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

Tamer El-Maaddawy

Third Advisor

Bilal El Ariss

Fourth Advisor

Joseph Assaad

Abstract

The demand for sustainable and eco-friendly construction materials has driven significant interest in the development of cement-free Geopolymer (GP) composites. A comprehensive scientometric analysis was conducted, highlighting a steady increase in research on geopolymer materials since 2013, with fire resistance, corrosion protection, and repair being the most studied applications. However, gaps remain in areas like 3D printing, heavy metals absorption, rehabilitation and repair, screed flooring, and shotcrete. The review emphasized the need for further investigation into lifecycle assessments and the potential use of diverse alumina- and silica-rich binders to enhance the environmental and mechanical properties of geopolymers. Accordingly, this thesis explores the potential use of GP composites in various construction applications as sustainable alternatives to traditional cementitious materials, with a focus on screed, repair, and shotcrete.

The study investigates the performance of GP screed composites in comparison to cement-based screeds. Although GP screeds exhibited relatively inferior fresh properties compared to their cementitious counterparts, they outperformed them in terms of early strength development, impact resistance, and bond properties. Complying with BS 8204 requirements, GP screeds formulated with dune sand and crushed sand demonstrated superior mechanical properties, classifying them into Categories A and B, respectively, and making them suitable for various flooring applications. Further research into the mechanical, durability, and microstructural properties of GP screeds showed that these composites displayed superior resistance to acidic environments and salt attack compared to cementitious screeds, confirming their long-term durability and stability in harsh conditions. The use of recycled fine aggregates (RFA) in conjunction with steel fibers (SF) was also explored, demonstrating that the inclusion of SF improved the tensile and flexural strengths and impact resistance. Meanwhile, higher RFA content led to a slight reduction in the mechanical strength, particularly at 100% substitution rates. Nevertheless, mixtures with 0%, 25%, and 50% RFA met structural repair requirements, while higher RFA mixes were suitable for non-structural applications only. Subsequently, the feasibility of using GP composites for shotcrete applications was assessed. Results showed that geopolymer shotcrete mortars exhibited appropriate rheological properties and strength development, making them a viable alternative to cement-based counterparts. The study also examined the impact of varying flow rates and spraying distances, confirming that these parameters are critical to optimizing the performance of GP shotcrete. This thesis provides valuable insights into the potential of geopolymer composites to replace traditional cementitious materials in various construction applications. The experimental findings highlighted that the adoption of GP by construction industry contributes to its sustainable development by reducing its environmental impact while enhancing material performance.

Arabic Abstract

تخدام مركبات الجيوبوليمر الخالية من الأسمنت في تطبيقات البناء المختلفة

أدى الطلب على مواد البناء المستدامة والصديقة للبيئة إلى زيادة الاهتمام بتطوير مركبات الجيوبوليمر الخالية من الأسمنت. تم إجراء تحليل علمي شامل، سلط الضوء على الزيادة المطردة في الأبحاث المتعلقة بمواد الجيوبوليمر منذ عام 2013 ، مع كون مقاومة الحريق والحماية من التآكل والإصلاح هي التطبيقات الأكثر دراسة. ومع ذلك، لا تزال هناك فجوات في مجالات مثل الطباعة ثلاثية الأبعاد، وامتصاص المعادن الثقيلة، وإعادة التأهيل والإصلاح، والأرضيات المسطحة، والخرسانة المرشوشة. وشددت المراجعة على الحاجة إلى مزيد من التحقيق في تقييمات دورة الحياة والاستخدام المحتمل لمواد رابطة متنوعة غنية بالألومينا والسيليكا لتعزيز الخواص البيئية والميكانيكية للبوليمرات الجيولوجية. وبناءً على ذلك، تستكشف هذه الأطروحة الاستخدام المحتمل لمركبات GP في تطبيقات البناء المختلفة كبدائل مستدامة للمواد الأسمنتية التقليدية، مع التركيز على ذراع التسوية والإصلاح والخرسانة المرشوشة.

تبحث الدراسة في أداء مركبات التسوية الأرضية الجيوبوليمرية مقارنة بمركبات التسوية الأرضية القائمة على الأسمنت. على الرغم من أن مركبات التسوية الأرضية الجيوبوليمرية أظهرت خصائص أقل جودة في حالتها الطازجة مقارنةً بنظيراتها الإسمنتية، إلا أنها تفوقت عليها من حيث تطوير القوة المبكرة، ومقاومة الصدمات، وخصائص الالتصاق. ، ووفقًا لمتطلبات 8204 BS أظهرت مركبات التسوية الأرضية الجيوبوليمرية التي تم تركيبها باستخدام رمال الكثبان الرملية والرمل المكسر خصائص ميكانيكية فائقة، مما صنفها في الفئتين B و A على التوالي، مما  يجعلها مناسبة لتطبيقات أرضيات متنوعة. وأظهرت المزيد من الأبحاث حول الخصائص الميكانيكية والمتانة والخصائص الدقيقة لمركبات التسوية الأرضية الجيوبوليمرية أن هذه المركبات أظهرت مقاومة فائقة للبيئات الحمضية والهجمات الملحية مقارنةً بمركبات التسوية الأرضية الإسمنتية، مما يؤكد على متانتها واستقرارها على المدى الطويل في الظروف القاسية. كما تم استكشاف استخدام الركام الناعم المعاد تدويره مع الألياف الفولاذية، مما أظهر أن إضافة الألياف الفولاذية حسنت من مقاومة الشد والانحناء ومقاومة الصدمات. في المقابل، أدى ارتفاع نسبة الركام الناعم المعاد تدويره إلى انخفاض طفيف في القوة الميكانيكية، خصوصًا عند معدلات الاستبدال الكاملة (100 %). ومع ذلك، فإن الخلطات التي تحتوي على نسب 0% و 25 % و 50 % من الركام الناعم المعاد تدويره تلبي متطلبات الإصلاح الهيكلي، بينما كانت الخلطات ذات النسب الأعلى مناسبة فقط للتطبيقات غير الهيكلية. أخيرًا، تم تقييم جدوى استخدام مركبات الجيوبوليمر في تطبيقات الخرسانة المرشوشة. أظهرت النتائج أن مونة الجيوبوليمر أظهرت خصائص انسيابية وتطور قوة مناسبة، مما يجعلها بديلاً قابلاً للتطبيق عن الخرسانة المرشوشة القائمة على الأسمنت. كما تم دراسة تأثير تغير معدلات التدفق والمسافات الرشاشية، وأكدت النتائج أن هذه المعايير أساسية لتحسين أداء الخرسانة المرشوشة من الجيوبوليمر . توفر هذه الرسالة رؤى قيمة حول الإمكانية الكبيرة لاستبدال المواد الإسمنتية التقليدية بمركبات الجيوبوليمر في مختلف تطبيقات البناء. وأبرزت النتائج التجريبية أن اعتماد الجيوبوليمر من قبل صناعة البناء يساهم في تطويرها المستدام من خلال تقليل تأثيرها البيئي مع تحسين أداء المواد.

Download

Share

COinS