Деформации структурных элементов кирпичной кладки

Кирпичная кладка – композиционный материал, который в силу своих особенностей и регулярности структуры имеет потенциальную возможность конкурировать с бетоном по основным конструкционным свойствам и превосходить его по надежности и долговечности. Сравнивая динамику развития и совершенствования конструкционных материалов, можно сделать вывод о ее существенном научно-техническом отставании, хотя в начале и середине XX в. она использовалась гораздо чаще, чем бетон. К 50-м годам средняя прочность бетона составляла порядка до 20 МПа, а концу XX в. – 30–60 МПа. На сегодняшний день возможно получение бетонов прочностью 100–200 МПа. За это время прочность кладки практически не изменилась и составляет 3,9 МПа, а при использовании различных методов ее упрочнения – 7,8 МПа (при коэффициенте армирования m=1%) [1].

Дальнейшее совершенствование композиционных материалов невозможно без разработки теоретических и практических положений взаимодействия структурных элементов различных уровней значимости и геометрических размеров. Для кирпичной кладки наибольший интерес представляет взаимодействие кирпича и раствора швов.

Основные конструктивные свойства кирпичной кладки обусловлены взаимодействием структурных элементов данного уровня – кирпича, раствора вертикальных и горизонтальных швов. Следует учитывать кратковременные и длительные деформации элементов, что вызывает ухудшение условий работы для одних структурных элементов и улучшение других. Это соответствует выводам Г.А. Гастева, что кирпич и раствор кладки находятся в условиях сложного напряженно-деформированного состояния и одновременно подвержены растяжению, сжатию, изгибу и срезу [2]. Причинами этого является неполное заполнение горизонтальных швов, неоднородность прочностных и деформативных свойств кирпича и раствора и т.п.

Деформации кирпичной кладки не соответствуют простой сумме деформаций кирпича и раствора швов, даже с учетом отношения общей толщины швов раствора и камня по высоте.

О.Граф доказал, что структура и процесс деформации структурных элементов кладки при сжатии значительно сложнее. Наблюдаемые при экспериментах деформации кладки почти в 2 раза больше суммарных деформаций кирпича и раствора, испытываемых в стандартных образцах. Это подтвердили дальнейшие опыты Коппелянда и Тиммса, производивших замеры деформаций камня и раствора в кладке.

Общая деформация кладки оказалась значительно больше деформаций камня и раствора, испытываемых отдельно. Поэтому оправдан подход Л. И. Онищика, который рассматривал кладку, как тело со сложной структурой, состоящее из кирпича, раствора горизонтальных и вертикальных швов, а также зон контакта [3].

Замеры деформаций производились тензометрами. Для оценки напряженно-деформируемого состояния элементов замерялись деформации кирпича, раствора горизонтальных и вертикальных швов, вдоль и поперек линии приложения сжимающей нагрузки.

Несмотря на кажущуюся однородность кладки при механическом загружении, отчетливо видно существенное отличие деформаций элементов. Это одна из причин снижения объема применения кирпичной кладки. Прочность кладки составляет порядка 20–30% от прочности кирпича.

Продольные деформации кирпича в кладке в 5–10 раз выше его деформаций при равных напряжениях вне кладки. Существенно сказывается вид кирпича. Коэффициент поперечных деформаций кирпича в момент, предшествующий разрушению, близок mкирпича = 0,5, что говорит о явно выраженном дилатометрическом эффекте при разрушении кирпича в кладке. Причинами этого являются большие поперечные деформации горизонтальных растворных швов, ухудшающих условия работы кирпича и соответственно ведущих к его раннему разрушению и недовыбору несущей способности в кладке.

Такое различие объяснялось большой деформативностью контактных (между раствором и кирпичом) прослоек в швах, вызванной наличием на этих участках высоких и неравномерно распределенных по постели местных напряжений.

Коэффициент поперечных деформаций кладки с учетом определенных деформаций кирпича и раствора вдоль и поперек линии приложения нагрузки при расчетных напряжениях составит величину до m = 0,2–0,3. В момент, предшествующий разрушению, до m = 0,4–0,5. Относительные деформации горизонтальных растворных швов поперек линии приложения нагрузки наиболее значимы в начальный момент, т.е. по отношению к соответствующим деформациям кладки в 1,5–2 раза больше. Происходит выравнивание поперечных деформаций и напряжений в горизонтальных растворных швах и кирпиче. Выравнивание деформаций и напряжений в швах приводит к улучшению условий работы растворных швов, как для образцов с боковым обжатием, за счет сцепления с менее деформативным кирпичом. Только на последнем этапе, предшествующем разрушению, после превышения уровня расчетных напряжений наблюдается существенная разница деформаций, что говорит о нарушении целостности зоны контакта из-за действия срезающих усилий. Это подтверждает выдвинутую гипотезу о важности оптимального подбора прочности и деформативности структурных элементов кирпичной кладки при растяжении.

Влияние вертикальных швов значимо, поскольку даже в начальный момент загружения возникают существенные растягивающие напряжения в поперечном направлении, превышающие в 3–7 раз деформации остальных элементов, что приводит к выходу шва из работы. Качественное и полное заполнение вертикальных швов увеличивает прочность кладки за счет обжатия кирпича и раствора вертикальных швов на 8–15%. Некачественное заполнение снижает эффект за счет низкой адгезии и когезии раствора и кирпича.

Это говорит о том, что для заполнения вертикальных и горизонтальных растворных швов требуются растворы с различными свойствами. Для раствора горизонтальных швов требуется подвижная смесь, после твердения которой образуется прочный на сжатие и растяжение камень с поперечными деформациями, соответствующими деформациям кирпича, а также обладающие высокой прочностью сцепления на срез в зоне контакта. Для раствора вертикальных швов требуется высокодеформативный раствор, с высокой прочностью на растяжение и адгезией к кирпичу.

Существуют огромные резервы повышения прочности и эффективности кирпичной кладки, которые будут способствовать при этом снижению стоимости и трудоемкости возведения. Поэтому изучение структурной механики безусловно актуально и имеет широкие перспективы.