Date of Award

6-2026

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Prof. Hilal El-Hassan

Second Advisor

Prof. Tamer El Maaddawy

Abstract

The concrete industry has a considerable environmental impact. The manufacture of ordinary Portland cement (OPC) emits a large amount of carbon dioxide, while the extensive extraction of virgin natural aggregates further burdens the environment during concrete production. This thesis is concerned with the development of low-carbon concrete through the combined utilization of Waste Paper Ash (WPA), recycled aggregates, and accelerated carbonation curing. The main objective is to reduce the environmental footprint of concrete products, including masonry units, by enhancing their carbon sequestration potential, decreasing the use of cement, and alleviating reliance on virgin aggregates, while also maintaining adequate mechanical and durability properties. The experimental program was conducted in three phases. The first phase aimed to optimize key mix design parameters, namely WPA replacement levels, water-to-binder ratio, aggregate-to-binder ratio, and carbonation curing regime, to maximize the CO2 sequestration potential of WPA-OPC blended carbonation-cured concrete without compromising its performance. In this phase, a comprehensive characterization of WPA was carried out by evaluating its chemical and physical properties as well as its microstructure. Additionally, the compressive strength, water absorption, and volume of permeable voids of the WPA-OPC blended carbonation-cured concrete were examined. As an alternate method to reduce the carbon footprint of concrete, the second phase investigated the effect of incorporating different combinations of recycled and carbonated recycled aggregates (i.e., coarse and fine) on the CO2 uptake and compressive strength of carbonation-cured OPC concrete. The goal was to identify the most effective aggregate mixture for superior CO2 storage and compressive strength of OPC concrete. The final phase adopted the findings of the first two phases to synergically incorporate WPA and recycled aggregates (i.e., carbonated or uncarbonated) as cement and aggregate replacement, respectively, in a two-step carbonation-cured concrete to examine their effect on CO2 uptake, total CO2 reduction, compressive strength, water absorption, and the volume of permeable voids. The developed carbonation-cured concrete incorporating WPA and recycled aggregates provides an effective means for reducing the environmental impact of concrete production by enhancing CO2 sequestration, reducing cement demand, and valorizing waste materials. Accordingly, the developed concrete mixtures support concrete decarbonization efforts and the circular economy while maintaining properties suitable for precast concrete masonry unit applications.

Arabic Abstract

استخدام رماد النفايات الورقية كبديل جزئي للأسمنت في الخرسانة

تُحدث صناعة الخرسانة أثرًا بيئيًا كبيرًا. إذ يطلق تصنيع الإسمنت البورتلاندي العادي (OPC) كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون، في حين يزيد الاستخراج المكثف للركام الطبيعي من العبء البيئي المصاحب لإنتاج الخرسانة. تتناول هذه الرسالة تطوير خرسانة منخفضة الكربون من خلال الاستخدام المتكامل لرماد الورق المستعمل (WPA)، والركام المعاد تدويره، والمعالجة بالكربنة المتسارعة. ويتمثل الهدف الرئيس في خفض البصمة البيئية للمنتجات الخرسانية، بما في ذلك وحدات البناء، من خلال تعزيز قدرتها على عزل الكربون، وتقليل استخدام الإسمنت، والحد من الاعتماد على الركام، مع الحفاظ في الوقت نفسه على خواص ميكانيكية وخواص متانة مناسبة.

تم تنفيذ البرنامج البحثي على ثلاث مراحل. هدفت المرحلة الأولى إلى تحسين المتغيرات الرئيسة لتصميم الخلطة، وهي نسب استبدال رماد الورق المستعمل، ونسبة الماء إلى المادة الرابطة، ونسبة الركام إلى المادة الرابطة، ونظام المعالجة بالكربنة، وذلك بهدف تعظيم قدرة عزل ثاني أكسيد الكربون في الخرسانة المعالجة بالكربنة والمكونة من خليط الاسمنت ورماد الورق المستعمل. دون التأثير سلبًا على أدائها. وفي هذه المرحلة، أجري توصيف شامل لرماد الورق المستعمل من خلال تقييم خواصه الكيميائية والفيزيائية، بالإضافة إلى بنيته الدقيقة. كما تم فحص مقاومة الضغط، وامتصاص الماء، وحجم الفراغات المنفذة في الخرسانة المعالجة بالكربنة. وكأسلوب بديل لخفض البصمة الكربونية للخرسانة، تناولت المرحلة الثانية دراسة تأثير دمج توليفات مختلفة من الركام المعاد تدويره والركام المعاد تدويره المكربن (الحصى والرمل) على امتصاص ثاني أكسيد الكربون ومقاومة الضغط في خرسانة المعالجة بالكربنة. وكان الهدف هو تحديد الخلطة الركامية الأكثر كفاءة من حيث تخزين ثاني أكسيد الكربون وتحقيق مقاومة ضغط متفوقة في خرسانة.

أما المرحلة النهائية، فقد اعتمدت على نتائج المرحلتين الأولى والثانية لدمج رماد الورق المستعمل والركام المعاد تدويره، سواء كان مكربنًا أو غير مكربن، بصورة تآزرية كبديلين للأسمنت والركام، على التوالي، في خرسانة معالجة بالكربنة على مرحلتين، وذلك لدراسة تأثيرهما على امتصاص ثاني أكسيد الكربون، والخفض الكلي لثاني أكسيد الكربون، ومقاومة الضغط، وامتصاص الماء، وحجم الفراغات المنفذة. وتوفر الخرسانة المطورة المعالجة بالكربنة، والمحتوية على رماد الورق المستعمل والركام المعاد تدويره، وسيلة فعالة للحد من الأثر البيئي لإنتاج الخرسانة من خلال تعزيز عزل ثاني أكسيد الكربون، وخفض الطلب على الإسمنت، وتثمين المواد المهدرة. وبناءً على ذلك، تدعم الخلطات الخرسانية المطورة جهود إزالة الكربون من صناعة الخرسانة ومبادئ الاقتصاد الدائري، مع الحفاظ على خصائص مناسبة لتطبيقات وحدات البناء الخرسانية مسبقة الصب.

Download
COinS