Multiscale material modeling of fired clay bricks: experimental characterization of microstructural morphometry and continuum mechanical prediction of thermal conductivity, elastic stiffness, and strength properties

Abstract

Gebrannter Tonziegel ist eines der ältesten Baumaterialien der Welt und erfreut sich aufgrund seiner guten wärmedämmenden und raumklimatischen Eigenschaften auch heute noch großer Beliebtheit, vor allem beim Bau von Wohnhäusern. Aufgrund steigender Ansprüche an die Wärmedämmfähigkeit bei gleichzeitig hohen Anforderungen an die Materialfestigkeit wurde die Mauerwerksbauweise, die Ziegelgeometrie, sowie der Ziegelscherben selbst in den vergangenen Jahrzehnten kontinuierlich weiterentwickelt. Um die Eigenschaften des Ziegelscherbens zu verbessern, werden Rohtone mit unterschiedlichen Porosierungsmittel (z.B. Sägespäne oder Papierfangstoffe) und Magerungsmittel (z.B.Quarzsand oder Flugasche) versetzt, bevor die Mischung extrudiert, getrocknet undgebrannt wird. Die Optimierung von Materialmischungen erfolgt empirisch durch zeit und kosten intensive Laborversuchsreihen. Diese Experimente zeigten ein beträchtliches noch ungenütztes Optimierungspotential bezüglich Wärmedämmfähigkeit und Festigkeit auf. Der Schlüssel zur Nutzung dieses Potentials ist eine zuverlässige Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit und der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Materialzusammensetzung mit physikalisch fundierten Methoden.Die Entwicklung solcher Vorhersagetools war das primäre Ziel dieser Arbeit, beginnend mit der Identifizierung der Mikrostruktur von mineralogisch sehr unterschiedlichen,bei 880 C gebrannten Ziegeltonen. Das Archimedische Prinzip, Heliumpyknometriemessungen,Quecksilberporosimetrie, Mikro-Computertomographie und Rasterelektronenmikroskopie dienen zur umfassenden Charakterisierung der Porenräume verschiedener gebrannter Tonmaterialien. Zur quantitativen Analyse der festen Materialphasen kommt ein neu entwickeltes, weitgehend automatisiertes Verfahren zum Einsatz. Anschließend werden Informationen zur mineralogischen Tonzusammensetzung mit den chemischen Daten von einzelnen Materialphasen, ermittelt durch energiedispersive Röntgenspektroskopie im Rasterelektronenmikroskop, kombiniert, um diese bestimmten Mineralen zuzuordnen. Die mikrostrukturellen Merkmale der gebrannten Tone werden diskutiert und qualitativ mit der chemischen und mineralogischen Tonzusammensetzung verknüpft. Die umfassenden Daten zur Ziegelmikrostruktur werden anschließend für die Entwicklung eines mikromechanischen Mehrskalen-Materialmodells verwendet, das drei Beobachtungsskalen,die Mikro-, Meso- und Makroskala, umfasst. Poren und mineralische Körner sind in eine Matrixphase eingebettet und werden durch Sphäroide mit bestimmten Volumenanteilen, Achsenverhältnissen und Orientierungsverteilungen approximiert.Dieses Modell ermöglicht, auf Basis von phasenspezifischen Wärmeleitfähigkeiten und Steifigkeiten aus der Literatur, eine verlässliche Vorhersage der Wärmeleitfähigkeit und Steifigkeit des Ziegelscherbens. Die Einführung eines Versagenskriteriums auf der Mikroebene und mikromechanisches herunterskalieren von Scherbenfestigkeiten gibt einen ersten Einblick in die Ziegel-Mikrofestigkeit. Hochskalieren dieser Mikrofestigkeit ermöglicht eine zuverlässige Vorhersage des Versagens von Ziegelscherben bei mehrachsiger Belastung. Alle Modellierungsergebnisse werden erfolgreich experimentell validiert. Das vorgestellte mikromechanische Mehrskalen-Materialmodell soll eine Basis für effiziente Neuentwicklung und Optimierung von Ziegelmaterialien hinsichtlich Wärmedämmung und mechanischer Eigenschaften bilden.

Fired clay brick is one of the oldest building materials in the world and still enjoys great popularity today, especially in the construction of residential buildings, dueto its good thermal insulation and indoor climate properties. Given the increasing demands on thermal insulation combined with high material strength requirements,masonry construction methods, the brick geometry, as well as the brick body itself,have been continuously developed over the past decades. In order to improve the properties of the brick body, raw clays are mixed with various pore-forming additives (e.g., sawdust or paper sludge) and tempers (e.g., quartz sand or fly ash) before the mixture is extruded, dried, and fired. The optimization of material mixtures is carried out empirically through a time-consuming and cost-intensive series of laboratory tests. Those experiments revealed a considerable as yet unused optimization potential regarding thermal insulation capacity and strength. The key to exploiting this potentialis a reliable prediction of thermal conductivity and mechanical properties depending on the material composition with physically-based methods.The development of such predictive tools was the primary objective of this work,starting with the identification of the microstructure of mineralogically very different brick clays fired at 880 C. Archimedes’ principle, helium pycnometry measurements,mercury intrusion porosimetry, micro-computed tomography, and scanning electronmicroscopy are used to characterize the pore spaces of different fired clay materials comprehensively. A newly developed, largely automated method is used to quantitatively analyze the solid material phases. Subsequently, information on the mineralogicalclay composition is combined with the chemical data of individual material phases,determined by energy-dispersive X-ray spectroscopy in the scanning electron microscope,to assign the individual material phases to specific minerals. The microstructural characteristics of the fired clays are discussed and qualitatively linked to the chemical and mineralogical clay composition.The comprehensive data obtained on the brick microstructure is subsequently used for developing a micromechanics multiscale material model, including three scales of observation, the micro-, meso-, and macroscale. Pores and mineral grains are embedded in a matrix phase and are approximated by spheroids with specific volume fractions, aspect ratios, and orientation distributions. Based on phase-specific thermal conductivities and stiffnesses from the literature, this model allows a reliable prediction of the thermal conductivity and stiffness of the brick body. Introducing a failure criterion at the microscale and micromechanical downscaling of brick strengths gives a first insight into the brick micro-strength. Upscaling this micro-strength provides a reliable prediction of failure of the brick body under multiaxial loading. All modeling results are successfully validated experimentally. The presented micromechanics multiscale material model is expected to provide a basis for efficient new development and optimization of brick materials in terms of thermal insulation and mechanical properties.