Date of Award

4-2021

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

Abstract

The ceramic industry produces a substantial amount of waste during its production processes. Recycling and reutilizing such ceramic waste is a challenge due to its extended biodegradation period. Consequently, the ceramic industry is dedicated to attaining a sustainable solution to dispose of this waste rather than discarding it wastefully into landfills or stockpiles. In turn, the demand for ordinary Portland cement has been on a steady increase, leading to concerns about the sustainability of the construction industry. As a sustainable alternative to cement, alkali-activated binders have been proposed owing to their ability to reduce carbon emissions, preserve nonrenewable natural resources, and recycle industrial solid wastes. This research aims to evaluate the feasibility of recycling ceramic waste powder (CWP) in cement-free geopolymer concrete. Ground granulated blast furnace slag (GGBFS) was integrated at different mass replacement percentages to enhance the performance of said concrete and promote the use of CWP as the main component. The study encompassed three experimental phases. The first phase characterized the as-received materials, while the second phase involved the use of the Taguchi method to proportion different geopolymer concrete mixes. Various factors and levels were utilized to generate an orthogonal array of the parameters. Mixture proportions were optimized to attain superior mechanical and short-term durability performance. Further augmentation was performed in the third phase through multi-response optimization using the Best Worst Method (BWM) and Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution (TOPSIS) based Taguchi method. The optimized CWP-GGBFS blended geopolymer concrete mix made with a binder content of 450 kg/m3, GGBFS replacement percentage of 60%, alkaline-activator solution-to-binder ratio of 0.50, sodium silicate-to-sodium hydroxide ratio of 1.5, and molarity of SH solution of 10 M exhibited a compressive strength of 80.3 MPa, a flexural strength of 5.72 MPa, and splitting tensile strength of 3.81 MPa, among other properties. Nevertheless, it was possible to produce a concrete made with 80% CWP with acceptable performance for structural applications. Accordingly, this work highlights the feasibility of producing geopolymer concrete made with CWP to promote the recycling of industrial solid waste, reduce carbon emissions, and preserve natural resources. Recommendations for future investigations were also included.

Arabic Abstract

تنتج صناعة السيراميك كمية كبيرة من النفايات أثناء إنتاجها. تمثل إعادة تدوير نفايات السيراميك تحدياً بسبب فترة التحلل البيولوجي الطويلة. لذلك، تركز صناعات السيراميك على إيجاد حل مستدام للتخلص من نفاياتها بدلاً من هدرها في أكوام التخزين أو مدافن النفايات. وفي الوقت نفسه، أدت الزيادة في الطلب على الأسمنت البورتلاندي إلى زيادة المخاوف بشأن استدامة صناعة البناء.

تم اقتراح مواد قلوية كبديل مستدام للأسمنت نظراً لقدرتها على الحفاظ على الموارد الطبيعية غير المتجددة، وتقليل انبعاثات الكربون، وإعادة تدوير النفايات الصناعية الصلبة. وفقاً لذلك، يهدف هذا البحث إلى دراسة قدرة إعادة استخدام مسحوق نفايات السيراميك (CWP) غير القابل للتحلل الحيوي في الخرسانة الجيوبوليمرية الخالية من الأسمنت.

تم دمج خبث أفران الصهر (GGBFS) بنسب مختلفة من استبدال الكتلة لتحسين أداء الخرسانة المذكورة وتعزيز استخدام CWP كمكون رئيسي. اشتملت الدراسة على ثلاث مراحل. المرحلة الأولى درست خواص المواد المستلمة، بينما تضمنت المرحلة الثانية استخدام طريقة تاجوتشي لتصميم خلطات خرسانة جيوبوليمرية مختلفة باستخدام عوامل ومستويات مختلفة لإنشاء مجموعة متعامدة من المعطيات.

تم تحسين نسب الخلط لتحقيق أداء ميكانيكي متفوق وقدرة تحمل مع الزمن جيدة على المدى القصير. تم إجراء المزيد من التعزيز في المرحلة الثالثة من خلال تحسين الاستجابة المتعددة باستخدام BWM وتقنية تفضيل الحل عن طريق التشابه مع الحل المثالي (TOPSIS).

مزيج الخرسانة الجيوبوليمرية المحسن CWP-GGBFS المصنوع بمحتوى رابط يبلغ 450 كجم/م³، ونسبة استبدال GGBFS بنسبة 60%، ومحلول منشط قلوي بمحتوى رابط 0.50، ونسبة سيليكات الصوديوم إلى هيدروكسيد الصوديوم 1.5، أظهر قوة ضغط تبلغ 80.3 MPa، وقوة انثناء تبلغ 5.72 MPa، وقوة شد انقسام تبلغ 3.81 MPa، من بين خصائص أخرى.

ومع ذلك، كان من الممكن إنتاج الخرسانة بنسبة 80% من CWP بأداء مقبول للتطبيقات الإنشائية. وفقاً لذلك، يسلط هذا العمل الضوء على جدوى إنتاج خرسانة جيوبوليمر مصنوعة من CWP لتعزيز إعادة تدوير النفايات الصلبة الصناعية، وتقليل انبعاثات الكربون، والحفاظ على الموارد الطبيعية. كما تم تضمين توصيات للدراسات المستقبلية.

Arabic Comments

مفاهيم البحث الرئيسية: مسحوق نفايات السيراميك، خبث أفران الصهر، الخرسانة الجيوبوليمرية، طريقة تاجوتشي، BWM، TOPSIS، الخصائص الميكانيكية، خصائص التحمل مع الزمن.

Download
COinS