Damage Characteristics of Argillaceous Quartz Sandstone Mesostructure under Different Wetting-drying Conditions

Extensive water–rock interaction in the Three Gorges Reservoir area of the Yangtze River leads to rock mass deterioration along the reservoir banks. However, mineral evolution behavior and its effect on the mesostructure deterioration of rocks under the wetting–drying cycle condition remain unknown. So, the wetting–drying cycle tests were conducted on peculiar argillaceous quartz sandstone in TGRA under neutral (pH = 7) and alkaline (pH = 10) water environments. Here, we provided detailed physical and microscopy images data to determine the control mechanism of mineral behavior on the evolution of sandstone’s mesostructure. Under the neutral condition, repeated “absorption and swelling–dehydration and contraction” of clay minerals leads to the repeated physical action of “squeezing–unloading” in the interior of a rock. This results in the initiation and gradual expansion of cracks in the framework mineral quartz, exhibiting failure mode from the interior to the exterior. In contrast, under the alkaline condition, the dissolution on the surface of quartz particles leads to the expansion and connection of pores, implying that the sandstone exhibits failure mode from the exterior to the interior. Moreover, the internal mechanical analysis indicates the minerals are at high pressure because of the expansion of clay minerals in the neutral solution. However, in an alkaline water environment, the extrusion pressure of framework mineral quartz decreases significantly and is not easily broken due to increased porosity. Thus, the evolution behavior of minerals in different water environments plays an important role in the damage of the rock

Impact of water on peak and residual shear strength parameters and triaxial deformability of high-porosity building calcarenite stones: Interconnection with their physical and petrological characteristics

Several studies have found that water can cause substantial reductions of mechanical properties of building stones such as unconfined compressive strength, tangent Young’s modulus or tensile strength. However, the influence of water content on shear strength parameters, triaxial compressive strength and modulus of elasticity under different confining pressures has been scarcely examined. For this reason, the present paper assesses the impact of water on peak and residual compressive strength and tangent Young’s modulus of three porous building geomaterials widely used in civil and architectural constructions under different confining pressure through triaxial compressive tests. Furthermore, the corresponding peak and residual shear strength parameters computed from Mohr-Coulomb (c and ϕ) and from Hoek-Brown (σci and mi) failure criteria are obtained under dry and saturated conditions. Complementary physical and petrological analyses are performed in order to understand the main causes of the effect of water observed in these rock materials. The results indicate that water causes significant reductions of peak and residual compressive strength and tangent Young’s modulus in the tested porous building stones for all the different applied confining pressures. Additionally, important changes of peak and residual shear strength parameters (c, ϕ, σci and mi) are exhibited by the studied stones when become saturated. This could be related to physicochemical changes such as the hydrolysis of quartz and silicates in crack tip region inducing subcritical crack growth (stress corrosion), the decrease of the cement quality and the deterioration of the intergranular bonds due to the dispersion or dissolution of some minerals (calcite or chlorite) and the formation of microcracks caused by the swelling of the clay minerals present in these materials when they come into contact with water.This research was supported by the Vice-rector of Research and Knowledge Transfer of the University of Alicante through predoctoral grant FPUUA53-2018 and projects UAUSTI18-21, UAUSTI19-25, UAEEBB2018-09 and GRE18-15 and by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) through the project TEC2017- 85244-C2-1-P

Testing of Materials and Elements in Civil Engineering

This book was proposed and organized as a means to present recent developments in the field of testing of materials and elements in civil engineering. For this reason, the articles highlighted in this editorial relate to different aspects of testing of different materials and elements in civil engineering, from building materials to building structures. The current trend in the development of testing of materials and elements in civil engineering is mainly concerned with the detection of flaws and defects in concrete elements and structures, and acoustic methods predominate in this field. As in medicine, the trend is towards designing test equipment that allows one to obtain a picture of the inside of the tested element and materials. Interesting results with significance for building practices were obtained

Rock features and alteration of stone materials used for the built environment: a review of recent publications on ageing tests

This work presents a review of recent publications, with publication date between 2017 and 2019, with information on the relation between rock characteristics and the effects of diverse agents associated with alteration of stone materials in the built environment. It considers information obtained from ageing tests performed under laboratory conditions and by exposure to outdoor agents. Several lithological groups were considered, with sedimentary carbonate rocks being the most frequently studied lithotypes and silicate metamorphic rocks being the group with scarcer information. In terms of ageing tests, salt weathering was the most frequent one while there was a noticeable lesser amount of information from tests with biological colonization. The collected data showed the influence of diverse features, from specific minerals to whole-rock properties and the presence of heterogeneities. These information are discussed in the context of formulating a general framework for stone decay.The Lab2PT-Landscapes, Heritage and Territory laboratory-AUR/04509 is supported by the Portuguese FCT-“Fundação para a Ciência e a Tecnologia” (Portuguese funds and where applicable the FEDER co-financing, in the aim of the new partnership agreement PT2020 and COMPETE2020-POCI 010145 FEDER 007528). The authors also gratefully acknowledge the support of the CERENA (funded by a strategic project of the FCT-UID/ECI/04028/2019) and the LAMPIST of the Instituto Superior Técnico, University of Lisbon. The University Institute of Geology of the University of A Coruña (Spain) receives support from the Xunta de Galicia from the programme “Consolidación y estructuración de unidades de investigación competitivas: Grupos de potencial de crecimiento” (ED431B 2018/47) and Redes de investigación (R2017/008)

Stone deterioration and replacement of natural building stones at the Cologne cathedral - A contribution to the preservation of cultural heritage

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Verwitterung von Naturwerkstein als Funktion von mineralogischen und petrophysikalischen Eigenschaften unter unterschiedlichen umwelt- und bauphysikalischen Bedingungen. Am Beispiel des Kölner Doms wird zum einen die große Anzahl an unterschiedlichen Baumaterialien, die in diesem Bauwerk angetroffen werden, vorgestellt. Darüber hinaus werden auch die daraus resultierenden Probleme von Interferenzen der verschiedenen Materialien untereinander in Hinblick auf ihre Verwitterung beleuchtet. Physikalische und chemische Verwitterungsprozesse werden anhand von Laborversuchen und Tests empirisch erfasst. Diese werden mit den festgestellten spezifischen petrophysikalischen Eigenschaften der unterschiedlichen Gesteine korreliert und im Zusammenhang mit den in situ festgestellten Verwitterungsphänomenen und –prozessen diskutiert. Um die unterschiedlichen Einflüsse der Verwitterungs- und Umweltbelastungen zu evaluieren, wird die Natursteinverwitterung an drei Standorten – dem industriell geprägten Köln, Xanten mit einem städtischen Klima und im ländlichen Altenberg im Bergischen Land – vergleichend studiert. Hierbei zeigt sich der starke Einfluss der Luftverschmutzung auf die Natursteinverwitterung nicht nur für karbonatische sondern auch für silikatische Gesteine. Beispielhaft werden am Drachenfels Trachyt die Mineralkomposition, die Gefügeeigenschaften und die petrophysikalischen Eigenschaften des Gesteins im Gesamtzusammenhang miteinander korreliert und mit den festgestellten Schadensphänomenen und den ermittelten physikalischen und chemischen Verwitterungsprozessen abgeglichen. Aus diesen Erkenntnissen heraus wird ein Modell zur Verwitterung dieses Naturwerksteins entwickelt. In Hinblick auf Natursteinersatz als Erhaltungsmaßnahme für historische Kulturgüter aus Stein werden die Untersuchungsergebnisse, die Erkenntnisse aus den Laborversuchen und den Diskussionen zusammengeführt und bestehende grundsätzliche Anforderungen an ein Ersatzgestein weiter differenziert. Die verschiedenen Wechselwirkungsmechanismen der unterschiedlichen Naturwerksteine, die in einem Bauwerk verbaut sind, werden vor dem Hintergrund ihrer petrophysikalischen Charakteristika sowie ihres Verwitterungsverhaltens bewertet. Basierend auf dieser Beurteilung wird eine Auswahl-Systematik entwickelt, die die Evaluierung der Verträglichkeit von historischen und modernen Austauschgesteinen für historische Bauwerke unterstützt. Aufgrund seiner langen über 600 Jahre währenden Baugeschichte ist der Kölner Dom aus über 50 verschiedenen Bausteinen errichtet. Die vorliegende Arbeit bezieht sich dabei auf acht Haupt-Bausteine. Die untersuchten „Dom-Bausteine“ sind der Drachenfels Trachyt, der Stenzelberg Latit, der Obernkirchener und der Schlaitdorfer Sandstein, der Krensheimer Muschelkalk, die Londorfer Basaltlava sowie der Montemerlo Trachyt und der Bozanov Sandstein. Eine Verwendung ähnlicher Naturwerksteine ist auch beim Xantener und beim Altenberger Dom festzustellen, die ebenfalls aus dem 13. Jahrhundert stammen. Für diese drei mittelalterlichen Bauwerke wurden nicht nur zu ihrer Entstehungszeit sondern auch in späteren Restaurierungs- und Wiederinstandsetzungsmaßnahmen ähnliche Bausteine verwendet. Kapitel 2 der vorliegenden Arbeit stellt die drei Kathedralen in ihrem bauhistorischen Kontext vor und zeigt die Verwendung der unterschiedlichen Naturwerksteine auf. Es erwies sich schon zu ihrer Erbauungszeit und auch zu Zeiten des Weiterbaus, dass die Frage nach einem adäquaten Ersatzgestein entscheidend war, seit der ursprünglich verwendete Drachenfels Trachyt ab dem 19. Jahrhundert für Weiterbau- und Instandsetzungsmaßnahmen nicht mehr zur Verfügung stand. Die Umweltbedingungen an den drei Standorten unterscheiden sich sehr stark: Der Kölner Dom ist in einem industriell geprägten Raum zu finden, das städtische Klima von Xanten zeigt geringe industrielle Prägung, während Altenberg in einer ländlichen waldreichen Gegend liegt. Diese drei unterschiedlichen Umweltbedingungen der Kathedralen werden in Kapitel 3 beleuchtet. Darüber hinaus, werden mikroklimatische Feuchtigkeits- und Temperatur-Messungen und die entsprechenden Verteilungen in verschiedenen Bausteinen des Kölner Doms vorgestellt. Sensoren wurden in situ platziert in unterschiedlichen Tiefen innerhalb der jeweiligen Bauwerksteine und in unterschiedlich exponierten Bereichen des Bauwerks. Diese Messungen sollen dazu beitragen, die Wechselwirkungen von Feuchtigkeits- und Temperatur-Verteilung in den Bauwerksgesteinen mit den festgestellten Schäden und untersuchten Verwitterungsprozessen zu korrelieren. Die Naturwerksteine an den drei Bauwerken in den unterschiedlichen Umweltbedingungen zeigen ähnliche Verwitterungsmuster. Am Kölner Dom ist eine sehr starke Naturstein-Verwitterung festzustellen, die die statische Sicherheit von Gebäudeteilen mitunter gefährdet. Der Drachenfels Trachyt zeigt ausgeprägte Verwitterungsmerkmale, wie Schalen- und Schuppenbildung, strukturelle Entfestigung und Bröckelzerfall bis hin zum Totalverlust. Auch die anderen Bauwerksgesteine wie Sand- und Kalksteine sowie vulkanische Gesteine zeigen signifikante Verwitterung. Die unterschiedlichen Verwitterungsphänomene sind in Kapitel 4 dargestellt. Am Xantener und Altenberger Dom wurden ähnliche Verwitterungsmerkmale festgestellt, allerdings in viel geringerem Umfang und geringerer Intensität. Die Prozesse, die die Verwitterung begründen, sind vergleichbar. Diese werden von der mineralogischen Zusammensetzung und den Gefügeeigenschaften der jeweiligen Steine bestimmt, die wiederum die petrophysikalischen Eigenschaften beeinflussen. Dadurch wird deutlich, dass die unterschiedliche Intensitätsausprägung an den drei Bauwerken in den unterschiedlichen umweltklimatischen Bedingungen begründet liegt. Die Eigenschaften und gesteinsspezifischen Charakteristika der acht untersuchten „Dom-Bausteine“ sind festgestellt worden. In Kapitel 5 werden ihre petrographischen und petrophysikalischen Eigenschaften sowie ihr Feuchte- und Temperaturverhalten als auch ihre Festigkeitsparameter bestimmt. Diese Eigenschaften werden miteinander korreliert in Hinblick auf ihren wechselwirkenden Einfluss und ihre Abhängigkeiten untereinander und sie werden in Hinblick auf ihren Einfluss auf die typischen Verwitterungsphänomene der einzelnen Steine diskutiert. Kapitel 6 beschreibt Experimente und Tests zur physikalischen Verwitterung von Naturwerksteinen. Das Trocknungsverhalten der acht „Dom-Bausteine“ sowie ihr Verhalten bei zyklischer Frost-Tau-Belastung und Salzbelastung werden diskutiert. Die Test-Ergebnisse werden mit den gesteinsspezifischen Eigenschaften korreliert und mit dem in situ beobachteten Verfall verglichen. Die Ergebnisse von verschiedenen chemischen Experimenten werden in Kapitel 7 diskutiert und sollen zum Verständnis von chemischen Verwitterungsreaktionen der unterschiedlichen Steine beitragen. Neben einer generellen Beurteilung ihrer Säureresistenz soll ihr Lösungsverhalten in unterschiedlichen Lösungen untersucht werden. Mögliche chemische Verwitterungsreaktionen werden diskutiert, um das Verhalten der Naturwerksteine in unterschiedlichen Umweltbedingungen zu beleuchten Nachdem die einzelnen extrinsischen Faktoren (u.a. Klima- und Umweltbedingungen) sowie die intrinsischen Faktoren der einzelnen Steine (petrophysikalische Eigenschaften und Mineralkomposition sowie Gefügeeigenschaften, etc.) erfasst und ihr physikalisches und chemisches Verwitterungsverhalten in Tests empirisch festgestellt wurde, werden in einem nächsten Schritt diese verschiedenen, sehr komplexen wechselwirkenden Verwitterungsreaktionen und –prozesse physikalischer und chemischer Art in situ untersucht. Kapitel 8 stellt die Untersuchungen an den verschiedenen Bauwerksteinen der drei unterschiedlichen Standorte des Kölner, Xantener und Altenberger Doms vor. Die Bildung schwarzer Verwitterungskrusten als Hauptindikator für die Natursteinverwitterung im Zusammenhang mit Luftverschmutzung variiert sehr stark in diesen drei unterschiedlichen – industriell geprägten, städtischen und ländlichen – Klimata. Darüber hinaus wird gezeigt, dass sich nicht nur auf Karbonatgesteinen schwarze Verwitterungskrusten bilden, sondern auch auf silikatischen Naturwerksteinen. Die Krustenbildung auf dem Drachenfels Trachyt ist hauptsächlich durch extrinsische Faktoren bestimmt, dabei können benachbarte Gesteine zu dieser Krustenbildung mit beitragen. Für den Drachenfels Trachyt wird ein Verwitterungsmodell entwickelt, das die Wechselwirkung der verschiedenen Rückkopplungsmechanismen physikalischer und chemischer Verwitterungsprozesse als Funktion intrinsischer und extrinsischer Faktoren darstellt. Im abschließenden Kapitel wird die anfangs gestellte Frage nach einem adäquaten Ersatzgestein aufgegriffen. Vor dem Hintergrund der unterschiedlichen durchgeführten Untersuchungen und daraus gewonnenen Erkenntnisse werden mögliche Wechselwirkungen der unterschiedlichen miteinander verbauten Werksteine beleuchtet. Grundsätzliche Anforderungen an Ersatzgesteine umfassen mineralogische, optische und petrophysikalische Eigenschaften. Die starke Divergenz der festgestellten Steinparameter der verschiedenen untersuchten Gesteine (Mineralkomposition, Porosität, Wasseraufnahme und –sättigung, Trocknungsverhalten, Feuchte- und Temperaturdehnung, Festigkeitsparameter, etc.) zeigt, dass es anhand dieses Anforderungskataloges fast unmöglich ist, ein ideales Ersatzgestein zu finden, falls die Parameter nicht differenzierter betrachtet werden. Dazu wird die Summe der Eigenschaften und Charakteristika in Hinblick auf ihre Signifikanz für die Materialeigenschaften und das Materialverhalten auf der einen Seite sowie für die Ausprägung von Schadensphänomenen und ihr Verwitterungsverhalten auf der anderen Seite miteinander korreliert und bewertet. Anhand einer entsprechenden Punktevergabe werden ein „Material-interner Index“ und ein „Verwitterungs-Index“ erstellt. Aus diesen beiden Bewertungs-Skalen ergeben sich die „Schlüssel-Parameter“ des Originalgesteins, die bei einem Kompatibilitätsabgleich mit einem potenziellen Austauschgestein im Rahmen des genannten Anforderungskataloges übereinstimmen sollten. Diese systematische Herangehensweise der Evaluierung führt zu einer Entwicklung von allgemeinen Qualitätskriterien für die Kompatibilität zur Auswahl geeigneter Ersatzgesteine für historische Bauwerke, in denen mehr als ein Naturwerkstein verbaut ist. Sie trägt zur Beurteilung der Verträglichkeit von historischen und modernen Austauschmaterialien in einem Bauwerk bei. Die neu gewonnenen Erkenntnisse sollen also einen Beitrag leisten bei der Aufstellung von Sanierungs- und Konservierungskonzepten, im Besonderen bei der Evaluierung von Materialkompatibilitäten und der entsprechenden Auswahl von Ersatzgestein, und damit die Entwicklung und Umsetzung von qualitativ hochwertigen Erhaltungsstrategien für Baudenkmäler aus Naturwerkstein unterstützen

Progressive Damage Mechanism of Rocks Subjected to Cyclic Loading

This thesis investigates the effect of cyclic loading conditions on the strength and deformation behaviour of rock materials under uniaxial compression. Two microstructurally and mineralogically different rocks are considered in this experimental investigation. Variations in loading stress level, stress amplitude and frequency are considered to derive novel conclusions on the damage mechanism and fatigue strength. The investigation revealed the greater susceptibility of hard rocks to cyclic loading compared to soft rocks

Experimental investigation on the micro damage evolution of chemical corroded limestone subjected to cyclic loads

Micro damage evolution in chemical corroded limestone samples subjected to cyclic loads is investigated using Nuclear Magnetic Resonance (NMR) system. Based on the experimental data of Magnetic Resonance Imaging (MRI), T2 values and porosity, the micro damage evolution process is visualized and analyzed. It is found that the porosity and micro cracking of the corroded limestone samples increase with the cyclic loading, and the micro damage evolution process consists of three distinct stages: micro crack emergence stage, micro damage development stage and damage development accelerated stage. Chemical erosion is found to have a significant influence on the propagation of micro cracks and accelerate the damage development of the limestone samples under cyclic loading. With the same number of load cycles, the chemical corroded samples always have lower peak strength than that of the water softened samples. Before the inflection point in the micro damage-loading cycles curve, the main damage is caused by new micro cracks increase inside the limestone; while after this point, the new micro crack emergence is being restrained, and the existed micro cracks connect into rupture bands. A damage model is finally proposed to quantify the damage evolution of the chemical corroded rocks subjected to cyclic loads