Исследование прочностных и деформативных характеристик кирпичной кладки в зависимости от толщины растворных швов

УДК 693.22

Р.М. АХМЕДЬЯНОВ, канд. техн. наук, зам. генерального директора по научной работе, Э.Р. АХТЯМОВ, технический директор, Е.А. ГАМАЛИЙ, канд. техн. наук, доцент, начальник департамента научных исследований, ООО «УралНИИстром»

Ключевые слова: кирпичная кладка, модуль упругости, прочность при сжатии, растворные швы
Key words: brickwork, modulus of elasticity, compressive strength, mortar joints

В статье представлены результаты исследования влияния толщины растворных швов на свойства кирпичной кладки толщиной 0,5 кирпича и 1 кирпич: напряжение, при котором появляется первая видимая трещина; прочность при сжатии; нормативное значение прочности при сжатии; модуль упругости. Зафиксировано снижение нормативного значения прочности кладки при увеличении толщины растворных швов, в связи с чем для строительных объектов, где зафиксирован факт превышения толщины швов по сравнению с заданной в СП 70.13330.2012 величиной, необходимо проведение дополнительных исследований с испытанием контрольных образцов кладки с дальнейшим сравнением полученных результатов с расчетной величиной.

The article is about the results of a studying of the brickwork with a thickness of 0.5 bricks and 1 brick: stress at which the first visible crack appears; compressive strength; standard value of compressive strength; elastic modulus. A decrease in the standard value of strength with an increase in the thickness of mortar joints was recorded, and therefore for construction projects where the fact of exceeding the thickness of the joints according to the value specified in SP 70.13330.2012 is recorded, additional studies are required to test control samples of masonry with a further comparison of the results obtained with the calculated value.

Введение

Современные тенденции создания и развития архитектурной среды крупных городов предполагают увеличение доли каркасно-монолитного домостроения. Это позволяет не только придать новым домам и целым микрорайонам требуемую архитектурную выразительность, но и обеспечить более полное использование площади селитебных территорий за счет увеличения этажности домов. Одним из самых популярных способов создания контура здания при монолитно-каркасном домостроении традиционно является выполнение каменной кладки. Кладка из керамического кирпича обладает высокой прочностью, хорошими звуко- и теплоизоляционными характеристиками, обеспечивает комфортный микроклимат в помещении, а также не требует дополнительного проведения наружной отделки стен.

Согласно п. 9.2.4 СП 70.13330.2012 ­Несущие и ограждающие конструкции, толщина горизонтальных швов кладки из кирпича и камней правильной формы должна составлять 12 мм, вертикальных швов – 10 мм. Отклонения толщины вертикальных растворных швов не должны превышать -2; +2 мм, горизонтальных: -2; +3 мм (таблица 9.8 СП 70.13330.2012). Возведение кирпичной кладки, соответствующей требованиям нормативной документации, требует высокой квалификации рабочих-каменщиков. Однако на реальных строительных объектах зачастую наблюдаются отклонения толщины растворных швов, превышающие допустимые по СП 70.13330.2012, как в большую, так и в меньшую сторону.

Из теории каменной кладки и исследовательских работ в этой области [1-11] известно, что вследствие разности между модулем упругости раствора и керамического кирпича при воздействии на кладку сжимающей внешней нагрузки растворные швы деформируются, передавая растягивающие усилия на кирпич из-за адгезии между строительным раствором и кирпичом. При этом, чем меньше прочность и модуль упругости раствора в швах кладки, тем больше растягивающие напряжения, возникающие в кирпиче, что, в свою очередь, может вызвать снижение несущей способности кладки за счет раннего разрушения отдельных кирпичей, работающих в данных условиях на растяжение и на срез.

В связи с этим была поставлена задача – исследовать влияние толщины растворных швов в кладке на прочностные и деформативные характеристики образцов кирпичной кладки стен.

В качестве объекта исследования были приняты образцы кирпичной кладки стен длиной в два кирпича, толщиной – в 0,5 кирпича или в 1 кирпич, высотой – 5 рядов из керамического кирпича производства ООО «КЕММА» (г. Челябинск), с толщиной растворных швов 5, 12, 25 и 38 мм (в зависимости от вида кладки), на кладочном растворе М 100. Общее число серий образцов кирпичной кладки стен – 8, по 3 образца в серии.

Предметом исследования являлись механические характеристики изучаемых образцов кирпичной кладки стен, определяемые по ГОСТ 32047-2012 «Кладка каменная. Метод испытания на сжатие»:

– напряжение, при котором появляется первая видимая трещина;
– прочность при сжатии;
– нормативное значение прочности при сжатии;
– модуль упругости.

Методы исследования

Образцы кирпичной кладки стен были изготовлены согласно п. 8.2 ГОСТ 32047-2012 из кирпича рядового, пустотелого, утолщенного Кр-р-пу 250×120×88/1,4НФ/100/1,4 ГОСТ 530-2012 производства ООО «­КЕММА», пустотностью 36% и фактическим пределом прочности при сжатии – 26,4 Н/мм² и кладочного цементного раствора М 100 со средней прочностью на сжатие в момент испытания образцов кирпичной кладки стен от 11,6 до 13,9 Н/мм². Толщина горизонтальных растворных швов составляла (в зависимости от вида кладки) 5, 12, 25, 38 мм с допустимым отклонением 1 мм, толщина вертикальных швов варьировалась от 5 до 38 мм для обеспечения номинальных размеров образцов (рис. 1, 2).

Образцы кирпичной кладки хранили до возраста 28 суток в воздушно-сухих условиях при температуре воздуха (19,8-22,0)°С и влажности воздуха (55,0-60,4)%, а затем испытывали по ГОСТ 32047-2012 с определением значений следующих показателей: прочность при сжатии; нормативное значение прочности при сжатии; напряжение, при котором появляется первая видимая трещина; модуль упругости.

Образцы кирпичной кладки стен испытывали на гидравлическом прессе 2ПГ-250 с наибольшей статической нагрузкой на сжатие 250 т с максимальным значением ошибки измерения нагрузки: ±2%. Сжимающую нагрузку прикладывали к верхней поверхности образца перпендикулярно горизонтальным швам до разрушения образца с регистрацией максимальной достигнутой нагрузки. Испытания проводили согласно п. 9 ГОСТ 32047-2012. Сжимающую нагрузку на образцы кирпичной кладки стен подавали 4-6 этапами до достижения 50-70% от возможного максимального значения. После каждого этапа нагружения поддерживали значение нагрузки на постоянном уровне в течение 1 минуты. После завершения последнего этапа выдержки нагрузку увеличивали с постоянной скоростью до разрушения образца кирпичной кладки стен.

Для измерения вертикальных и горизонтальных деформаций образцов кирпичной кладки стен использовали цифровые индикаторы с ценой деления 0,01 мм (индикаторы 1÷4 для измерения вертикальных деформаций) и 0,001 мм (индикаторы 5, 6 для измерения горизонтальных деформаций). Крепление приборов производили с помощью специальных приспособлений, которые приклеивали к поверхности образца кирпичной кладки стен (на кирпич). Показания приборов фиксировали на шести участках образца кирпичной кладки стен на каждом этапе после завершения выдержки. Схема установки индикаторов на образцах кирпичной кладки стен разных серий показана на рис. 3.

Обработка результатов исследования

Прочность при сжатии отдельного образца кирпичной кладки Ri, Н/мм² определяли по формуле:

, (1)

где F_imax – максимальная нагрузка, которую выдерживает отдельный образец кладки, Н;
А_i – площадь поперечного сечения отдельного образца кладки, перпендикулярного направлению нагрузки, прикладываемой при испытании, мм².

Для сопоставления полученных в ходе работы значений прочности при сжатии образцов кирпичной кладки стен каждого вида было принято решение о преобразовании полученных значений прочности в эквивалентную прочность кладки (приведенное значение прочности при сжатии) по формуле А.1 ГОСТ 32047-2012, Приложение А:

, (2)

где R_bd – установленное среднее значение предела прочности при сжатии керамического кирпича принимали равным 10 Н/мм² (согласно паспорту качества на кирпич);
R_md – установленное среднее значение прочности на сжатие кладочного раствора принимали равным 10,0 Н/мм²;
R_b – среднее значение предела прочности при сжатии керамического кирпича во время проведения испытаний принимали равным 26,4 Н/мм²;
R_m – средняя прочность на сжатие кладочного раствора во время проведения испытаний образцов кладки, Н/мм² менялась от 11,6 до 13,9 Н/мм² в зависимости от вида кладки.

За величину нормативного значения прочности кирпичной кладки при сжатии R_k, Н/мм² принимали меньшее из значений и :

, (3)

, (4)

где R_d – среднее приведенное значение прочности кладки при сжатии, Н/мм²;
R_{id min} – наименьшее приведенное значение прочности при сжатии отдельного образца кладки, Н/мм².

Модуль упругости кладки каждого образца Е_i, Н/мм² определяли по формуле:

, (5)

где ε₃ – среднее значение относительной продольной деформации образца, определенное по показаниям четырех вертикально расположенных индикаторов при значении нагрузки, соответствующей 1/3 разрушающей.

Относительную деформацию по показаниям каждого прибора ε_i определяли по формуле:

, (6)

где ∆_i – показания прибора на каждом этапе нагружения;
∆₀ – показания прибора при нулевом значении нагрузки;
b – расстояние между точками крепления прибора.

Относительную деформацию образца при значении нагрузки, соответствующей 1/3 разрушающей, определяли методом линейной интерполяции, исходя из значений относительной деформации образца на соседних этапах нагружения.

На рис. 4 и 5 показаны общие виды образцов кирпичной кладки стен, установленных в пресс, до начала испытаний и характер разрушения образцов после испытания при толщине горизонтальных растворных швов 12 мм. Полученные величины нормативного значения прочности кладки при сжатии, модуля упругости, относительной прочности в момент образования первой трещины в зависимости от толщины растворных швов и вида кладки показаны на рис. 6-8.

Выводы:

1. Проведенные исследования показали, что увеличение толщины растворных швов с 5 до 25 мм в кладке толщиной 0,5 кирпича (120 мм) и 1 кирпич (250 мм) приводит к снижению нормативного значения прочности кладки на 25,4% и 29% соответственно. Дальнейшее увеличение толщины растворных швов до 38 мм влияет на нормативное значение прочности кладки в меньшей степени.

2. Выявлено, что при увеличении толщины растворных швов с 5 до 12 мм модуль упругости кирпичной кладки растет на 28,2-35,2%, а при увеличении толщины растворных швов до 25 мм этот показатель снижается на 21,7-24,0% в зависимости от толщины образцов кладки. Дальнейшее увеличение толщины растворных швов до 38 мм приводит к незначительному снижению модуля упругости (не более 6%).

3. При одинаковой толщине растворных швов нормативное значение прочности, модуль упругости и относительная прочность при сжатии в момент образования первой видимой трещины у серий кладки С 0,5-5, С 0,5-12, С 0,5-25, С 0,5-38 с толщиной кладки 120 мм больше, чем у видов кладки С 1-5, С 1-12, С 1-25, С 1-38 с толщиной кладки 250 мм. Это может быть вызвано тем, что в сериях С 1-5, С 1-12, С 1-25, С 1-38 с торцевой стороны образца есть растворный шов, который служит дополнительным концентратором напряжений при нагружении.

4. Относительная прочность в момент появления первой видимой трещины в кладке при одинаковой толщине кладки значительно повышается (64,3-86,1%) с увеличением толщины растворного шва с 5 до 12 мм, что может быть связано с релаксацией напряжений за счет более равномерного распределения нагрузки при толщине швов 12 мм.

5. В связи с отмеченным снижением нормативного значения прочности кирпичной кладки толщиной 120 мм и 250 мм при увеличении толщины растворных швов для строительных объектов, где зафиксирован факт превышения толщины швов по сравнению с заданной в СП 70.13330.2012 величиной, необходимо проведение дополнительных исследований с испытанием контрольных образцов кладки. Полученные фактические значения прочности кирпичной кладки при сжатии должны быть не меньше значений, установленных расчетом по СП 15.13330.2012.

Библиографический список:

1. Деркач В.Н. Исследование модуля упругости каменной кладки из керамических и силикатных кладочных элементов / В.Н. Деркач, ­А.В. Галалюк, Вестник Полоцкого государственного университета: Сер. F, №12, 2010, с. 77-81.
2. Деркач В.Н. Анизотропия деформационных свойств каменной кладки / В.Н. Деркач, Научно-технические ведомости ­СПбГПУ: Наука и образование, №1, 2011, с. 201-207.
3. Деркач В.Н. Прочность и деформативность каменной кладки из ячеисто-бетонных блоков автоклавного твердения на полиуретановых швах. Часть 1. Прочность и деформативность при сжатии / В.Н. Деркач // Строительные ­материалы, №5, 2017, с. 29-32.
4. Деформации раствора горизонтальных швов каменной кладки при сжатии / О.М. Донченко, И.А. Дегтев, В.Н. Тарасенко, Н.Д. Жихарев // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, №5, 2019, с. 42-49.
5. Донченко, О.М. Особенности трещинообразования и исчерпания сопротивления кладки из искусственных камней при центральном сжатии / О.М. Донченко, Ж.И. Пащенко // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, №1, 2014, с. 10-12.
6. Грановский А.В. Каменная кладка: хрупкий или пластичный материал? / А.В. Грановский // Промышленное и гражданское строительство, №3, 2019, с. 22-28.
7. Ищук М.К. Роль прочности кирпича на изгиб при сжатии кладки // Строительные материалы, № 8, 2018, с. 63-65.
8. Ищук М.К. Влияние различных факторов на оценку прочности кладки при сжатии (к вопросу совершенствования норм по каменным конструкциям) // Строительные материалы, № 7, 2020, с. 67-75.
9. Капустин С.А. Моделирование процессов деформирования и разрушения материалов с периодически повторяющейся структурой: Монография / С.А. Капустин, С.Ю. Лихачева. – Нижний Новгород: Изд-во ННГАСУ, 2012, – 96 с.
10. Пириев Ю.С. Влияние прочности раствора на прочность кладки из мелких пенобетонных камней // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, №4, 2009, с. 66-67.
11. Донченко О.М., Дегтев И.А,, Тарасенко В.Н., Литовкин Н.И. Физическая природа и величина контактной деформации горизонтальных растворных швов каменной кладки при силовом сжатии // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. №12, 2017, с. 78-83.

https://uniis.ru/