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Effects of adding lime to cement in masonry mortars: a multi-scale study

Author(s): Briceño Melendez, Carolina Paola

Date: 2026

Persistent ID: https://hdl.handle.net/1822/103354

Origin: RepositóriUM - Universidade do Minho

Subject(s): argamassas à base de cimento‑cal hidratada; alvenaria de tijolo cerâmico cozido não armado; carbonatação; pré-condicionamento das unidades; cement- hydrated lime-based mortars; unreinforced fired clay brick masonry; carbonation; unit conditioning; Engenharia e Tecnologia::Engenharia Civil


Description

O uso da cal hidratada em argamassas para alvenaria continua a ser muito relevante na indústria contemporânea, devido à sua importância histórica, bem como ao seu valor para a sustentabilidade, eficiência na construção e compatibilidade dos materiais. As vantagens atribuídas ao uso da cal hidratada estão geralmente relacionadas com a melhoria da trabalhabilidade, plasticidade, e durabilidade. Além disso, parte da sua popularidade está associada aos benefícios ambientais devido à sua capacidade de carbonatar e sequestrar CO₂ ao longo do seu ciclo de vida. No entanto, apesar da sua relevância, faltam estudos sistemáticos que explorem em profundidade o papel da cal hidratada como material complementar nas argamassas de cimento. Adicionalmente, existem poucos estudos que abordam a influência do seu uso em argamassas sobre o comportamento mecânico da alvenaria, tendo em conta o uso de unidades de argila cozida com características diferentes, bem como o efeito do condicionamento da humidade das unidades no desempenho da aderência. Neste contexto, dada as lacunas existentes na literatura, são necessárias investigações rigorosas e quantitativas sobre a influência da cal no comportamento das argamassas à base de cimento, tanto ao nível da argamassa como da alvenaria. Esta tese desenvolve um estudo multiescalar para examinar os efeitos da cal hidratada em argamassas à base de cimento, considerando condições experimentais controladas e as suas interações com unidades de argila cozida de diferentes características, bem como o impacto no comportamento mecânico e químico da alvenaria. O trabalho organiza-se em dois níveis: (a) argamassa, abragendo propriedades mecânicas, físicas, químicas e de deformação, com ênfase na influência do teor de cal; e (b) alvenaria, analisando processos químicos nas juntas de argamassa e o comportamento mecânico sob cargas de compressão, flexão e cizalhamento. Foi dada especial atenção à interação entre a composição da argamassa e as características das unidades de argila cozida. Além disso, avaliou-se de que forma o pré-condicionamento à humidade das unidades e a composição da argamassa, comparando uma argamassa prescrita com elevado teor de cal com argamassas comerciais pré‑misturadas, afetam o desempenho da aderência da alvenaria. Os resultados obtidos procuram contribuir para o desenvolvimento do conhecimento científico e da prática profissional, esperando ser úteis como base para futuras investigações e a eventual atualização das normas de desenho e construção.

The use of hydrated lime in masonry mortars remains highly relevant in contemporary industry due to its historical importance and its value for sustainability, construction efficiency, and material compatibility. The advantages attributed to the use of hydrated lime are generally related to improved workability, plasticity, and durability. Furthermore, part of its popularity is associated with environmental benefits due to its ability to carbonate and sequester CO₂ throughout its life cycle. However, despite its importance, there is a lack of systematic studies that explore in depth the role of hydrated lime as a complementary material in cement mortars. Additionally, there are few studies that address the influence of its use on the mechanical behavior of masonry, taking into account the use of fired clay units with different features, as well as the effect of moisture conditioning of the units on the bond performance. In this context, given the gaps in the literature, there is a clear need for rigorous, quantitative research on the influence of lime on the behavior of cement-based mortars, both at mortar and masonry levels. This thesis conducts a multi-scale study to examine the effects of hydrated lime on cement-based mortars, considering controlled experimental conditions and their interactions with fired clay units of different characteristics, as well as their impact on the mechanical and chemical behavior of masonry. The work is organized into two levels: (a) mortar level, which involves mechanical, physical, chemical, and deformation properties, with an emphasis on the influence of lime content; and (b) masonry level, which studies the development of chemical processes in mortar joints and mechanical behavior under compression, bending, and shear loads. Special attention was paid to the interaction between the mortar composition and the features of the fired clay units. Furthermore, the study evaluated how the moisture preconditioning of the units and the mortar composition, comparing a prescribed mortar with high hydrated lime content with commercial premixed mortars, affect the bond performance of the masonry. The findings are intended to contribute to the development of scientific knowledge and professional practice, and are expected to provide a useful basis for future research and the eventual updating of design and construction standards.

Document Type Doctoral thesis
Language English
Contributor(s) Universidade do Minho; Azenha, Miguel; Vasconcelos, Graça
CC Licence
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