Date of Award

11-2024

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Civil Engineering

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Hilal El-Hassan

Second Advisor

Mohamed Hamouda

Abstract

This dissertation aims to develop sustainable pavement materials to address environmental challenges in arid environments, specifically in the United Arab Emirates (UAE). These challenges include the depletion of natural resources, excessive cement production, industrial waste accumulation, and stormwater runoff flooding. Cement-free pervious concrete made with geopolymer and recycled concrete aggregates (RCA) are presented as sustainable solutions to these issues. The porous nature of pervious concrete reduces stormwater runoff while using RCA and geopolymer reduces dependence on limited natural resources and mitigates the environmental impact of cement production by incorporating industrial waste materials. In this thesis, the use of pervious geopolymer concrete in pavement applications was assessed in three phases. In the first phase, the effect of various mix design parameters on the mechanical, hydraulic, and durability properties of pervious geopolymer concrete (PGC) was evaluated. The mixes were formulated using the Taguchi method and tested for compressive strength, permeability, and abrasion resistance. Based on preset criteria and weighting, the optimum mix was developed using the Taguchi-TOPSIS method and further verified experimentally. The optimum mix for scenarios with compressive strength and abrasion resistance having the highest weights was composed of binder content of 500 kg/ m3, dune sand addition of 20%, AAS/B of 0.60, and SH molarity of 12 M. Meanwhile, the optimum mix for the permeability-dominant scenario included 400 kg/m3 of binder content, 0% of dune 21 sand addition, 0.60 of AAS/B, and 12 M of SH molarity.

In the second phase of this study, the sustainability of PGC mixes was further enhanced by replacing natural aggregates with recycled counterparts from construction and demolition waste. The resulting pervious geopolymer recycled aggregate concrete (PGRAC) was produced at design porosities of 10% and 15% and two binder combinations (GGBS ratios of 1:0 and 1:1). RCA replaced natural coarse aggregate (NCA) at up to 100% replacement. The effect of these mix design parameters on the physical, mechanical, hydraulic, and durability properties was evaluated. The results showed that the incorporation of RCA or fly ash into the PGC mix reduced the hardened density, strengths, and abrasion resistance while increasing porosity and permeability. Despite permeability losses reaching 71% due to clogging, nearly 94% of the initial permeability could be restored through pressurized water washing. In the third and final phase, the leaching potential and pollutant removal efficiency of PGRAC were studied, considering variations in design porosity, binder blend, and RCA replacement. While the binder blend and alkaline solution significantly influenced the leaching behavior of heavy metals, design porosity, and RCA replacement had a minimal direct impact. With time, the leaching of heavy metals diminished, indicating a reduced environmental and structural risk. RCA replacement and increased porosity were effective in pollutant removal, with binder blend effects dependent on both design porosity and RCA replacement, influencing both short- and long-term performance. Overall, the research provides evidence on the ability to utilize PGRAC in pavement applications in arid environments, offering both environmental and structural benefits.

Arabic Abstract

أداء خرسانة الجيوبوليمر السابقة المصنوعة من الركام الخرساني المعاد تدويره والمتوفر محليا في بيئة قاحلة

تهدف أطروحة الدكتوراه هذه إلى تطوير مواد رصف مستدامة لمواجهة التحديات البيئية في البيئات القاحلة، وخاصة في دولة الإمارات العربية المتحدة. وتشمل هذه التحديات استنفاد الموارد الطبيعية، والإنتاج المفرط للأسمنت، وتراكم النفايات الصناعية، وفيضانات مياه الأمطار. يتم تقديم الخرسانة النفاذة الخالية من الأسمنت المصنوعة من الجيوبوليمر والخرسانة المعاد تدويرها كحلول مستدامة لهذه القضايا. تعمل الطبيعة المسامية للخرسانة النفاذة على تقليل جريان مياه الأمطار بينما يقلل استخدا م والجيوبوليمر من الاعتماد على الموارد الطبيعية المحدودة ويخفف من التأثير البيئي لإنتاج الأسمنت من خلال دمج مواد النفايات الصناعية. في هذه الأطروحة، تم تقييم استخدام الخرسانة الجيوبوليمرية النفاذة في تطبيقات الرصف في ثلاث مراحل. في المرحلة الأولى، تم تقييم تأثير معلمات تصميم الخلطات المختلفة على الخصائص الميكانيكية والهيدروليكية والمتانة للخرسانة الجيوبوليمرية النفاذ ة . تم صياغة الخلطات باستخدام طريقة تاجوتشي واختبارها من حيث قوة الضغط والنفاذية ومقاومة التآكل. بناءً على معايير وأوزان محددة مسبقًا، تم تطوير ا لخليط الأمثل باستخدام طريقة وتم التحقق منه تجريبيًا. يتكون الخليط الأمثل للسيناريوهات ذات قوة الضغط ومقاومة التآكل ذات الأوزان الأعلى من محتوى رابط يبلغ 500 كجم/م3، وإضافة رمل الكثبان الرملية بنسبة 20٪، و AAS / B بنسبة 0.60 ، ومولارية SH 12 م. وفي الوقت نفسه، تضمن الخليط الأمثل لسيناريو النفاذية السائدة 400 كجم/ م3 من محتوى الرابط، و 0٪ من إضافة رمل الكثبان الرملية 21، و0.60 منAAS/B ، و12 م من مولارية SH.

في المرحلة الثانية من هذه الدراسة، تم تعزيز استدامة خلطات PGC بشكل أكبر من خلال استبدال الكتل الطبيعية بنظيراتها المعاد تدويرها من نفايات البناء والهدم. تم إنتاج الخرسانة المعاد تدويرها من الجيوموليمر عند مسامية تصميمية 10٪ و15٪ ومزيجين من المواد الرابطة (نسب GGBS 1:0 و1:1). حلت RCA محل الكتل الخرسانية الطبيعية (NCA) بنسبة استبدال تصل إلى 100٪. تم تقييم تأثير معلمات تصميم الخليط هذه على الخصائص الفيزيائية والميكانيكية والهيدروليكية والمتانة. أظهرت النتائج أن دمج RCA أو FA في خليط PGC قلل من الكثافة المتصلبة والقوة ومقاومة التآكل، مع زيادة المسامية والنفاذية. على الرغم من خسائر النفاذية التي وصلت إلى 71٪ بسبب الانسداد، يمكن استعادة ما يقرب من 94٪ من النفاذية الأولية من خلال الغسيل بالماء المضغوط . في المرحلة الثالثة والأخيرة، تمت دراسة إمكانية الاستخلاص وكفاءة إزالة الملوثات لـ PGRAC، مع مراعاة الاختلافات في مسامية التصميم ومزيج المادة الرابطة واستبدال RCA. في حين أن مزيج المادة الرابطة والمحلول القلوي أثر بشكل كبيرعلى سلوك تسرب المعادن الثقيلة، فإن مسامية التصميم واستبدال RCA كان لهما تأثير مباشر ضئيل. مع مرور الوقت، تضاءل تسرب المعادن الثقيلة، مما يشير إلى انخفاض المخاطر البيئية والبنيوية. كان استبدال RCA وزيادة المسامية فعالين في إزالة الملوثات، مع اعتماد تأثيرات مزيج المادة الرابطة على كل من مسامية التصميم واستبدال RCA، مما يؤثر على الأداء على المدى القصير والطويل. بشكل عام، يقدم البحث دليلاً على القدرة على استخدام PGRACفي تطبيقات الرصف في البيئات القاحلة، مما يوفر فوائد بيئية وبنيوية.

Download

Share

COinS