Mechanical and microstructural properties of stone units in the masonry building stock of Urla peninsula

Abstract

This experimental study focuses on two most commonly used stone types in masonry building stock on the Urla Peninsula of İzmir: sandstone and limestone. The compressive behavior of these stones, which is critical to the structural integrity of historic and contemporary stone masonry buildings in the region, was analyzed in detail. To assess their mechanical performance under compressive stress, uniaxial compressive loads were applied to the stone samples, which were gathered after an extensive field survey. Scanning Electron Microscopy (SEM) and Brunauer-Emmett-Teller (BET) analyses were leveraged to characterize their microstructure. SEM analysis provided detailed insights into the surface morphology and microstructural composition of the stones, revealing differences in grain size and bonding. BET analysis was used to determine the specific surface area and pore size distribution, which are key factors influencing the stones' mechanical strength and durability. The results demonstrated that limestone exhibits significantly superior mechanical properties under compressive stress compared to sandstone. Specifically, the denser and more homogeneous microstructure of limestone, characterized by smaller pores and fewer micro-cracks, contributes to its higher compressive strength. This was corroborated by BET analysis, which showed that limestone has a larger surface area and less porous structure, enhancing its load-bearing capacity. In contrast, sandstone, with its relatively higher porosity, displayed lower resistance to compressive forces, making it more susceptible to deformation and failure under axial loads. The study underscores the importance of microstructural characteristics in determining the mechanical performance of natural building materials.

Keywords

• BET
• limestone
• masonry
• sandstone
• SEM

Urla Yarımadası yığma yapı stokunda mevcut taş ünitelerin mekanik ve mikroyapısal özellikleri

Abstract

Bu deneysel çalışma, İzmir'in Urla Yarımadası'ndaki yığma yapı stokunda en yaygın olarak kullanılan iki taş türüne odaklanmaktadır: kumtaşı ve kireçtaşı. Bu taşların, bölgedeki tarihi ve modern taş yığma binaların yapısal bütünlüğü için kritik öneme sahip olan basınç altındaki davranışları ayrıntılı bir şekilde analiz edilmiştir. Mekanik performanslarını basınç gerilmeleri altında değerlendirmek için, kapsamlı bir saha araştırmasından sonra toplanan taş numunelerine tek eksenli basınç yükleri uygulanmıştır. Taşların mikro yapısını karakterize etmek için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Brunauer-Emmett-Teller (BET) analizlerinden yararlanılmıştır. SEM analizi, taşların yüzey morfolojisi ve mikro yapısal bileşimi hakkında ayrıntılı bilgiler sunarak, tane boyutu ve bağlanma farklılıklarını ortaya koymuştur. BET analizi ise taşların mekanik dayanımı ve dayanıklılığını etkileyen önemli faktörler olan özgül yüzey alanı ve gözenek boyutu dağılımını belirlemek için kullanılmıştır. Sonuçlar, kireçtaşının basınç gerilmeleri altında kumtaşına göre önemli ölçüde üstün mekanik özellikler sergilediğini göstermiştir. Özellikle, daha küçük gözenekler ve daha az mikro çatlaklarla karakterize edilen daha yoğun ve homojen mikro yapı, kireçtaşının daha yüksek basınç dayanımına katkıda bulunmuştur. Bu durum, kireçtaşının daha büyük yüzey alanına ve daha az gözenekli bir yapıya sahip olduğunu gösteren BET analiziyle de doğrulanmıştır. Buna karşılık, nispeten daha yüksek gözenekliliğe sahip olan kumtaşı, eksenel yükler altında deformasyona ve kırılmaya karşı daha düşük direnç göstererek, daha düşük basınç dayanımı sergilemiştir. Çalışma, doğal yapı malzemelerinin mekanik performansını belirlemede mikro yapısal özelliklerin önemini vurgulamaktadır.

Keywords

• BET
• kireçtaşı
• kumtaşı
• SEM

References

1. [1] M. Y. Çelik, “Characterization of İscehisar Andesite (Afyonkarahisar-Turkey), Used as a Building Stone Source of Historical Heritages from Ancient Times to the Present”. Geoheritage, 16(3), 1-19, 2024.
2. [2] A. B. Yavuz, N. Turk, & M. Y. Koca, “Material properties of the Menderes massif marbles from SW Turkey”. Engineering geology, 82(2), 91-106, 2005.
3. [3] E. Teomete, E. Aktaş, “Structural analyses and assessment of historical Kamanlı Mosque in Izmir, Turkey”. Journal of Performance of Constructed Facilities, 24(4), 353-364, 2010.
4. [4] E. T. Uzun, I. Gucu, T. Arslan, & S. O. Kalkan, “Retrofitting of masonry structures considering the architectural perspective: A case study in Foca, Izmir”. In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering (Vol. 471, No. 2, p. 022003). IOP Publishing, 2019.
5. [5] S. S. Tuncoku, U. Incekose, T. Akis, M. A. Yalcin, “Assessment of construction techniques and material usage in İzmir rural houses”. International Journal of Architectural Heritage, 9(8), 1005–1022, 2015.
6. [6] A. Bi̇çer, “The thermal and mechanical properties of building stones from the Afyon, Izmir, Muğla and Denizli region”. Naturengs, 3(1), 1, 2022.
7. [7] A. B. Yavuz, “Durability assessment of the Alaçatı tuff (Izmir) in western Turkey”. Environmental Earth Sciences, 67(7), 1909–1925, 2012.
8. [8] J. Milosevic, A. S. Gago, M. Lopes, & R. Bento, “Experimental assessment of shear strength parameters on rubble stone masonry specimens”. Construction and Building Materials, 47, 1372-1380, 2013.

9. [9] C. Demir, & A. Ilki, “Characterization of the materials used in the multi-leaf masonry walls of monumental structures in Istanbul, Turkey”. Construction and Building Materials, 64, 398-413, 2014.
10. [10] S. Gonen and S. Soyoz, “Investigations on the elasticity modulus of stone masonry”, Structures, 30, 378-389, 2021.
11. [11] URL: www.izka.org.tr, accessed on 22/08/2024.
12. [12] M. Emiroğlu, “Urla yarımadasında nüfusun gelişmesi”. Ankara Üniversitesi Dil ve Tarih-Coğrafya Fakültesi Dergisi, 32(1-2), 237-267, 1988 (In Turkish).
13. [13] ASTM C170M-17, “Standard test method for compressive strength of dimension stone”. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2017.
14. [14] L. Binda, J. Pina Henriques, A. Anzani, A. Fontana and P. B. Lourenço, “A contribution for the understanding of load-transfer mechanisms in multi-leaf masonry walls: Testing and modelling”, Engineering Structures, 28, 1132-1148, 2006.
15. [15] B. Bozyigit, A. Ozdemir, K. Donmez, K. D. Dalgic, E. Durgut, C. Yesilyurt, … & S. Acikgoz, “Damage to monumental masonry buildings in Hatay and Osmaniye following the 2023 Turkey earthquake sequence: The role of wall geometry, construction quality, and material properties” Earthquake Spectra, 87552930241247031, 2024.
16. [16] D. Benavente, M. G. Del Cura, R. Fort & S. Ordóñez, “Durability estimation of porous building stones from pore structure and strength”, Engineering Geology, 74(1), 113-127, 2004.