Date of Award

5-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Prof. Amr S. El-Dieb

Second Advisor

Dr. Hilal El-Hassan

Third Advisor

Dr. Ahmed Alzamly

Abstract

Curing of concrete is the presence of adequate moisture content in concrete throughout its early stages to produce the desired properties, as it is significant in improving the concrete microstructure and pore structure and hence in developing its performance and durability. However, good curing is not always practical in several cases, such as in hot weather regions and areas of water inadequacy. For that reason, the need to develop self-curing concrete attracted several researchers. The use of self-curing agents minimizes the water evaporation from concrete and consequently increases its water retention capacity compared to conventional concrete. This thesis is concerned with producing sustainable and eco-friendly concrete that integrates Metal-Organic Frameworks (MOFs) to capture H2O; its capability makes it an ideal candidate to be used as an ingredient in the production of self-curing concrete. The main objective is to synthesize a MOF capable of capturing moisture from the surrounding environment into the concrete and to assess its impact on concrete performance. Different parameters were examined, including the MOF content and curing regimes. The parameters were evaluated through compressive strength, water absorption, permeable pore voids volume, and degree of hydration. The microstructure of MOF-embedded concrete was evaluated using X-ray Diffraction Analysis (XRD), Scanning Electron Microscope (SEM), and Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy. The study revealed the possibility of incorporating MOFs in concrete to capture moisture without compromising mechanical and durability performance. Up to 6% MOF by cement mass, cured at 70% relative humidity, achieved the highest compressive strength at 39 MPa, with 6.5 and 15.25% water absorption and permeable pores values, respectively, at 7 days. The MOF mix revealed a slight reduction in strength (8%) compared to continuously moist cured concrete without MOF. This reduction can be accepted given the saving of 7 days of water curing. On the other hand, the highest late age strength at 28 days was attained by incorporating 3% MOF, by cement mass, at 50% relative humidity, at 45 MPa, with 5.9 and 15.36% water absorption and permeable pores values, respectively. Similarly, at 90 days, the highest compressive strength was achieved by incorporating 3% MOF, at 50% relative humidity, at 46 MPa, with 5.59% and 14.29% water absorption and permeable pores values, respectively. The microstructure analysis of different mixes highlighted the formation of calcium silicate hydrate, calcium hydroxide, dolomite, and ettringite in the MOF-incorporated mixes. Exceeding 6% MOF addition did not seem to improve the performance of concrete. This study concludes that adding 3% to 6% MOFs to concrete resulted in eco-friendly concrete and helped save water resources by minimizing days of moist-curing. The developed self-curing concrete can be used in construction applications to reduce the need for moist-curing while maintaining concrete properties. Limitations of the study and recommendations for future investigations are also furnished.

Arabic Abstract

استخدام الهياكل الفلزية العضوية (MOFs) في صناعة الخرسانة ذاتية المعالجة

إن معالجة الخرسانة هو وجود محتوى رطوبة مناسب في الخرسانة خلال مراحلها الأولى لإنتاج الخصائص المرغوبة، حيث إنها مهمة في تحسين البنية المجهرية للخرسانة وهيكل المسام، وبالتالي في تطوير أدائها ومتانتها. ومع ذلك، فإن المعالجة الجيدة ليست دائمًا متاحة في العديد من الحالات مثل المناطق ذات درجة الحرارة العالية والمناطق الشحيحة بالمياه. لهذا السبب، جذبت الحاجة إلى تطوير الخرسانة ذاتية المعالجة العديد من الباحثين. إن استخدام عوامل المعالجة الذاتية هو تقليل بخر الماء من الخرسانة، وبالتالي زيادة قدرتها على الاحتفاظ بالمياه مقارنة بالخرسانة التقليدية. هذه الأطروحة معنية بإنتاج خرسانة مستدامة صديقة للبيئة تستخدم الهياكل الفلزية العضوية (MOFs) لامتصاص الماء من البيئة المحيطة. تعتبر الهياكل الفلزية العضوية مرشحا مثاليا لامتصاص الماء من الغلاف الجوي، وهذه القدرة تجعلها مرشحا مناسبا لاستخدامها كأحد المكونات في إنتاج الخرسانة ذاتية المعالجة. الهدف الرئيسي هو إنشاء هيكل فلزي عضوي قادر على التقاط الماء من البيئة المحيطة وتقييم تأثيرها على خصائص الخرسانة. تم دراسة عوامل مختلفة تشمل كمية الهيكل الفلزي العضوي، وأنظمة المعالجة. هذه العوامل تم تقييمها عن طريق مقاومة الضغط، امتصاص الماء، حجم الفراغات المسامية ودرجة الاماهة. تم تقييم البنية المجهرية للخرسانة التي تحتوي على (MOFs) عن طريق تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) مجهر المسح الإلكتروني (SEM) ، وتحويل فورييه الطيفي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) . أظهرت الدراسة إمكانية استخدام الهياكل الفلزية العضوية في صناعة الخرسانة لامتصاص الماء دون التأثير على الخصائص الميكان يكية للخرسانة. إضافة الهياكل الفلزية العضوية بنسبة تصل إلى 6% ، من وزن الإسمنت ، معالج عند رطوبة نسبية 70% ، حقق أعلى قوة ضغط مساوية ل 39 MPa، ونسبة امتصاص الماء وحجم الفراغات المسامية كانت الأدنى وتساوي 6.25% و % 15.25 ، على التوالي، عند عمر 7 أيا م. وبالمقارنة مع الخلطة الخرسانة التي لا تحتوي على هياكل فلزية عضوية والمعرض للمعالجة المستمرة بالماء، أظهر قوة ضغط أقل بنسبة % 8، وهى تعتبر نسبة منخفضة مقارنة بتوفير 7 أيام من المعالجة المائية. من ناحية أخرى، عند عمر 28 يوما،ً إضافة الهياكل الفلزية العضوية بنس بة تصل إلى 3% ، من وزن الإسمنت، عند رطوبة نسبية %50 ، حقق أعلى قوة ضغط MPa 45، ونسبة امتصاص الماء وحجم الفراغات المسامية كانت الأدنى وتساوي 5.9% و 15.36% ، على التوالي. وفي عمر 90 يوما،ً تم ت حقيق أعلى مقاومة ضغط (46 MPa) عند إضافة الهياكل الفلزية العضوية بنسبة تصل إلى 3% ، عند رطوبة نسبية %50 ، ونسبة امتصاص الماء وحجم الفراغات المسامية كانت الأدنى وتساوي 5.59% و 14.29% ، على التوالي . علاوة على ذلك، أظهر تحليل البنية المجهرية لخلطات مختلفة تكون هيدرات سيليكات الكالسيوم، هيدروكسيد الكالسيوم، دولومايت و إترينجيت. وأهم نتائج هذه الدراسة هو أن إضافة الهياكل الفلزية العضوية (بنسبة 3 إلى %6) إلى مكونات الخلطة الخرسانية، ينتج خرسانة مستدامة صديقة للبيئة، تساعد على توفير موارد المياه الطبيعية عن طريق تقليل معالجة الخرسانة بالمياه. إضافة الهياكل الفلزية العضوية بنسبة تتجاوز % 6 لم تؤدِى إلى تحسين خصائص الخرسانة. الخرسانة المطورة التي تحتوي على MOFs . الخرسانة المنتجة يمكن استخدامها في صناعة البناء للتقليل من استخدام المعالجة المائية مع الحفاظ على خصائص الخرسانة. تم ذكر قيود الدراسة والتوصيات المستقبلية لتوفير أفضل فهم للخرسانة النتجة.

Download
COinS