Прочность кладки из керамического шлифованного и нешлифованного кирпича (сравнение российских и европейских норм)

Введение

В последние годы большое внимание уделяется вопросам сокращения трудозатрат и повышения надежности результатов испытаний кладочных керамических стеновых изделий (кирпича, камня и блоков).

В частности, большое внимание уделяется оценке эффективности применения метода шлифования нагружаемой поверхности при определении прочности кладочных керамических изделий на сжатие.

В этих целях в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство» были проведены сравнительные исследования прочности керамических изделий, испытанных традиционным методом (с выравниванием опорных поверхностей образцов раствором) и методом с выравниванием опорных поверхностей шлифованием.

Результаты испытаний показывают, что в случае полнотелых изделий или изделий с небольшой пустотностью прочность образцов при сжатии, отобранных из одной и той же партии, отличается на 1–2 марки (в пользу шлифованных изделий).

При этом прочность образцов имела небольшой разброс и, как было уже отмечено, превышала прочность образцов, опорные поверхности которых выравнивались раствором, не менее чем на одну марку.

В связи с этим в табл. 6.1 СП 15.13330.2020 [1] в примечании 1 сделано указание, что при определении расчетного сопротивления сжатию кладки марки керамического кирпича и камня пластического формования принимаются по результатам испытаний образцов с выравниванием опорных поверхностей раствором. При других способах выравнивания опорных поверхностей марка (прочность) кирпича или камня, приведенная в указанной таблице, принимается с учетом коэффициента перехода К в соответствии ГОСТ Р 58527-2019 [2].

Анализ результатов испытаний

Отметим, что по результатам испытаний наибольшая прочность кладочных изделий получена при выравнивании опорных (нагружаемых) поверхностей методом шлифования «насухо» (рис. 1а). Этот факт указан профессором Л. И. Онищиком. В частности, в его монографии «Каменные конструкции» [3] указано, что наибольшая прочность достигается при кладке кирпича «насухо» при тщательно отшлифованных поверхностях (и стыках, рис. 1б). Однако такой метод возведения кладки неприемлем в связи с большой трудоемкостью обеспечения качественной перевязки кладочных изделий (кирпича или камня). Поэтому на практике в случае применения шлифованных керамических изделий, а также силикатных и ячеистобетонных изделий кладка возводится с применением тонкого слоя раствора и клеевых составов, позволяющих значительно снизить концентрацию напряжений в кладочных изделиях в зоне перевязки.

При испытаниях на сжатие кладочных стеновых материалов – кирпича, камня, растворных кубиков, напряженно-деформированное состояние (НДС) испытываемых образцов аналогично НДС бетонных кубиков при их испытании на сжатие.

Следует отметить, что внедрение шлифования при испытании бетонных кубиков в конце 70-х годов ХХ века также проходило со значительными трудностями. Но в настоящее время этот метод используется в стандартах по определению прочности бетона.

В ГОСТ 10180-2012 [4] подобно изложены требования как к проведению испытаний, так и к размерам, форме, количеству и подготовке испытываемых образцов. В приложении Е приведены примеры удовлетворительных и неудовлетворительных разрушений образцов (рис. 2).

В п. 7.2.4 [4] указано, что в случае разрушения образца по одной из неудовлетворительных схем результат испытаний не учитывается.

Аналогичная картина разрушения имеет место при испытании образцов кладочных изделий, в том числе керамического кирпича и камней пластического формования.

Примеры разрушения образцов кирпича показаны на рис. 3.

Анализируя НДС испытываемых образцов, следует отметить, что при испытании образцов на сжатие продольным деформациям всегда сопутствуют поперечные деформации. При шлифованных опорных поверхностях поперечные деформации испытываемых образцов меньше за счет сил трения между плитой пресса и образцами, поэтому разрушающая нагрузка будет больше (рис. 4а). А при испытании образцов с выравниванием опорных поверхностей раствором разрушающие нагрузки будут меньше, чем при испытании шлифованных образцов (без раствора), так как силы трения между плитой пресса и поверхностью образцов будут меньше при деформируемом слое раствора (рис. 4б).

В целях снижения трудозатрат и разброса в результатах испытаний в странах ЕС при определении прочности керамического кирпича или камня несколько лет назад в качестве основного был принят метод шлифования опорных поверхностей, а в качестве альтернативного – метод выравнивания опорных поверхностей раствором марки М300 или выше.

Такой подход к испытанию прочности кирпича на сжатие, безусловно, может быть использован. Однако его применение в каждой стране должно быть обосновано. В национальных нормах и стандартах должна быть внесена соответствующая корректировка.

Если прочность кирпича искусственно завышается, то в целях обеспечения (сохранения) надежности возводимых конструкций расчетная прочность кладки должна быть уменьшена.

В частности, в российских нормах прочность кладки определяется по формуле (1) профессора Л. И. Онищика:

(1)

где R_k – предел прочности кладки при сжатии;

A – конструктивный коэффициент (безразмерный), зависящий от прочности и вида камня;

R₁ и R₂ – соответственно пределы прочности камня и раствора при сжатии;

а и b – эмпирические безразмерные коэффициенты, зависящие от вида кладки;

γ – поправочный коэффициент для кладок на растворах низких марок.

В этой формуле было предусмотрено определение прочности кирпича R₁ в соответствии с требованиями ГОСТ 8462-85 [5] на образцах, изготовленных из двух половинок или из двух целых кирпичей на растворе заданной рецептуры (приложение 2 [5]): цемент М400; песок, просеянный через сито с сеткой № 1,25; (В/Ц = 0,40–0,42).

При такой рецептуре прочность раствора соответствует М150–М200 при выдерживании образцов при температуре (20 ± 5) ℃ в течение 3 суток.

Следует отметить, что все методы испытаний условны. В кладке кирпич находится в других условиях, чем при испытаниях в прессе. В кладке кирпич «обжат». Использование метода выравнивания опорных поверхностей раствором было принято в целях максимального приближения условий испытаний образцов к работе кладочных материалов в конструкциях зданий.

Полученные с использованием формулы (1) расчетные сопротивления прочности кладки (при различных значениях прочности кирпича, камня, блоков и раствора) приведены в табл. 6.1 – 6.10 СП 15.13330.2020 [1] для разных видов кладочных стеновых изделий. В частности, для керамического кирпича пластического формования пустотностью до 27 % расчетные сопротивления кладки указаны в табл. 6.1 [1].

В настоящее время в целях гармонизации российских и европейских нормативных документов и стандартов в изменениях к ГОСТ Р 58527-2019 [2] (взамен ГОСТ 8462-85 [5]) требуется при подготовке раствора для изготовления образцов для определения прочности при сжатии кирпича и камня применять повышенную марку цемента – М500 (вместо М400), что соответственно увеличивает марку раствора, склеивающего образцы, до М300 и выше.

Сравнение расчетных значений прочности кладки из керамического кирпича пластического формования на традиционном растворе по нормам Великобритании, Германии и РФ

Сравнение прочности кладки при сжатии проведены по результатам сопоставления нормативных и расчетных значений прочности кладки из керамического кирпича пластического формования на тяжелых растворах (растворах общего назначения), приведенных в СП 15.13330.2020 (табл. 6.1) [1], DIN 1053-100 (табл. 4) [6], to Eurocode 6: Design of masonry structures [7] (рис. 5).

При сравнении были учтены следующие факторы.

Необходимо отметить, что в нормах Великобритании указана прочность кладки на двух типах стен, приведенных на рис. 6.

На рис. 6а показана кладка стены из кирпича или камня без продольного шва – с перевязкой только в продольном направлении. На рис. 6б приведены примеры двух видов кладки стен с продольным швом – с перевязкой кладочных изделий в поперечном и продольном направлениях.

Проведенные испытания показали, что прочностные характеристики этих кладок существенно отличаются. Прочность кладки при сжатии без продольного шва и без поперечной перевязки на 23–24 % превышает прочность кладки с продольным швом и поперечной перевязкой.

В соответствии с российскими стандартами испытания кладки на прочность проводятся на столбах с поперечной и продольной перевязкой. Сравнение результатов испытаний показало, что прочность кладки стенок без продольного шва и без поперечной перевязки превышает прочность кладки на столбах (рис. 6в) на 19–20 %.

Сравнение проведено по нормативным и расчетным значениям прочности кладки с продольным швом и поперечной перевязкой (рис. 6б, в).

В табл. 1–3 приведены нормативные значения прочности кладки из керамического кирпича пластического формования пустотностью до 27 % по нормам Великобритании, Германии и РФ.

В табл. 4–5 приведены значения коэффициента γ_M для предельного состояния по несущей способности по нормам Великобритании и Германии.

В табл. 2 (немецкие нормы) указаны значения класса кирпича по прочности и соответствующая марка.

В табл. 3 (российские нормы) приведены нормативные значения прочности кладки, подсчитанные по формуле проф. Л. И. Онищика.

Проведенное при выполнении данной работы сравнение норм Великобритании, Германии и России показало, что расчетные значения прочности кладки в нормах европейских стран меньше, чем в нормах РФ за счет более высоких коэффициентов запаса γ_M, принятых в EN.

Таблица коэффициентов γ_M для предельного состояния по несущей способности в немецких нормах соответствует таблицам, приведенным в EN.

В нормах Великобритании даны более высокие коэффициенты запаса, а также учитывается класс контроля исполнения работ.

Пояснение к таблицам

В EN, в т. ч. в нормах Великобритании и Германии (табл. 1 и 2), приняты следующие обозначения для кладочных изделий и условий эксплуатации.

– Категория 1 – кладочные изделия с декларированной и гарантированной (95 %) прочностью.

– Категория 2 – кладочные изделия с декларированной, но не гарантированной прочностью.

– Группа 1 кирпича и камня керамического пустотностью до 25 %.

В немецких нормах, так же, как и в EN, при определении γ_M учитывается класс окружающей среды (условия эксплуатации) – 1–5.

Приготовленный по оценке пригодности кладочный раствор учитывает требования к условиям эксплуатации. Состав и технологию изготовления такого раствора производитель подбирает таким образом, чтобы достигнуть определенных свойств и величин – в основном прочность, учитывая также паропроницаемость, морозостойкость, теплопроводность.

Кроме того, при определении прочности кладки учитывались различные размеры образцов при определении прочности раствора, используемые в российских и европейских нормах.

Приготовленный по рецептуре кладочный раствор определяется как раствор с заданными пропорциями. Свойства раствора определяют пропорциями составляющих компонентов, затем по изготовленным образцам определяют прочность раствора.

Сравнение проводится по результатам испытаний образцов с продольным швом (с поперечной перевязкой рядов кладки).

При построении нормативных и расчетных кривых, наглядно характеризующих изменение значений прочности кладки в зависимости от прочности кирпича и раствора по нормам Великобритании, Германии и РФ, приняты следующие положения:

– Сравнение проведено по нормативным и расчетным значениям прочности кладки с продольным швом и поперечной перевязкой кладки (рис. 7, 8).

– В нормах Великобритании приведены значения кладки с продольным швом (с поперечной перевязкой) (табл. 1). Сравнение показывает, что прочность кладки без поперечной перевязки (без продольного шва) в 1,23–1,25 раза выше прочности кладки, в которой имеется продольная и поперечная перевязки.

– При определении нормативных значений прочности кладки с продольным швом и с поперечной перевязкой по немецким нормам (табл. 2) класс кирпича по прочности пересчитан в марку.

– Проведена корректировка прочности кладки по нормам по нормам РФ, Германии и Великобритании с учетом различных размеров образцов при определении прочности раствора.

– Сравнение проведено на примере прочности кладки из керамического кирпича пластического формования М100 пустотностью до 27 %.

Заключение

На рис. 7 и 8 видно, что в нормах РФ расчетные значения прочности кладки для кладки из кирпича категории 2 (соответствующей российским нормам) с учетом коэффициентов надежности по материалу γ_M выше кривых расчетных значений прочности кладки, используемых в европейских странах (в т. ч. в нормах Германии и Великобритании).

В нормах РФ значения прочности кладки, выполненной из кирпича категории 2 (соответствующей российским стандартам), с учетом коэффициентов надежности по материалу γ_M превышают расчетные значения прочности, приведенные в европейских стандартах (в т. ч. в нормах Германии и Великобритании). В российских нормах приняты более высокие расчетные значения прочности кладки.

Принятое решение в целях повышения надежности возводимых зданий и сооружений и гармонизации российских и европейских норм и стандартов о снижении на 10 % расчетных сопротивлений сжатию кладки из керамического кирпича пластического формования (при определении его прочности при сжатии со шлифованием опорных поверхностей) следует считать обоснованным.