Tensile and shear characterisation of the joint interface of alternative masonry
Date
2020-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: One of the biggest challenges that the South African government is confronted with is providing adequate housing for approximately 2.3 million households still living in informal settlements.
Currently, the most popular building material for low income housing (LIH) in South Africa is cement-based masonry units. However, the cement manufacturing industry is considered to be one of the largest carbon dioxide releasing industries in the world. This shows that the usage of cement-based masonry, as construction material, is unsustainable and alternative masonry
materials are required. Nonetheless, if alternative masonry units (AMUs) are to replace conventional masonry units (CMUs), these AMUs would need to be structurally viable, environmentally friendly and socially and economically acceptable.
If AMUs should replace CMUs in the South African housing market, minimum mechanical specifications are required. The goal is to develop performance-based regulation for AMU construction. Common mechanical properties like strength and stiffness, of different AMUs are
regularly studied. However, concepts like the tensile and shear characterisation of the masonry unit/mortar interface are not researched frequently. This study investigates whether certain standards and benchmark tests used on conventional masonry can be successfully applied to alternative masonry. It also aims to determine certain mechanical properties. The focus of this study is the tensile and shear characterisation of the masonry unit/mortar interface on three different types of AMUs with two different mortars.
These AMUs include the geopolymer (GEO) unit, cement stabilised earth (CSE) unit and adobe (ADB) unit. Results from the AMUs are compared to conventional concrete (CON) units which act as the benchmark material in this study.
The main mechanical properties investigated in this study include the following:
• Tensile strength and tensile fracture energy of masonry units/mortar interfaces.
• Initial shear strength, friction angle, shear fracture energy and initial dilatancy angle of
masonry units/mortar interfaces. Results from the tensile tests show that the water absorption characteristics of the masonry unit have a larger influence on the bond strength than the surface roughness. The shear tests indicate that the linear relationship defined by the Mohr-Coulomb friction law, between the shear stress
and the pre-compression stress, continues for a higher pre-compression load of 2N/mm2. The tensile and shear tests caused complications for determining the respective fracture energies in tension and shear. In contradiction to suggestions from literature, non-zero dilatancy values
were obtained for shear tests at a pre-compression load of 2N/mm2 for CON and GEO masonry.
The tests were conducted successfully in most cases and this confirmed the test setups as satisfactory, bar certain aspects, which are recommended for future studies.
The findings of this study can be used to add reliable data to literature, of the mechanical properties of the masonry unit/mortar interface of alternative masonry. This can complement other studies in developing a finite element model to simulate and analyse structures with
different geometries constructed of AMUs on a perfomance basis. Additionally it can contribute
towards the regulation of construction with AMUs in South Africa.
AFRIKAANSE OPSOMMING: die voorsiening van voldoende behuising aan sowat 2.3 miljoen huishoudings wat steeds binne informele nedersettings woon. Tans is sement-gebaseerde messelwerkeenhede die gewildste boumateriaal vir lae inkomste behuising (LIH) in Suid-Afrika. Die sement vervaardigingsnywerheid is egter een van die nywerhede wat die meeste koolstofdioksied vrystel ter wêreld. Dit wys dat die gebruik van sement-gebaseerde messelwerk as konstruksiemateriaal onvolhoubaar is en alternatiewe messelwerkmateriaal benodig word. Nietemin, as alternatiewe messelwerkeenhede (AMU’s) konvensionele messelwerkeenhede (CMU’s) vervang, moet hierdie AMU’s struktureel lewensvatbaar, omgewingsvriendelik en sosiaal en ekonomies aanvaarbaar wees. As AMU’s CMU’s sou vervang in die Suid-Afrikaanse behuisingsmark, is minimum meganiese spesifikasies nodig. Die doel is om prestasie-baseerde regulasie vir AMU-konstruksie te ontwikkel. Algemene meganiese eienskappe soos sterkte en styfheid van verskillende AMU’s word gereeld bestudeer. Konsepte soos die trek- en skuifkarakterisering van die messelwerkeenheid/mortel skeidingsvlak word egter nie gereeld ondersoek nie. Hierdie studie ondersoek die moontlikheid dat sekere standaarde en normtoetse wat op konvensionele messelwerk gebruik word, suksesvol op alternatiewe messelwerk toegepas kan word. Dit het ook ten doel om sekere meganiese eienskappe te bepaal. Die fokus van hierdie studie is die trek- en skuifkarakterisering van die messelwerkeenheid/mortel skeidingsvlak op drie verskillende AMU’s met twee verskillende mortels. Hierdie AMU’s is onder meer die alkali-geaktiveerde betonblokke (GEO), die sement-gestabiliseerde grondbolkke (CSE) en die adobeblokke (ADB). Resultate van die AMU’s word vergelyk met konvensionele beton eenhede (CON) wat as die maatstaf materiaal in hierdie studie dien. Die hoof meganiese eienskappe wat in hierdie studie ondersoek word, sluit die volgende in: • Treksterkte en trekfraktuurenergie van messelwerkeenhede/mortel skeidingsvlakke. • Aanvanklike skuifsterkte, samehorigheid, wrywingshoek, skuiffraktuurenergie en aanvanklike dilatansiehoek van messelwerkeenhede/mortel skeidingsvlakke. Die resultate van die trektoetse het getoon dat die waterabsorpsie-eienskappe van die messelwerk ’n groter invloed op die bindingssterkte het as die oppervlakte se grofheid. Die skuiftoetse het aangedui dat die lineêre verhouding, gedefinieër deur die Mohr-Coulomb wrywingswet, tussen die skuifspanning en die normaalspanning, volgehou word vir ’n hoër normaal-las van 2N/mm2. Dit is bevind vir die CON-messelwerk en alternatiewe messelwerkmateriale, behalwe die ADBmateriaal. Die opstellings van die trek en skuif toetse het komplikasies veroorsaak tydens die bepaling van die onderskeie fraktuurenergieë in trek en skuif. In teenstelling met literatuur, is daar geen nul-dilatansie waardes vir skuiftoetse verkry met ’n normaal-las van 2N/mm2 vir CON- en GEO-messelwerk nie. Die toetse is in die meeste gevalle suksesvol uitgevoer en dit het bevestig dat die toetsopstellings bevredigend is behalwe vir sekere aspekte, wat aanbeveel word vir toekomstige studies. Die bevindinge van hierdie studie kan gebruik word om betroubare gegewens aan die literatuur te voeg oor die meganiese eienskappe van die messelwerkeenheid/mortel skeidingsvlak van alternatiewe messelwerk. Dit kan ander studies aanvul in die ontwikkeling van ’n prestasiegebaseerde eindige-elementmodel (FEM) om strukture te simuleer en te analiseer met verskillende geometrie wat uit AMU’s saamgestel is. Dit kan ook bydra tot die ontwikkeling van streeks- en nasionale standaarde vir AMU-konstruksie binne Suid-Afrika.
AFRIKAANSE OPSOMMING: die voorsiening van voldoende behuising aan sowat 2.3 miljoen huishoudings wat steeds binne informele nedersettings woon. Tans is sement-gebaseerde messelwerkeenhede die gewildste boumateriaal vir lae inkomste behuising (LIH) in Suid-Afrika. Die sement vervaardigingsnywerheid is egter een van die nywerhede wat die meeste koolstofdioksied vrystel ter wêreld. Dit wys dat die gebruik van sement-gebaseerde messelwerk as konstruksiemateriaal onvolhoubaar is en alternatiewe messelwerkmateriaal benodig word. Nietemin, as alternatiewe messelwerkeenhede (AMU’s) konvensionele messelwerkeenhede (CMU’s) vervang, moet hierdie AMU’s struktureel lewensvatbaar, omgewingsvriendelik en sosiaal en ekonomies aanvaarbaar wees. As AMU’s CMU’s sou vervang in die Suid-Afrikaanse behuisingsmark, is minimum meganiese spesifikasies nodig. Die doel is om prestasie-baseerde regulasie vir AMU-konstruksie te ontwikkel. Algemene meganiese eienskappe soos sterkte en styfheid van verskillende AMU’s word gereeld bestudeer. Konsepte soos die trek- en skuifkarakterisering van die messelwerkeenheid/mortel skeidingsvlak word egter nie gereeld ondersoek nie. Hierdie studie ondersoek die moontlikheid dat sekere standaarde en normtoetse wat op konvensionele messelwerk gebruik word, suksesvol op alternatiewe messelwerk toegepas kan word. Dit het ook ten doel om sekere meganiese eienskappe te bepaal. Die fokus van hierdie studie is die trek- en skuifkarakterisering van die messelwerkeenheid/mortel skeidingsvlak op drie verskillende AMU’s met twee verskillende mortels. Hierdie AMU’s is onder meer die alkali-geaktiveerde betonblokke (GEO), die sement-gestabiliseerde grondbolkke (CSE) en die adobeblokke (ADB). Resultate van die AMU’s word vergelyk met konvensionele beton eenhede (CON) wat as die maatstaf materiaal in hierdie studie dien. Die hoof meganiese eienskappe wat in hierdie studie ondersoek word, sluit die volgende in: • Treksterkte en trekfraktuurenergie van messelwerkeenhede/mortel skeidingsvlakke. • Aanvanklike skuifsterkte, samehorigheid, wrywingshoek, skuiffraktuurenergie en aanvanklike dilatansiehoek van messelwerkeenhede/mortel skeidingsvlakke. Die resultate van die trektoetse het getoon dat die waterabsorpsie-eienskappe van die messelwerk ’n groter invloed op die bindingssterkte het as die oppervlakte se grofheid. Die skuiftoetse het aangedui dat die lineêre verhouding, gedefinieër deur die Mohr-Coulomb wrywingswet, tussen die skuifspanning en die normaalspanning, volgehou word vir ’n hoër normaal-las van 2N/mm2. Dit is bevind vir die CON-messelwerk en alternatiewe messelwerkmateriale, behalwe die ADBmateriaal. Die opstellings van die trek en skuif toetse het komplikasies veroorsaak tydens die bepaling van die onderskeie fraktuurenergieë in trek en skuif. In teenstelling met literatuur, is daar geen nul-dilatansie waardes vir skuiftoetse verkry met ’n normaal-las van 2N/mm2 vir CON- en GEO-messelwerk nie. Die toetse is in die meeste gevalle suksesvol uitgevoer en dit het bevestig dat die toetsopstellings bevredigend is behalwe vir sekere aspekte, wat aanbeveel word vir toekomstige studies. Die bevindinge van hierdie studie kan gebruik word om betroubare gegewens aan die literatuur te voeg oor die meganiese eienskappe van die messelwerkeenheid/mortel skeidingsvlak van alternatiewe messelwerk. Dit kan ander studies aanvul in die ontwikkeling van ’n prestasiegebaseerde eindige-elementmodel (FEM) om strukture te simuleer en te analiseer met verskillende geometrie wat uit AMU’s saamgestel is. Dit kan ook bydra tot die ontwikkeling van streeks- en nasionale standaarde vir AMU-konstruksie binne Suid-Afrika.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Cement-based masonry, Alternative masonary, Masonry, Masonry -- Buildings -- Mechanical properties, UCTD