Author(s):
Krakowiak, Konrad J. 
Date: 2011
Persistent ID: http://hdl.handle.net/1822/12481
Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho
Document details
Assessment of the mechanical microstructure of masonry clay brick by nanoindent...
Description
Tese de doutoramento em Engenharia Civil The work presented in this thesis aims to implement the recent advances in the material science into the field of structural clay products applied to masonry constructions. The experimental analysis carried out by the author is focused on the detailed description of the heterogeneous microstructure of the fired clay brick, as a function of its composition and processing conditions. Multi-field methods of investigation have been combined, from standard mechanical tests carried out on bulk material on the macro-scale to novel nanoindentation techniques, which infers the mechanical properties of the solids on the nanoand micro-scales. Moreover, the complex interplay between the different components of this heterogeneous solid is traced with Scanning Electron Microscopy methods or Mercury Intrusion Porosimetry. The existing hierarchical ordering of fired brick microstructure is framed in the multi-level model, where the building blocks are classified and described with reference to the type of morphology present and mechanical characteristics. The statistical indentation method, originally developed for cement based materials is extended to the field of structural ceramics. Such an experimental analysis of mechanical phase properties is carried out with the aid of Gaussian Mixture Modeling, which together with Maximum Likelihood concept and Expectation-Maximization algorithm, provides a robust and efficient deconvolution strategy. This deconvolution technique is validated on Ordinary Portland Cement, brass alloy and investigated fired brick. The relation between the characteristic scale of depth-sensing measurement and the mechanical characteristics inferred from the bulk of composite material is presented. Additionally, Buckle’s rule-of-thumb is approached with a probabilistic model of biphasic composite materials, which represent idealized microstructures. The mechanical properties of the ‘glassy’ matrix of the fired brick are investigated in the depth-sensing experiment. Different regimes of the indentation force are considered along the experimental campaign. The relation between the morphology of the ‘glassy’ matrix, its composition and measured indentation modulus, elastic modulus and indentation hardness is studied. Additionally, the composite ‘polycrystalline-amorphous’ nature of the matrix of the brick is corroborated and documented in detail. Mechanical properties of other mechanically active phases incorporated within the microstructure of the fired clay brick e.g. quartz, rutile etc. are assessed and reported. O trabalho apresentado nesta tese tem como objectivo a aplicação dos avanços recentes na ciência dos materiais aos produtos cerâmicos estruturais usados nas construções de alvenaria. A análise experimental realizada pelo autor está focada na descrição detalhada da microestrutura heterogénea do tijolo de barro cozido, em função da sua composição e condições de processamento. Foram combinados métodos de investigação multi-campo, desde ensaios mecânicos padrão realizados no material ao nível da macro-escala, até novas técnicas de nano-indentação que inferem as propriedades mecânicas dos sólidos ao nível das escalas nano e micro. Adicionalmente, a complexa interacção entre as diferentes componentes deste sólido heterogéneo é caracterizada com recurso aos métodos de Microscopia Electrónica de Varrimento ou Porosimetria por Intrusão de Mercúrio. O ordenamento hierárquico da microestrutura existente nos tijolos cozidos é enquadrado num modelo multi-nível, onde os elementos são classificados e descritos com referência ao tipo de morfologia presente e às características mecânicas. O método de indentação estatística, originalmente desenvolvido para materiais cimentícios, é alargado ao campo da cerâmica estrutural. Esta análise experimental das propriedades mecânicas da fase é realizada com o auxílio de um Modelo de Mistura de Gauss que, juntamente com os conceitos de máxima verosimilhança e algoritmo de Maximização da Expectativa, fornece uma estratégia de deconvolução robusta e eficiente. Esta técnica de deconvolução é validada em Cimento Portland corrente, em liga de latão e nos tijolos cozidos investigados. É apresentada a relação entre a escala característica na medição da profundidade e as características mecânicas inferidas a partir da massa de material compósito. Adicionalmente, a regra empírica de Buckle é abordada com um modelo probabilístico de materiais compósitos bifásicos, que inclui microestruturas idealizadas. As propriedades mecânicas da matriz ‘vítrea’ do tijolo cozido são investigadas no ensaio com medição da profundidade. Consideram-se diferentes regimes da força de indentação ao longo da campanha experimental. É estudada a relação entre a morfologia da matriz ‘vítrea’, composição e módulo de indentação medido, módulo elástico e dureza de indentação. Adicionalmente, a natureza do compósito ‘policristalino-amorfo’ da matriz do tijolo é corroborada e documentada em detalhe. As propriedades mecânicas das outras fases mecanicamente activas incorporados na microestrutura do tijolo de barro cozido, por exemplo quartzo e rútilo, são avaliadas e descritas.
Tese de doutoramento em Engenharia Civil The work presented in this thesis aims to implement the recent advances in the material science into the field of structural clay products applied to masonry constructions. The experimental analysis carried out by the author is focused on the detailed description of the heterogeneous microstructure of the fired clay brick, as a function of its composition and processing conditions. Multi-field methods of investigation have been combined, from standard mechanical tests carried out on bulk material on the macro-scale to novel nanoindentation techniques, which infers the mechanical properties of the solids on the nanoand micro-scales. Moreover, the complex interplay between the different components of this heterogeneous solid is traced with Scanning Electron Microscopy methods or Mercury Intrusion Porosimetry. The existing hierarchical ordering of fired brick microstructure is framed in the multi-level model, where the building blocks are classified and described with reference to the type of morphology present and mechanical characteristics. The statistical indentation method, originally developed for cement based materials is extended to the field of structural ceramics. Such an experimental analysis of mechanical phase properties is carried out with the aid of Gaussian Mixture Modeling, which together with Maximum Likelihood concept and Expectation-Maximization algorithm, provides a robust and efficient deconvolution strategy. This deconvolution technique is validated on Ordinary Portland Cement, brass alloy and investigated fired brick. The relation between the characteristic scale of depth-sensing measurement and the mechanical characteristics inferred from the bulk of composite material is presented. Additionally, Buckle’s rule-of-thumb is approached with a probabilistic model of biphasic composite materials, which represent idealized microstructures. The mechanical properties of the ‘glassy’ matrix of the fired brick are investigated in the depth-sensing experiment. Different regimes of the indentation force are considered along the experimental campaign. The relation between the morphology of the ‘glassy’ matrix, its composition and measured indentation modulus, elastic modulus and indentation hardness is studied. Additionally, the composite ‘polycrystalline-amorphous’ nature of the matrix of the brick is corroborated and documented in detail. Mechanical properties of other mechanically active phases incorporated within the microstructure of the fired clay brick e.g. quartz, rutile etc. are assessed and reported. O trabalho apresentado nesta tese tem como objectivo a aplicação dos avanços recentes na ciência dos materiais aos produtos cerâmicos estruturais usados nas construções de alvenaria. A análise experimental realizada pelo autor está focada na descrição detalhada da microestrutura heterogénea do tijolo de barro cozido, em função da sua composição e condições de processamento. Foram combinados métodos de investigação multi-campo, desde ensaios mecânicos padrão realizados no material ao nível da macro-escala, até novas técnicas de nano-indentação que inferem as propriedades mecânicas dos sólidos ao nível das escalas nano e micro. Adicionalmente, a complexa interacção entre as diferentes componentes deste sólido heterogéneo é caracterizada com recurso aos métodos de Microscopia Electrónica de Varrimento ou Porosimetria por Intrusão de Mercúrio. O ordenamento hierárquico da microestrutura existente nos tijolos cozidos é enquadrado num modelo multi-nível, onde os elementos são classificados e descritos com referência ao tipo de morfologia presente e às características mecânicas. O método de indentação estatística, originalmente desenvolvido para materiais cimentícios, é alargado ao campo da cerâmica estrutural. Esta análise experimental das propriedades mecânicas da fase é realizada com o auxílio de um Modelo de Mistura de Gauss que, juntamente com os conceitos de máxima verosimilhança e algoritmo de Maximização da Expectativa, fornece uma estratégia de deconvolução robusta e eficiente. Esta técnica de deconvolução é validada em Cimento Portland corrente, em liga de latão e nos tijolos cozidos investigados. É apresentada a relação entre a escala característica na medição da profundidade e as características mecânicas inferidas a partir da massa de material compósito. Adicionalmente, a regra empírica de Buckle é abordada com um modelo probabilístico de materiais compósitos bifásicos, que inclui microestruturas idealizadas. As propriedades mecânicas da matriz ‘vítrea’ do tijolo cozido são investigadas no ensaio com medição da profundidade. Consideram-se diferentes regimes da força de indentação ao longo da campanha experimental. É estudada a relação entre a morfologia da matriz ‘vítrea’, composição e módulo de indentação medido, módulo elástico e dureza de indentação. Adicionalmente, a natureza do compósito ‘policristalino-amorfo’ da matriz do tijolo é corroborada e documentada em detalhe. As propriedades mecânicas das outras fases mecanicamente activas incorporados na microestrutura do tijolo de barro cozido, por exemplo quartzo e rútilo, são avaliadas e descritas.
Document Type
Doctoral Thesis
Language English
Advisor(s) Lourenço, Paulo B.; Ulm, Franz-Josef
Language English
Advisor(s) Lourenço, Paulo B.; Ulm, Franz-Josef
| Financiadores do RCAAP | |||||||
|
|
|
|
|
|
||