A multi scale approach to the study of lime-cement mortars in masonry

Abstract

In masonry constructions, the choice of mortar composition is usually guided by requirements of the final application, which could range from new constructions to conservation projects. Often, lime and cement are combined, to overcome their shortcomings and consequently serve as a suitable binder in masonry mortars. Depending on their proportion in the mixture, it may be possible to obtain the desired range of characteristics in different mechanical properties like strength, stiffness, shrinkage, porosity, and so on. And even though the practice of combining lime and cement in masonry mortars has been around for many years, its benefits have not yet been addressed in a systematic, quantitative manner. Often, seemingly significant differences in the mechanical behavior of mortars do not reflect proportionally in changes in mechanical properties at the masonry level. Thus, the aim of this experimental research is focused on investigating the quantitative benefits of substituting cement with lime in masonry mortars, at the mortar as well as masonry level. Performance indicators have been determined from a structured experimental campaign of mechanical behavior of blended mortars, characterizing several properties for multiple lime-cement mix proportions: workability, compressive and flexural strength, stiffness, drying shrinkage, and open porosity, among others. The factor of aging has also been accounted for, with selected tests being performed up to 365 days, to account for the carbonation of lime in the mortars. Based on the breadth of experimental results that were obtained, patterns were analyzed through regression analyses, to estimate mechanical properties of mix proportions that were not physically tested in the laboratory. From the results obtained, the most suitable proportions were identified and consequently subjected to further experimentation at the masonry level. The response of brick masonry constructed with two different lime-cement mortars was compared with that of cement mortar in masonry, specifically focusing on differences in strength, stiffness, and ductility. In parallel, the influence of lime-cement mortars on the flexural strength of masonry, parallel, and perpendicular to the bed joints was also assessed. The final stage of this research involved quasi-static cyclic loading, to study the in-plane shear response of masonry wall panels, supplemented by experimental information on the shear bond strength of masonry, all focused on assessing the influence of lime-cement mortars compared to a cement mortar.

Nas construções em alvenaria, a escolha da composição da argamassa costuma ser orientada pelos requisitos da aplicação final, seja na construção nova ou reabilitação. É frequente o recurso à combinação de cal e cimento para superar respetivas deficiências individuais obtendo-se um ligante adequado em argamassas de alvenaria. Dependendo das proporções de cal e cimento na mistura, pode ser possível obter uma faixa desejada de características em diferentes propriedades. No entanto, apesar da prática de combinar cal e cimento em argamassas de alvenaria já existir há muitos anos, os seus benefícios ainda não foram analisados de forma sistemática e quantitativa. As diferenças significativas no comportamento mecânico das argamassas não refletem necessariamente alterações proporcionais nas propriedades mecânicas no nível da alvenaria. Assim, o objetivo desta investigação experimental centrase na investigação quantitativa dos benefícios decorrentes da substituição parcial do cimento por cal em argamassas de alvenaria, tanto ao nível da argamassa como ao nível do comportamento da alvenaria. Os indicadores de desempenho foram determinados a partir de uma campanha experimental focada no comportamento mecânico de argamassas mistas de cal e cimento, caracterizando diversas propriedades para múltiplas proporções de mistura cal-cimento: trabalhabilidade, resistência à compressão e flexão, módulo de elasticidade, retração de secagem e porosidade aberta, entre outras. O envelhecimento também foi contabilizado, através de realização de ensaios até aos 365 dias de idade. Com base na amplitude dos resultados experimentais obtidos, foram efetuadas análises de regressão para estimar as propriedades mecânicas das proporções da mistura que não foram testadas fisicamente em laboratório. Foram identificadas as proporções cal-cimento mais adequadas e, consequentemente, escolhidas para o programa experimental à escala da alvenaria. A resposta de provetes de alvenaria construídos com duas argamassas mistas contendo razões cal-cimento diferentes foi comparada com a da alvenaria executada com argamassa de cimento. Paralelamente, foi avaliada a influência das argamassas mistas de cimento-cal na resistência à flexão de provetes de alvenaria. Finalmente, foi estudada a resposta ao corte no plano de painéis de parede de alvenaria com carregamento cíclico quase estático, com enfoque na avaliação da influência das argamassas de cimento-cal comparativamente à argamassa de cimento.