Каменные конструкции. Физико-механические характеристики

Наиболее важные свойства каменных конструкций — прочность, плотность и теплопроводность.

Прочность кладки. Прочность кладки зависит от свойств составляющих ее материалов — кирпича или камня, из которого сложена кладка, и раствора. Однако предел прочности при сжатии, например, кирпичной кладки, выполненной даже на весьма прочном растворе, при обычных методах возведения составляет не более 40—50%, от предела прочности кирпича. 'Объясняется это тем, что на прочность кладки влияют следующие факторы.

Поверхности кирпича и шва кладки не идеально плоские и гладкие. Поэтому каждый кирпич опирается на раствор лишь отдельными площадками, между которыми имеются участки с воздушными прослойками. Кроме того, и плотность, и толщина слоя раствора в горизонтальных швах не везде одинаковы. Вследствие этих причин давление в кладке неравномерно распределяется по поверхности кирпича, а сосредоточивается на от* дельных участках и вызывает в нем, кроме напряжений сжатия, напряжения изгиба и среза. Каменные материалы обладают слабым сопротивлением изгибу. Например, кирпич имеет в 4—б раз меньший предел прочности при изгибе, чем при сжатии." Этим и обусловливается значительное снижение прочности кладки по сравнению с прочностью составляющих ее материалов.

Влияние свойств раствора на прочность кладки. Чем слабее раствор в кладке, тем он легче сжимается и, следовательно, тем больше возникают общие деформации кладки, а в каждом кирпиче — напряжения изгиба и среза. Поэтому, чтобы получить более прочную кладку, применяют соответственно более высокую марку раствора.

Большое значение имеет пластичность раствора. Пластичные растворы лучше расстилаются по постели кирпича, обеспечивают более равномерную толщину и плотность шва, что повышает прочность кладки, так как способствует уменьшению напряжения изгиба и среза в отдельных кирпичах. Вместе с тем взаимодействие кирпича и раствора в кладке не ограничивается передачей сжимающих напряжений. Известно, что при сжатии возникают деформации укорочения в направлении действия силы и деформации удлинения (поперечного расширения) в перпендикулярном направлении. Чем слабее и пластичнее раствор, тем больше он деформируется при сжатии в поперечном направлении и тем большие растягивающие усилия возникают в кирпиче. Поэтому степень пластичности раствора для каждого вида кладки имеет определенный предел (назначается по строительным нагрмам и правилам—СНиП), так как излишняя пластичность отражается на прочности кладки.

При наиболее низких марках растворов из-за способности их деформироваться все растягивающие усилия передаются на кирпич и в нем могут возникать напряжения, составляющие до 50 %( от предела прочности его на растяжение. Это вызывает разрушение кладки при значительно меньших сжимающих нагрузках, чем кладки, выполненной на прочных растворах. В то же время кирпич препятствует поперечному расширению горизонтальных швов, в результате увеличивается предел прочности слабых растворов в швах и вследствие этого кладка выдерживает напряжения значительно большие, чем предел прочности раствора. Правильное сочетание различных марок кирпича и раствора дает возможность получить кладку необходимой прочности и рационально использовать свойства материалов.

Влияние размеров и формы каменных материалов на прочность кладки. С увеличением высоты камня уменьшается количество горизонтальных швов в кладке и увеличивается пропорционально квадрату высоты камня сопротивление его изгибу. В связи с этим при одинаковой прочности камней на сжатие, изгиб и срез более прочной оказывается та кладка, которая выполнена из камней большей высоты.

Чем правильнее форма "камней, тем лучше и равномернее заполняются раствором швы в кладке, лучше передается нагрузка от камня к камню, лучше перевязывается кладка и выше ее прочность. Например, при одинаковой высоте камней (около 20 см) и одинаковой марке, равной 400 кгс/см2, и марке раствора 25 кгс/см2 кладка, выполненная из природных камней правильной формы, имеет предел прочности 100 кгс/см2, из постели-стого бута — 24 кгс/см2 и из рваного бута — только 16 кгс/см2. На снижение прочности бутовой кладки влияет главным образом то, что неправильная форма камней обеспечивает их соприкосновение лишь через отдельные участки, не создает хорошей перевязки кладки, значительную часть которой приходится заполнять раствором.

Влияние качества швов кладки на ее прочность. Одним из наиболее эффективных способов повышения прочности кладки является тщательное ее выполнение. Качественное заполнение горизонтальных и вертикальных швов раствором, равномерное уплотнение и одинаковая толщина швов, правильная перевязка обеспечивают высокую прочность кладки. Плохое качество кладки, применение растворов, не соответствующих строительным нормам и правилам на производство и приемку работ, могут явиться причиной аварии. Чем толще шов, тем труднее достигнуть равномерной его плотности и тем в большей степени кирпич работает в кладке на изгиб и срез. При толстых швах увеличиваются деформации и снижается прочность кладки. Поэтому для каждого вида кладки установлена определенная толщина швов, увеличение которой снижает прочность конструкций.

Насколько качество кладки характеризуется равномерностью заполнения и уплотнения горизонтальных швов, показывает пример одного из испытаний. Одновременно из одного и того же кирпича и раствора выполнялась кладка высококвалифицированными каменщиками и для сравнения каменщиками низкой квалификации. Предел прочности кладки, выполненной высококвалифицированными каменщиками, оказался равным 50 кгс/см2, а каменщиками низкой квалификации —28 кгс/см2, т. е. в 1,8 раза меньше.

Напряженное состояние кладки. Напряжения растяжения, изгиба и среза, возникающие в кирпичной кладке, приводят к разрушению ее раньше, чем напряжения сжатия достигнут предела прочности кирпича при сжатии. Если постепенно увеличивать нагрузку, например на кирпичный столб, то при некоторой ее величине в отдельных кирпичах появятся; вертикальные трещины (15, а) преимущественно под вертикальными швами там, где концентрируются напряжения растяжения и изгиба. При росте нагрузки трещины увеличатся, разделяя кладку на столбики (15, б). Окончательное разрушение кладки происходит из-за выпучивания этих столбиков в результате потери ими устойчивости (15, в). Напряженное состояние при осевом сжатии кладок из других каменных материалов аналогично напряженному состоянию кирпичной кладки, но имеет те или иные особенности, зависящие от размеров и формы применяемого камня, прочности и удобоукладываемости (подвижности) раствора, его сцепления с камнем, системы перевязки и качества кладки.

Из сказанного очевидно, что сопротивление кирпича изгибу имеет не меньшее влияние на прочность кладки, чем его прочность при сжатии, что низкое сопротивление кирпича сжатию может компенсироваться его высоким сопротивлением изгибу и что большое сопротивление кирпича сжатию бесполезно, если оно не сопровождается соответствующим повышением прочности кирпича при изгибе. Именно поэтому марка кирпича характеризуется не только определенным пределом прочности его при сжатии, но и при изгибе.

Плотность и теплопроводность кладки. Одним из положительных качеств каменных конструкций является их высокая огнестойкость, большая по сравнению с другими материалами химическая стойкость и сопротивляемость атмосферным воздействиям и ' как следствие этого большая долговечность. Эти качества обусловлены тем, что каменные материалы имеют плотную структуру. В то же время большая плотность каменных конструкций увеличивает теплопроводность кладки. Поэтому кирпичные стены общественных зданий и жилых домов приходится делать намного толще, чем это требуется по условиям их прочности и устойчивости.

Как видно из таблицы, при уменьшении плотности каменных материалов с 1800 до 800 кг/см3 толщина стен и потребность в материалах уменьшаются на 55%,, а масса стен — на 80%. Это значит, что для кладки выгодно применять материалы с более низкой плотностью (пустотелые, пористые), обладающие хорошими теплотехническими свойствами.

На теплотехнические свойства каменных конструкций влияет качество кладки: стены с плохо заполненными раствором швами легко продуваются.

Отмеченные свойства учитываются в расчетах при проектировании конструкций зданий и сооружений. При этом размеры несущих стен, столбов и других частей рассчитывают, исходя не только из условий прочности кладки по действующим на нее нагрузкам, но и из условий устойчивости как отдельных элементов, так и всего здания в целом.

Виды конструкций. Область применения. Материалы. Марки камней и растворов

Классификация камней (рис.1):

· искусственные (кирпич – разных модификаций, бетонные) и естественные камни (гранит, мрамор, известняк, песчаник, бут, туф, пемза и др.)

· тяжелые (плотные) и легкие (на пористых заполнителях, ячеистые, поризованные, силикатные),

· камни малой прочности (марки 4-50), средней (марки 75-200), высокой прочности (марки 250-1000).

· Марки каменных материалов по морозостойкости — Мрз 10, Мрз 15, Мрз 25, Мрз 35, Мрз 50, Мрз 75, Мрз 100, Мрз 150, Мрз 200, Мрз 300.

Классификация растворов:

· по материалам: цементные, известковые, смешанные, с добавками,

· по плотности: тяжелые — 1500 кг/м³ и более, легкие — до 1500 кг/м³.

· по пределу прочности на сжатие (марка): 4, 10, 25, 50, 75, 100. 150. 200.

Кирпич, камни и растворы должны удовлетворять требованиям соответствующих ГОСТов, сертификатов или технических условий

Работу сжатой кладки в зависимости от величины действующих напряжений можно подразделить на четыре характерных стадии.

Первая стадия (рис. 5, а) наблюдается при низком уровне усилий (N < N_crc, где N_crc - усилие трещинообразования). На этой стадии в кладке отсутствуют какие-либо разрушения.

Вторая стадия (рис. 5, б) характеризуется появлением продольных волосяных трещин в отдельных камнях при усилии N = N_crс . Усилие трещинообразования в зависимости от вида раствора N_crc = (0,4 - 0,8) N_u (здесь N_u - разрушающее усилие).

Третья стадия (рис. 5, в) наступает при возрастании усилий (N_crc<N< N_u) и характеризуется развитием ранее образовавшихся и появлением новых трещин. Объединяясь друг с другом и с вертикальными швами, трещины расслаивают кладку на отдельные самостоятельно работающие вертикальные элементы, подверженные внецентренному загружению. Прекращение роста нагрузки не приостанавливает развития трещин, поэтому данная стадия может считаться аварийной и требует немедленной разгрузки.

Четвертая стадия (рис. 5, г) соответствует саморазрушению кладки (без увеличения нагрузки): при прогрессирующем развитии трещин происходят дальнейшее расслоение кладки на отдельные столбики, раздавливание отдельных кирпичей и потеря устойчивости отдельных столбиков.

Установлено, что первые трещины в кладке возникают от изгаба и среза, при сжимающих напряжениях в кирпиче, составляющих 15 - 20 % от предела прочности кирпича на сжатие. Прогиб отдельных кирпичей в кладке при эксперименте достигает величины 0,1 - 0,4 мм.

2. Физико-механические свойства каменной кладки.

Основные факторы, влияющие на прочность кладки при сжатии.

Зависимость временного сопротивления сжатию кладки от временного сопротивления раствора при фиксированном временном сопротивления камня показана на рис. 6.

влияние прочности и вида раствора. Прочность раствора по-разному сказывается на прочности кладки в зависимости от ее вида (рис. 7). Характер кривых свидетельствуетоб интенсивном росте прочности кладки при низких значения R_2u , а при больших значениях — практическом прекращен.

Растяжение кладки по неперевязанному шву (рис. 9) имеет место при внецентренном сжатии. Разрушение кладки происходит по контакту между камнем и раствором. Нормами запрещается проектирование конструкций, прочность которых определяется только нормальным сцеплением.

Растяжение кладки по перевязанному шву (рис. 10) имеет место в цилиндрических резервуарах и силосах, работающих на растяжение в кольцевом направлении.

При плохом сцеплении между раствором и камнем трещина проходит по вертикальным и горизонтальным швам с образованием зубчатой или косой штрабы. В этом случае растягивающая сила воспринимается только горизонтальными швами, сопротивлением вертикальных швов пренебрегают из-за недостаточно хорошего заполнения их раствором и образования усадочных трещин по поверхности контакта между раствором и камнем.

Срез по неперевязанному шву (рис. 11) возникает при действии усилий вдоль горизонтальных швов. В этом случае сопротивление срезу оказывает касательное сцепление между раствором и камнем, а при наличии усилий, сжимающих кладку по нормали к этому шву. необходимо учитывать дополнительное сопротивление срезу за счет сил трения

При срезе по перевязанному шву (рис. 12) учитывается только сопротивление срезу камня. Изгиб в каменной кладке вызывает растяжение, которое и лимитирует прочность кладки по растянутой зоне. Разрушение кладки при изгибе, так же. как при растяжении, может произойти по перевязанному (по штрабе и по камню) и неперевязанному сечениям.