12 июля 2016

 

П.Г КОМОХОВ, д-р техн. наук, Ю.А. БЕЛЕНЦОВ, канд. техн наук, Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения

 

Обеспечение надежности и долговечности кирпичных конструкций является актуальной проблемой сегодняшнего дня.

 

Существующие методы расчета и моделирования работы кирпичных и каменных конструкций основаны на представлении о кирпичной (каменной) кладке как изготовленной из псевдотвердого квазиоднородного материала. Это приводит к невозможности реального учета особенностей работы кладки и требует введения большого количества эмпирических коэффициентов. Определение основных характеристик в существующих методах расчета основано на предположении В.А. Гастева и Л.И. Онищика о том, что кладка находится в условиях сложного напряженно-деформированного состояния и одновременно подвержена сжатию, изгибу, растяжению и срезу.

 

Такой подход не отражает фактических структурных и физикомеханических особенностей кирпичной кладки как сложно-структурированного композиционного материала.

 

Для учета влияния реальных условий работы кладки необходимо изучать и моделировать ее свойства на пяти основных уровнях.

 

Мегауровень определяет работу кирпичной кладки в целом, ее взаимодействие с другими конструкциями или элементами здания.

 

Макроуровень — уровень взаимодействия основных элементов структуры кладки (растворных швов, кирпича керамического или силикатного) и незаполненных раствором зон швов (дефектов кладки).

 

Мезоуровень — уровень цементно-песчаного раствора, силикатного или керамического камня, зоны поверхности контакта кирпича и раствора. Макро — и мезоуровень определяют прочностные и деформационные свойства кладки, ее тре-щино- и морозостойкость.

 

Микроуровень — это уровень структурного взаимодействия цементного камня и мелкого заполнителя с керамическим или силикатным кирпичом (камнем).

 

Субмикроуровень представлен сложным фазовым составом цементного камня и входящего в его структуру цементного геля, амор-физированным и кристаллическим сростком, системой пор и пустот, включая поры геля. Этот уровень определяется также структурой керамического черепка или силикатного камня в кирпиче.

 

На каждом уровне будем рассматривать структуру кладки, состоящую из нескольких квазиоднородных систем элементов.

 

На мегауровне кирпичные конструкции рассматриваются как изготовленные из псевдооднородного материала. Кладка эффективно работает на центральное сжатие в направлении по перевязанным швам. При этом необходимо учитывать физическую нелинейность материала. В расчетах возможно использование гипотетической зависимости между напряжениями и деформациями в виде диаграммы Прандтля, реальная и идеализированная ее формы приведены на рис. 1. Эта диаграмма воспроизводит зависимость между напряжениями и деформациями кладки как идеального упругопластического тела.

 

Рис. 1. Диаграмма напряжений — деформаций при растяжении и сжатии кирпичной кладки

 

Изучение работы кладки на макроуровне и взаимодействие ее элементов было проведено экспериментально на образцах из кладки, выполненной из силикатного модульного кирпича с круглыми пустотами на цементно-песчаном растворе (см. таблицу). При испытаниях деформации отдельных элементов кладки, кирпича, раствора, горизонтальных швов вдоль и перпендикулярно линии приложения нагрузки их поперечные деформации измерялись с помощью тензометров. Основные причины и степень приоритетного влияния указанных элементов структуры на разрушение образцов кирпичной кладки проанализируем далее.

 

Напряжения, МПа	Оносительные деформации, х104
	Вдоль линии приложения нагрузки					Перпендикулярно линии приложения нагрузки
	Кладка	Кирпич		Горизонтальный шов		Кирпич		Горизонтальный шов		Вертикальный шов
		величина деформации	отношение к деформации кладки, %	величина деформации	отношение к деформации кладки, %	величина деформации	отношение к деформации кладки, %	величина деформации	отношение к деформации кладки, %	величина деформации	отношение к деформации кладки, %
0	0	0	0%	0	0%	0	0%	0	0%	0	0%
0,8	7,2	5	69%	38,75	538%	-3,25	45%	-2,75	-38%	-10	-139%
1,6	14,6	10	68%	55	377%	-5,5	38%	-3,25	-22%	-76	-521%
2,4	26,6	6	23%	123,75	465%	-7,25	27%	-4,5	-17%	-89	-335%
3,2	36,8	7	19%	126,5	344%	-11,5	31%	-6	-16%	-83,5	-227%
4,84	Разрушение образцов

 

Разрушение кирпича или раствора в кладке при сжатии маловероятно, потому что прочность кладки составляет примерно 25—35% прочности кирпича и раствора при сжатии. Сжимающие напряжения в кирпиче и растворе горизонтальных швов равны, но деформации вдоль линии приложения нагрузки в растворе горизонтальных швов в 10—12 раз больше, чем в кирпиче. Это объясняется наличием зоны контакта кирпича и раствора как промежуточного элемента структуры. Физико-механические свойства зоны контакта существенно отличаются от свойств раствора шва.

 

Разрушение кирпича при изгибе возможно из-за неполного заполнения горизонтальных швов и неравномерности растворной постели шва кладки. Распределение раствора в горизонтальном шве носит случайный характер и зависит от подвижности растворной смеси и ее состава, вида поверхности кирпича, квалификации каменщика. Проведенные испытания образцов кирпичной кладки позволяют установить, что незаполненные зоны в кирпиче могут достигать 6—7 см по длине кирпича. Поэтому необходимо подбирать прочность кирпича при изгибе с учетом возможных дефектов кирпичной кладки.

 

Рассмотрим влияние растяжения перпендикулярно линии приложения нагрузки в горизонтальных растворных швах и кирпиче с учетом сил сцепления кирпича с раствором горизонтальных швов. Растягивающие напряжения, действующие перпендикулярно линии приложения нагрузки в кирпиче и растворе, пропорциональны коэффициенту поперечных деформаций кирпича и раствора. Значение коэффициента Пуассона раствора колеблется в пределах 0,2—0,25, а для кирпича в зависимости от его вида — 0,05—0,15. При достаточном сцеплении деформации на границе контакта кирпича и раствора горизонтальных швов выравниваются, при небольшой толщине шва они распределяются равномерно практически по всей его высоте. Из условия выравнивания деформаций можно определить изменение напряжений, действующих перпендикулярно линии приложения нагрузки в кирпиче и растворе. В кирпиче они увеличивают растягивающие напряжения в 2—2,5 раза, а в растворе их значения уменьшаются на 10%. Для обеспечения совместности деформаций кладки в зоне контакта необходимо, чтобы сцепление кирпича и раствора было больше по величине, чем разница поперечных напряжений и деформаций кирпича и раствора, что составляет величину порядка 15—20% прочности кладки.

 

При неполном заполнении горизонтальных швов в месте контакта возникают концентрации поперечных растягивающих напряжений приблизительно в 2—3 раза больше поперечного растягивающего напряжения в кирпиче. Это показывает, насколько опасно неполное заполнение горизонтальных швов раствором.

 

Наличие пустот в кирпиче влечет за собой возникновение дополнительных напряжений, в том числе в растворе горизонтальных швов, пропорциональных отношению площади контакта кирпича и раствора к площади эффективной условной поверхности кирпича. При пустотности кирпича, равной 50%, в растворе увеличивается концентрация напряжений в 2 раза, а на границе контакта появляется эффект ослабления прочности кладки за счет концентрации локальных напряжений.

 

При полном заполнении шва в зоне контакта на кирпич действуют разгружающие продольные растягивающие напряжения вдоль линии приложения нагрузки, равные 50% от напряжений, сжимающих кладку. В зоне угла кирпича сжимающие напряжения снижаются на 20—25%. Это обусловлено неоднородностью деформаций структурных элементов кладки. При неполном заполнении вертикальных швов разгружающий эффект отсутствует, исчезают обжимающие краевые усилия в кирпиче и соответственно снижается прочность кладки, проявляется эффект концентрации напряжений с возникновением и развитием трещин. Это один из основных видов дефектов кирпичной кладки.

 

На мезоуровне необходимо рассматривать взаимосвязь составляющих цементного раствора, керамического или силикатного камня, а также зоны контакта кирпича и раствора. Деформативность и прочность зоны контакта кирпича и раствора, их ползучесть, усадка и набухание, температурные деформации определяются данным уровнем структуры кладки. Деформации кладки от внешней нагрузки, усадка и ползучесть частично демпфируются зоной контакта. Механизм компенсации можно объяснить тем, что при примерно одинаковых деформациях от нагрузки и температуры площадь раствора в зоне контакта и зона перераспределения нагрузок в кирпиче одинаковы и много меньше, чем площадь кирпича и раствора в шве. При этом необходимо учитывать, что скорость водоотделения раствора в зоне контакта много выше, чем у раствора основного шва. Поэтому относительные деформации этой зоны много больше, чем остальных элементов данного уровня. Приведенная на рис. 2 фотография образца в зоне контакта керамического кирпича и цементно-песчаного раствора позволяет определить геометрические характеристики зоны контакта раствора в кладке.

 

Рис. 2. Зона контакта кирпича и раствора

 

Площадь поверхности непосредственного контакта составляет примерно 45% общей площади образца и высота зоны контакта порядка 1—2 мм.

 

На микро- и субмикроуровне рассматриваются свойства и структура цементного камня [1] и заполнителя, входящего в состав раствора, а также керамического черепка или силикатного камня. При этом необходимо учитывать, что каждый из структурных элементов обладает системой пор, пустот и субмикротрещин. В растворе преобладает заполнитель, объем межзерновых пустот заполняется цементным камнем. Общая пористость цементного раствора составляет порядка 38%, кирпича керамического — 27,7%, силикатного кирпича — 35—40%. В соответствии с вышесказанным и влиянием структурной механики разрушения составляющей долей заполнителя раствора можно пренебречь при определении расчетной прочности и морозостойкости кладки на этом уровне.

 

Литература

1. Бабков В.В., Мохов В.Н., Капитонов С.М., Комохов П.Г. Структурообразование и разрушение цементных бетонов. Уфа: ГУП «Уфимский полиграфкомбинат». 2002. 317 с.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»