. و أستعملت طريقة TOPSIS لتحسين نسب الخليط للحصول على أداء فائق، أي خصائص رطبة ومتصلبة. صممت الخلطات المثلى لكل مزيج من ملاط الجيوبوليمر (على سبيل المثال، خبث المغرفة، خبث المغرفة / الرماد المتطاير، خبث المغرفة / خبث الحديد العالي، خبث المغرفة / الرماد المتطاير / خبث الحديد) للحصول على أقصى استجابات الإشارة إلى الضوضاء والتحقق من صحتها من خلال الاختبار التجريبي. وجرى تحليل الخواص الحركية للتفاعل وخصائص البنية المجهرية باستعمال مقياس حيود الأشعة السينية (XRD)، والتحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء (FTIR) ، والمسح المجهري الإلكتروني (SEM) باستعمال الأشعة السينية المشتتة للإلكترون (EDX). بالإضافة إلى ذلك، أجرت الدراسة تقييم الأثر الاقتصادي والبيئي للخلطات المثلى من خلال إجراء تحليلات التكلفة والأثر البيئي. وأظهرت النتائج التجريبية أن المزيج الأمثل تم تصنيعه بمحتوى المواد الرابطة قدره 650 كجم/م3، ونسبة رماد البودرة إلى الخبث المتطاير 1:9، ومولارية هيدروكسيد الصوديوم بمقدار 8 م، ومحلول المنشط القلوي بنسبة 0.50، ونسبة سيليكات الصوديوم إلى هيدروكسيد الصوديوم 2.0، واستبدال الرمل المسحوق برمل الكثبان الرملية بنسبة 75٪. يتميز هذا المزيج بقوة ضغط تبلغ MPa 20.3، وتدفق 160 ملم، وأوقات تصلب أولية ونهائية تبلغ 98 و230 دقيقة، على التوالي. وفي الوقت نفسه، فإن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون المكافئة لها وتكلفتها هي 343 كجم و442 درهمًا إماراتيًا (120 دولارًا أمريكيًا) في م3 من المونة المنتجة. يوفر هذا العمل حلاً مستدامًا لتثمين النفايات الصناعية الوفيرة محليًا في ملاط جيوبوليمر خالٍ من الأسمنت مع الحفاظ أيضًا على الموارد الطبيعية وتخفيف انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. أتاح تنفيذ طريقة TOPSIS-Taguchi على الخلطات الفردية والثنائية والثالثية فهمًا أفضل لتأثير معلمات التصميم المختلفة على أداء المركبات المنشطة القلوية مع الحد الأدنى من العمليات التجريبية.

Download

Share

COinS