Проблемные вопросы в развитии норм по каменным конструкциям

Введение

Система нормативных документов по каменным конструкциям, создававшаяся не один десяток лет и включающая в себя СНиПы и пособия к ним, рекомендации, ГОСТы на кладочные материалы (кирпич, камень, блоки, кладочные растворы) и методы их испытаний, по ряду причин оказалась разбалансированной.

В первую очередь это относится к нарушению взаимосвязи между ГОСТами на методы испытаний материалов и сводами правил на проектирование. Причиной тому во многом служит лоббирование интересов производителей материалов, стремящихся добиться для себя наибольшей выгоды. Порой происходит необоснованное стремление вмешаться в процесс разработки сводов правил.

С другой стороны, разработка качественных нормативных документов невозможна без взаимодействия всего профессионального сообщества, учета интересов всех сторон. Однако баланс интересов не должен способствовать снижению надежности возводимых зданий и сооружений.

Работа кирпича и раствора в кладке при ее сжатии

Прочность кладки при сжатии ниже прочности кирпича и раствора, из которых она выполнена. Так, при марке кирпича и раствора М100 (100 кг/см²) прочность кладки 36 кг/см². Объяснением тому служит то, что кирпич в кладке при ее сжатии разрушается от изгиба и среза вследствие неоднородности горизонтальных растворных швов (рис. 1).

В формуле Л. И. Онищика (1), описывающей зависимость прочности кладки на сжатие от прочности кирпича и раствора, неполное использование прочности кирпича на сжатие учитывается коэффициентом А. Этот коэффициент принимает наименьшее из значений, зависящих от прочности кирпича на сжатие и прочности кирпича на изгиб (2) [1]:

(1)

где R_u – предел прочности кладки при сжатии;

R₁ – предел прочности камня при сжатии;

R₂ – предел прочности раствора при сжатии;

γ – понижающий коэффициент для растворов марок М25 и ниже;

А – конструктивный коэффициент, характеризующий степень использования в кладке прочности камня, принимаемый наименьшим из полученных по формулам:

(2)

где R_{u, b} – предел прочности кирпича при изгибе.

Коэффициенты a, b, m, n в формулах (1) и (2) зависят от вида камня.

В случае, когда коэффициент поперечного расширения у раствора выше, чем у кирпича, тому же способствуют возникающие вследствие поперечного расширения раствора горизонтальные растягивающие напряжения [2].

При качественных растворных швах и ровной поверхности кирпичей изгиб кирпича происходит в меньшей степени и прочность кладки повышается. При выполнении кладки каменщиком с низкой квалификацией ее прочность может оказаться в полтора раза ниже, чем у квалифицированного каменщика. В работе [3] показано, что прочность кладки улучшенного качества выше в 1,5–2,2 раза обычной кладки.

В работе [4] Л. И. Онищик писал, что при назначении прочности кладки принято значение коэффициента, характеризующего качество кладки в зависимости от квалификации каменщика К_{рука каменщ} = 1,0. Для малоквалифицированных каменщиков К_{рука каменщ} = 0,9. Многими исследователями это не учитывается, что может привести к неверному трактованию экспериментальных данных. С целью устранения этого целесообразно в новую редакцию ГОСТ 32047-2012 [5] ввести понятие коэффициента К_{рука каменщ} и учитывать его при назначении сопротивления кладки сжатию.

Взаимосвязь методов испытания кирпича с прочностью кладки в формуле Л. И. Онищика

Прочность кирпича на сжатие – это условная величина, зависящая от способа и условий подготовки образцов. При выводе формулы (1) Л. И. Онищик заложил туда значения прочности кирпича при его сжатии R₁, получаемые из испытания в прессе на сжатие кирпичей, поверхности которых выравнивают раствором. Таблицы расчетных сопротивлений кладки в СНиП II-22-81* «Каменные и армокаменные конструкции» основываются на формуле Л. И. Онищика (1), где прочность кирпича на сжатие определялась на образцах с выравниванием поверхности раствором. Испытания кирпича проводились по ГОСТ 8462-85 [6], где основным способом выравнивания поверхности принято выравнивание раствором, а для альтернативных методов (шлифование и войлочные прокладки) вводился коэффициент перехода к основному:

, (3)

где R₁ – предел прочности при сжатии образцов из кирпича или камней и изготовленных с выравниванием поверхностей раствором;

R₂ – предел прочности при сжатии образцов, поверхности которых выровнены альтернативным способом.

В работах [7–14] приведены результаты сравнительных испытаний образцов из керамического кирпича и камня на сжатие при различных способах выравнивания их поверхности.

Анализ результатов испытаний различных авторов позволяет сделать вывод, что выравнивание поверхности образцов шлифованием позволяет получить прочность образцов с выровненной раствором поверхностью практически на одну марку выше.

Многие заводы предпочитают выравнивание поверхности кирпича шлифованием. В отличие от выравнивания раствором этот способ не требует длительной выдержки образцов, показывает более стабильные результаты.

На прочность кирпича при его испытании на сжатие помимо неровности его поверхности, вызывающей концентрацию напряжений, способствующих изгибу и срезу, большую роль играет сдерживание поперечных деформаций плитами пресса. Применение войлочных прокладок снижает трение о плиты пресса, благодаря чему характер разрушения отличается, а результаты оказываются ниже.

Итак, выравнивание поверхности шлифованием с применением переходного коэффициента К по [6] позволяло, с одной стороны, удовлетворить выбор заводов, а с другой – сохранить целостный механизм увязки нормативных документов (рис. 3).

В 2007 г. появился ГОСТ 530-2007 «Кирпич и камни керамические. Общие технические условия» [15]. В нем выравнивание поверхности раствором в соответствии с [6] принималось основным способом.

Первые нарушения целостного механизма, связывающего ГОСТы на испытание и СП 15.13330.2012 «Каменные и армокаменные конструкции» [16] (разработан на основе СНиП II-22-81*), начались в 2012 году, когда в ГОСТ 530-2012 [17] были внесены изменения, указывающие на то, что шлифование является основным способом подготовки поверхности. При этом ГОСТ 8462-85 [6] продолжал действовать и это как-то снимало противоречие с СП 15.13330.2012 [16] (рис. 4).

Ударом по целостному механизму явилась отмена ГОСТ 8462-85 [6] и его замена на ГОСТ Р 58527-2019 [18], где основным способом принято выравнивание поверхности шлифованием.

Изменение метода испытания кирпича требует изменение эмпирических коэффициентов в формуле (1) и таблиц расчетных сопротивлений кладки в [16], подсчитанных по этой формуле. В связи с этим в примечаниях к табл. 6.1 записано:

Расчетные сопротивления кладки в таблицах [16] получены из испытаний образцов кладки при определении прочности кирпича с выравниванием поверхности раствором. По этой причине приведенные в таблице расчетные сопротивления кладки умножают на коэффициенты перехода K_R, зависящие от способа выравнивания поверхности кирпича при испытании:

– 1,0 в случае выравнивания поверхности раствором;

– 0,9 в случае выравнивания поверхности шлифованием (требования этого пункта не относятся к камню и кирпичу, поставляемому на строительную площадку со шлифованными поверхностями, соответствующими требованиям [18]).

Это вынужденная мера, поскольку оптимальным решением было назначение марки кирпича в [17] с понижающим переходным коэффициентом при выравнивании поверхности шлифованием.

Справедливости ради отметим, что с появлением на отечественном рынке кирпичей более высоких марок способ выравнивания поверхности раствором потребовал корректировки. Выравнивание должно производиться раствором прочностью не менее 330 кгс/см² на момент испытания.

В DIN EN 772-1 [19] и идентичном ему белорусском стандарте СТБ EN 772-1 [20] выравнивание поверхности производится двумя способами – шлифованием и раствором. Отклонение от плоскостности нагружаемых поверхностей образца не должно превышать 0,1 мм на каждые 100 мм длины. Отклонение от прямолинейности верхней поверхности образца не должно превышать 1 мм на каждые 100 мм длины. Если эти требования не выполняются, то поверхности выравниваются шлифованием или раствором. Способ подготовки поверхности указывают в протоколе испытаний. Для выравнивания применяют цементно-песчаный раствор, прочность которого равна минимальному нормируемому значению прочности при сжатии кирпича, камня, блока, но не выше 30 МПа. При коэффициенте формы, равном 0,8 при переходе от кубов с ребром 4 см к кубам с ребром 7 см, это соответствует прочности раствора 37,5 МПа.

Как отмечалось, прочность кладки во многом определяется прочностью кирпича на изгиб. С сожалением стоит констатировать, что в [17] требования по минимальной прочности кирпича при изгибе при назначении марки изделия были сняты для кирпичей низких марок (М75 и ниже), зачастую трещиноватых и имеющих низкую изгибную прочность.

Взаимосвязь методов испытания раствора с прочностью кладки в формуле Л. И. Онищика

Первоначально прочность раствора оценивалась по результатам испытаний кубов, изготавливаемых в стальных формах с дном. В дальнейшем было предложено перейти к испытаниям кубов, изготавливаемых в формах без дна и устанавливаемых на пористое основание (кирпич) для возможности отсоса влаги. Такой способ изготовления кубов представлялся более близким к поведению раствора при его твердении в кладке. В работе [1] Л. И. Онищик пишет, что при испытании кубиков, изготовленных на пористом основании с отсосом влаги, получается более высокая (примерно в 2 раза) прочность раствора. В ГОСТ 5802-86 [21] основным является изготовление кубов в формах с металлическим дном, в связи с чем требуется очередная корректировка всех (!) таблиц расчетных сопротивлений кладки в [16] путем введения коэффициента перехода к марке раствора. Величина этого коэффициента в настоящее время требует уточнения.

Влияние габаритов и формы экспериментальных образцов кладки

В ГОСТ [5] даны два типа экспериментальных образцов – стенки, заимствованные из EN 1052-1-2009 [22], и традиционные для российских методов испытаний столбы. Полученные из испытаний образцов стенок и столбов значения прочности кладки могут отличаться в ту или иную сторону от среднего значения на 12 %. В связи с этим целесообразно внести в ГОСТ [5] коэффициенты формы, с помощью которых полученная из испытаний прочность кладки приводится к единому стандарту.

Общий вид формулы Л. И. Онищика

С учетом изложенного выше временное сопротивление кладки сжатию R_u рекомендует­ся вычислять по следующей видоизмененной формуле (1):

, (4)

где R_u – временное сопротивление кладки сжатию, определенное из испытаний столбов с габаритами в плане 0,38 × 0,51 см.

К вопросу о керамическом кирпиче полусухого прессования

Исключение из ГОСТ [17] термина «кирпич полусухого прессования» – очередная нестыковка с СП [16]. Несмотря на отдельные преимущества такого кирпича благодаря его ровной поверхности, долговечность кладки из него ниже. Исключение его из норм привело бы к приравниванию такого кирпича к кирпичу пластического прессования и снятию ограничений на его применение (например, в дымовых трубах, стенах подвалов, фундамен­тах и т. п.).

Заключение

1. Получаемые в испытаниях прочностные характеристики кирпича (камня) и раствора носят условный характер и во многом зависят от способа изготовления, формы, габаритов образцов для испытаний.

В основу советских норм по каменным конструкциям для определения прочности кладки при осевом сжатии заложена формула Л. И. Онищика, устанавливающая связь между прочностью кирпича (камня) и раствора с прочностью кладки на сжатие. Эмпирические коэффициенты в этой формуле зависят от выбранных методов испытания кладочных материалов. С изменением методов испытаний должны корректироваться и коэффициенты.

2. Сопротивления кладки сжатию в нормах подсчитывались по формуле Л. И. Онищика, где основным способом выравнивания поверхности кирпича служила подливка его раствором. При выравнивании поверхности другими способами следует вводить коэффициент перехода между ними. В противном случае марка кирпича будет отличаться от полученной по методике Л. И. Онищика и при подстановке в таблицы расчетных сопротивлений кладки в [16] можно получить некорректные значения.

Для восстановления взаимосвязи между ГОСТами на испытания и сводом правил в таблицу 6.1 [16] внесены коррективы по назначению расчетных сопротивлений кладки. Для кирпича пластического формования расчетные сопротивления кладки принимаются с понижающим коэффициентом 0,9 при выравнивании поверхности кирпича шлифованием.

Данное решение является компромиссным. Оно позволяет сохранить прежние запасы прочности для каменной кладки, которые были искусственно снижены после выхода ГОСТ [17] и назначении основным способом подготовки поверхности шлифование.

Оптимальным является введение в ГОСТ [17] для кирпича пластического формования коэффициентов перехода от прочности шлифованного кирпича к прочности кирпича с выровненной раствором поверхностью. Способ испытания кирпича с выровненной раствором поверхностью следует считать основным и марку кирпича устанавливать по нему, что должно отражаться в паспорте на изделие.

Для кирпича и камня, выпускаемых со шлифованной поверхностью, это требование не распространяется.

3. Вернуть в ГОСТ [17] требование о назначении марки кирпича по прочности с учетом прочности на изгиб.

4. Сопротивления кладки сжатию в нормах подсчитывались по формуле Л. И. Онищика, где прочность раствора определялась из испытания кубов, изготовленных в формах без дна и устанавливаемых на пористое основание.

В новой редакции ГОСТ принято, что образцы изготавливаются в формах с дном. В этом случае следует вводить коэффициент перехода в таблицы расчетных сопротивлений кладки в [16]. Значения этих коэффициентов требуют уточнения.

5. Приведенные в ГОСТ на испытания кладки [5] типы образцов частично позаимствованы из европейских норм. При этом не учитывается, что при назначении прочности кладки сжатию в российских нормах принимались результаты испытаний столбов определенных габаритов. Испытание стенок наряду со столбами без учета масштабного фактора приводит к некорректным результатам. В [5] следует внести требования по учету масштабного фактора.

Кроме того, рекомендуется учитывать качество кладки опытных образцов («руку каменщика») в соответствии с формулой (4).

6. Следует вернуть в ГОСТ [17] термин «кирпич полусухого формования» и соответствующие требования к нему.