Прочность кладки при сжатии

Каменная кладка является монолитным неоднородным упругопластическим материалом. Даже при центральном приложении нагрузки к кладке камень и раствор могут одновременно испытывать и внецентренное сжатие, и изгиб, и растяжение, и срез, и смятие.

Основные причины такого сложного напряженного состояния:

1. Неоднородность растворного шва вследствие недостаточно идеального перемешивания, различной толщины слоя и т.п.

2. Различие деформативных свойств камня и раствора, вследствие чего в плоскостях контакта камня и раствора возникают касательные напряжения.

3. Наличие пустот в вертикальных швах кладки и отверстий в пустотелых камнях, что приводит к концентрации напряжений в зоне этих отверстий.

4. Неоднородность камней и их геометрические несовершенства, приводящие к концентрации напряжений на выступающих частях камней.

Проведенными экспериментальными исследованиями с различными видами кладок установлено, что при сжатии кладки можно выделить три стадии разрушения, для кладки из кирпича эти стадии показаны на рис. 9.

Первая стадия характеризуется появлением первых волосных трещин в отдельных кирпичах (рис. 9,а). Эта стадия наступает при нагрузках (0,6-0,8) при цементных растворах, при нагрузках (0,5-0,7) при сложных растворах и при нагрузках (0,4-0,6) при известковых растворах. Появление волосных трещин свидетельствует о том, что действующие нагрузки превзошли допустимые пределы.

Вторая стадия характеризуется соединением трещин в отдельных кирпичах и образованием трещин, проходящих через несколько кирпичей (рис. 9,б). Эта стадия наступает при нагрузках порядка (0,8-0,9) .

Третья стадия соответствует саморазрушению кладки в результате ее расслоения на отдельные столбики шириной примерно по 1/2 кирпича, раздавливания отдельных кирпичей в этих столбиках и, наконец, потери устойчивости отдельных столбиков всей кладки. Третья стадия наблюдается в лабораторных условиях при быстром нарастании деформаций. В естественных условиях вторая стадия является началом окончательного разрушения кладки, поскольку возникшие в этой стадии сквозные трещины не стабилизируются, а продолжают развиваться и увеличиваться без увеличения нагрузки. Поэтому действительная разрушающая нагрузка составляет 80-90 % от экспериментальной разрушающей нагрузки. Многочисленные эксперименты помогли раскрыть причины возникновения первых трещин в кладке из кирпича.

Рис.9. Три стадии разрушения кладки из кирпича

Установлено, что возникновение первых трещин в кладке вызывается напряжениями изгиба и среза отдельных кирпичей, в то время как напряжения сжатия составляют 15-25 % от предела прочности кирпича на сжатие. Деформации изгиба отдельных кирпичей достигают значительных величин - 0,1-0,4 мм (рис. 10), которые при учете хрупкости кирпича являются чрезмерными. Причиной изгиба и среза кирпича в кладке при сжатии является неравномерная плотность раствора в швах.

Разрушение кирпича в кладке от сжатия происходит только в последней стадии после расслоения кладки на столбики вследствие перегрузки отдельных столбиков и кирпичей.

Анализ результатов экспериментов позволил установить ряд факторов, влияющих на прочность кладки при сжатии.

Рис.10. Деформация изгиба отдельных кирпичей

1. Прочность кладки зависит от марки камня и марки раствора, но прочность кирпича на сжатие используется незначительно, с ростом прочности кирпича и раствора прочность кладки возрастает, но до определенного предела.

2. При сжатии отдельные кирпичи в кладке работают на изгиб и срез, поэтому марка кирпича устанавливается из его прочности на сжатие и изгиб. Изгиб и срез отдельных кирпичей происходит вследствие неравномерной плотности раствора в шве: причем это в большей степени проявляется при слабых растворах, что подтверждается просвечиванием рентгеновскими лучами растворного шва кладки.

3. На прочность кладки влияют форма поверхности кирпича и толщина шва; чем ровнее кирпич и тоньше шов, тем прочнее кладка.

4. На прочность кладки влияют размер сечения кладки (толщина стены): при уменьшении размеров сечения кладки ее прочность возрастает. Это отчасти объясняется уменьшением количества швов.

5. На прочность кладки влияет различие деформативных свойств кирпича и раствора. Поперечное расширение кирпича при сжатии в 10 раз меньше поперечного расширения раствора, поэтому при сжатии кладки в кирпиче возникают растягивающие усилия вследствие большего удлинения раствора шва, который и растягивает кирпич благодаря сцеплению кирпича с раствором.

6. Прочность кладки возрастает с течением времени вследствие возрастания прочности раствора.

На прочность кладки при сжатии не влияют система перевязки и сцепление раствора с кирпичом.

На основании экспериментальных данных проф. Л.И. Онищиком предложена эмпирическая формула для определения прочности различных кладок при сжатии в зависимости от марок камня и раствора:

(1)

где R - прочность кладки при сжатии;

R₁ - марка камня;

R₂ - марка раствора;

А_o, a, b - эмпирические коэффициенты (A₀ < 1).

При R₁ = const зависимость (1) показана на рис. 11.

Если R₂ = 0, то R₀ = A_0*R_1*(l- a/b ) ; a/b < 1;

где R₀ - прочность кладки при свежеуложенном растворе.

Если R₂ = ¥, то , где А₀ < 1.

Рис. 11. График зависимости прочности кладки от марки растовора

Из графика рис. 11 можно сделать следующие выводы:

1) даже при самых прочных растворах используется только некоторая часть прочности камня, так как А₀ < 1;

2) кладка обладает начальной прочностью (R₀) при нулевой прочности раствора

На основании формулы (1) можно сравнить между собой прочности различных кладок. На рис. 12 показаны графики зависимости прочности разных кладок при прочности камня R₁ = 100 кг/см² (марка камня 100).

Анализ графиков рис.12 позволяет сделать ряд выводов:

1. Прочность камня используется меньше всего в бутовой кладке, что объясняется неровностью постели рваного бута.

2. Прочность кладки из камней правильной формы возрастает с увеличением высоты ряда камня, что объясняется большей сопротивляемостью камня изгибу (так как момент сопротивления возрастает пропорционально квадрату высоты).

3. Прочность раствора оказывает самое большое влияние на прочность бутовой кладки (21/5,5 = 3,8), меньше влияния оказывает на прочность кирпичной кладки (35/15 = 2,3), еще меньше при кладке из блоков (41/24 т 1,7) и практически не влияет на прочность кладки из крупных блоков (60/60 = 1).

Рис.12. Графики зависимости прочности разных кладок при прочности камня

4. Бутобетонная кладка не подчиняется формуле Л.И. Онищика (1) и в очень большой степени прочность этой кладки зависит от марки раствора.

Величины расчетных сопротивлений (R) различных кладок в зависимости от марок камня и раствора приведена в.