Date of Award

6-2022

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Dr. Hilal El-Hassan

Second Advisor

Prof. Amr S. El-Dieb

Third Advisor

Dr. Ahmed Alzamly

Abstract

The production of concrete by the construction industry has a massive impact on the environment. The process of manufacturing its main component, cement, releases a considerable amount of anthropogenic carbon dioxide. This thesis is concerned with the production of sustainable and eco-friendly concrete that integrates metal-organic frameworks (MOF) to capture and offset the CO2 emissions emitted during the production of cement. The main objective is to synthesize a MOF capable of capturing CO2 in concrete through accelerated carbonation curing and to assess its impact on concrete performance. Different parameters were examined, including the MOF content, initial curing duration, and carbonation curing duration and pressure. The parameters were evaluated through CO2 uptake, phenolphthalein indicator solution, compressive strength, water absorption, and permeable pore voids volume. The microstructure of carbonated MOF-incorporating concrete was evaluated using powder X-ray diffraction analysis, scanning electron microscope, and Fourier transform infrared spectroscopy. The study revealed the possibility of incorporating MOF in concrete to capture CO2 gas, permanently sequester it, and increase CO2 uptake while either improving or not impacting the concrete performance. The addition of MOF promoted a higher carbonation degree of cement, especially with a longer initial curing duration and higher pressures. Incorporating up to 6% MOF, by cement mass, in concrete mix cured for 20 hours in open-air followed by 20 hours of carbonation curing at a pressure of 1 bar led to the highest total CO2 uptake of 19%, carbonation depth of 11 mm, and 28-day strength of 46 MPa. Meanwhile, its water absorption and permeable pore voids volume were the lowest at 4 and 11%, respectively. Exceeding 6% MOF addition did not seem to improve the uptake or performance. In comparison, the carbonated control mix without the MOF showed lower compressive strength and higher porosity. Furthermore, the microstructure analysis highlighted the formation of calcite, aragonite, calcium silicate hydrate, calcium hydroxide, and ettringite. The developed MOF-incorporating concrete can be used in construction applications to mitigate the industry-related CO2 emissions while maintaining concrete properties.

Arabic Abstract


استخدام الھیاكل الفلزیة العضویة (MOF) لتقلیل البصمة الكربونیة للخرسانة

الإنتاج الهائل من الخرسانة في مجال البناء له تأثير كبير على البيئة. تؤدي عملية صناعة مكونه الرئيسي، الإسمنت، إلى انبعاث كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. تهتم هذه الأطروحة بإنتاج خرسانة مستدامة صديقة للبيئة تستخدم الهياكل الفلزية العضوية (MOF)،‏ لالتقاط وتعويض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة من عملية إنتاج الإسمنت. الهدف الرئيسي هو إنشاء هيكل فلزي عضوي قادر على التقاط ثاني أكسيد الكربون داخل الخرسانة عن طريق المعالجة الكربونية المتسارعة وتقييم تأثيرها على خصائص الخرسانة. تم دراسة عوامل مختلفة تشمل كمية الهيكل الفلزي العضوي، مدة المعالجة الأولية، فترة الكربنة المعجلة والضغط. تم تقييم هذه العوامل عن طريق كمية امتصاص ثاني أكسيد الكربون، محلول الفينول فثالين، قوة الضغط، امتصاص الماء وحجم الفراغات المسامية. تم تقييم البنية المجهرية للخرسانة التي تحتوي على MOF والمعرضة لعملية الكربنة عن طريق تحليل حيود الأشعة السينية، مجهر المسح الإلكتروني وتحويل فورييه الطيفي بالأشعة تحت الحمراء. أظهرت الدراسة إمكانية استخدام الهياكل الفلزية العضوية في الخرسانة لاحتجاز غاز ثاني أكسيد الكربون وعزله بشكل دائم وزيادة امتصاص ثاني أكسيد الكربون مع تحسين أداء الخرسانة أو عدم التأثير عليه. إن إضافة الهياكل الفلزية العضوية زادت من درجة الكربنة للإسمنت، خصوصا مع فترة أطول للمعالجة الأولية وضغط أعلى. أدى إضافة الهياكل الفلزية العضوية ‎(MOF) بنسبة تصل إلى 6% من وزن الإسمنت، إلى مزيج الخرسانة تحت 20 ساعة معالجة أولية يتبعها 20 ساعة كربنة معجلة تحت ضغط مساوي ل 1 bar إلى أعلى نسبة امتصاص لثاني أكسيد الكربون تساوي 19% عمق كربنة يساوي11 mm ‏ وأعلى قوة ضغط مساوية ل 46 MPa في عمر 28 يوما. وفي الوقت نفسه، نسبة امتصاص الماء وحجم الفراغات المسامية كانت الأدنى وتساوي 4% و 11%على التوالي. إضافة الهياكل الفلزية العضوية بنسبة تتجاوز 6% لم تؤدي إلى تحسين امتصاص ثاني أكسيد الكربون أو خصائص الخرسانة. في المقابل، أظهر مزيج الخرسانة الذي لا يحتوي على هياكل فلزية عضوية والمعرض للكربنة المعجلة قوة ضغط أقل ومسامية أعلى. علاوة على ذلك، أظهر تحليل البنية المجهرية لمخاليط مختلفة تكون الكالسيت، أراجونيت، هيدرات سيليكات الكالسيوم، هيدروكسيد الكالسيوم و إترينجيت. يمكن استخدام الخرسانة المطورة التي تحتوي على ‎MOF في تطبيقات البناء للتخفيف من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون مع الحفاظ على خصائص الخرسانة. كما تم ذكر قيود الدراسة والتوصيات المستقبلية لتوفير أفضل فهم للخرسانة المطروحة.

Download
COinS