Усиление кирпичной кладки инъекцией метилметакрилата

Введение

Усиление кирпичной и каменной кладки инъекцией раствора под давлением является одним из основных способов восстановления монолитности кладки, а в ряде случаев – и повышения несущей способности.

В рекомендациях ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко [1][2], разработанных на основе экспериментов В. П. Ворониной [3] и действовавших в развитие СНиП II-22-81* «Каменные и армокаменные конструкции» [4], рассматривалось усиление кладки с трещинами инъекцией раствора под давлением. Для кладки из керамического кирпича на растворе прочностью 3,9–5,7 МПа при усилении инъекцией цементно-песчаных растворов увеличение прочности кладки принято в 1,13–1,25 раза. При усилении полимерцементными растворами рост прочности кладки принимается в 1,25–1,37 раза при прочности кладочного раствора 5,2–7,9 МПа. При усилении кладки с трещинами на растворе прочностью 7,3–11,5 МПа и раствором на основе эпоксидной смолы увеличение прочности кладки принято в 1,6–1,8 раза.

В 1991 г. были выпущены методические указания по технологии инъекционного укрепления каменных кладок памятников архитектуры [5].

В работе [6] исследовались прочность и деформации кирпичной кладки, усиливаемой инъекцией раствора фурановой смолы. При прочности кладочного раствора 1–2,5 МПа в зависимости от способа приложения нагрузки увеличение прочности усиленной кладки по сравнению с неусиленной составило 63 %. В то же время при прочности раствора 7,5–11 МПа эффект от усиления оказался ниже и составил 37,5 %. Это относилось к усилению образцов кладки как с трещинами, так и без них. В выводах автор рекомендует принять коэффициент условий работы для всех случаев нагружения и при разных прочностях кладочного раствора 1,2.

В работе Л. В. Дубровской приведены результаты усиления кладки памятников Казахстана, выполненной из необожженного кирпича на лессовом растворе инъекцией гипсового раствора [7].

В 2006 г. авторами данной работы опубликована статья [8], подводившая итог проведенным работам по усилению кирпичной кладки инъекцией полимерцементного раствора с добавками извести. Было показано, что «…несущая способность кладки с силовыми трещинами после ее усиления инъекцией может увеличиться по сравнению с первоначальной до 30 %, чего нельзя сказать о кладке без трещин… Инъекция кладки имеет смысл только при наличии там трещин, пустот, незаполненных швов и т. п. В противном случае эффект при очень частом устройстве отверстий для подачи раствора будет в лучшем случае нулевым. В худшем случае кладку можно ослабить. И уж совсем неправильным будет после проведения такого «усиления» увеличивать расчетное сопротивление кладки…».

В 2008 г. авторами были проведены испытания кладки из керамического кирпича, сложенной на цементно-песчаном и известковом растворах [9], усиленной инъекцией эпоксидной смолой производства итальянской фирмы Globalchimica S.R.L. Эффект от усиления был получен при испытании образцов с множественными силовыми трещинами, полученными после испытания в прессе неусиленных образцов. Было установлено, что инъекционный раствор в образцах без трещин при растворах с низкой прочностью (до 0,2 МПа) распространялся в основном на незначительные расстояния по контакту между кирпичом и кладочным раствором. В образцах с трещинами инъекционный раствор распространялся практически по всей кладке. Авторы делают выводы, что эффективность усиления кладки методом инъекции зависит во многом от качества кладки, наличия или отсутствия неплотностей в растворных швах, пустот и трещин, а также прочности кладочного раствора.

В СТО 36554501-010-2008 [10], разработанном на основе проведенных исследований, для участков кладки с трещинами, расстояние между которыми не превышает 15–20 см, коэффициент увеличения прочности кладки, усиленной инъекцией эпоксидной смолы, рекомендуется принять равным 3,0 при прочности кладочного раствора не более 0,2 МПа и 1,5 при растворах большей прочности.

В докладе авторов настоящей статьи на конференции в Германии в 2012 г. сообщалось об эффективности разработанных составов для усиления исторической кладки инъекцией под давлением раствором на основе гидравлической извести с минеральными добавками на основе микродура [11].

В работе А. А. Шилина [12] приведены различные составы инъекционных растворов, в том числе для каменной кладки.

В работе (2017 г.) [13] подведен итог испытаний кладки из исторического и современного кирпича, усиленной различными составами.

В СП 427.1325800.2018 [14] были внесены основные положения по усилению кладки методом инъекции. Указано, что повышение несущей способности кладки при усилении инъекцией возможно только при наличии множественных силовых трещин (терминология авторов), характеризующихся тем, что расстояние между ними не должно превышать 15–20 см (рис. 1). В противном случае усиление следует считать конструктивным, направленным на обеспечение монолитности кладки. В развитие этого СП были разработаны «Методические указания по усилению каменной кладки, в том числе исторических зданий, инъекцией раствором» [15].

В работе [16] (2018 г.) приведены результаты испытаний кирпичной кладки, усиленной методом инъекции на центральное сжатие по методике ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. Для каждого вида раствора было изготовлено по два образца кладки. Установлено, что при инъекции раствором Макфлоу прочность кладки увеличивалась на 25–30 % по сравнению с неусиленной кладкой, а при инъекции Микродур R-X/E – на 80 %. В работе [17] (2023 г.) приводятся результаты испытаний тех же образцов, описанных в [16].

В работе [18] исследовалась возможность оценки прочности усиленной и неусиленной инъекцией кладки по прочности извлекаемых из стены на разных ее участках кернов. Приведенная в статье методика представляется спорной.

Проводимые за рубежом исследования по усилению кирпичной кладки методом инъекции и разрабатываемые на их основе рекомендации направлены, в первую очередь, на повышение монолитности кладки. При этом увеличение прочности кладки, усиленной методом инъекции, в этих документах не регламентируется.

В настоящей работе приводятся результаты проводившихся авторами исследований прочности кладки, усиленной инъекцией метилметакрилата, которые входят в комплексную программу, начатую еще в 2004 г. и продолжающуюся по настоящее время.

1. Экспериментальные исследования усиления кладки инъекцией метилметакрилата

1.1. Исследования усиления кладки инъекцией метилметакрилата без трещин

1.1.1. Материалы для кладки. Методика проведения испытаний кладки

Все образцы изготавливались из полнотелого керамического кирпича. Образцы № 25 и 26 были изготовлены из кирпича марки 75 на растворе прочностью на сжатие 0,8 МПа. Образец № 8 изготовлен из кирпича марки 175. Образец № 9 изготовлен из исторического кирпича прочностью 7,5 МПа на известковом растворе прочностью 0,8 МПа.

Образцы испытывались в гидравлическом прессе, деформации кладки измерялись индикаторами с ценой деления 0,01 мм.

Верхняя плита пресса была оборудована шаровым шарниром, нижняя заклинена. Нагрузка подавалась этапами, равными примерно 0,1 от разрушающей нагрузки. После подачи нагрузки на каждом из этапов производилась выдержка длительностью по 3 минуты.

1.1.2. Методика усиления образцов кладки без трещин

В образцах без трещин отверстия бурились под углом к горизонту таким образом, чтобы пересекались и вертикальные, и горизонтальные растворные швы. Раствор метилметакрилата подавался под давлением.

1.1.3. Характер разрушения опытных образцов, усиленных без трещин

Разрушение образцов происходило в результате образования вертикальных трещин, разделяющих ее на отдельные столбики. Фотографии образцов после их испытаний приведены на фото в табл. 1.

1.1.4. Упругие свойства кладки, усиленной без трещин

На рис. 2 и 3 приведены графики зависимости относительных вертикальных деформаций кладки для образцов из кирпича марки М175 и М75 от относительного уровня обжатия. Из них видно, что нелинейные составляющие вертикальных деформаций относительно невелики. Графики горизонтальных деформаций имеют более ярко выраженную нелинейную зависимость.

1.1.5. Распространение метилметакрилата в кладке без трещин

Исследовалось распространение метилметакрилата по кладке. Следует отметить, что при закачке метилметакрилата достичь требуемого давления 20 атм., как это практикуется при инъекции в бетон, не удавалось, т. к. раствор выходил на поверхность по неплотным растворным швам.

Проведенные тестовые испытания на малых образцах (растворных кубах и отдельных кирпичах) показали, что при отсутствии давления метилметакрилат распространяется по этим материалам на незначительное расстояние от отверстий, не превышающее нескольких сантиметров (рис. 4).

Из рис. 5 и 6 видно, что в образцах-столбах без трещин метилметакрилат также распространялся на относительно небольших участках, расположенных вблизи отверстий, через которые производилась его подача.

1.2. Исследование усиления кладки с трещинами инъекцией метилметакрилата

1.2.1. Материалы и методика проведения испытаний кладки

Для исследований был применен тот же полнотелый керамический кирпич и кладочный раствор, что и в образцах № 25 и 26 в первой серии испытаний усиленных без трещин образцов. Методика испытаний идентична приведенной в разделе 1.1. После испытаний в прессе образцы, получившие трещины, усиливались методом инъекции.

1.2.2. Результаты испытаний

Фотографии образцов после первого и второго этапов испытаний приведены в табл. 2. После первого этапа испытаний трещины в кладке появились достаточно равномерно, как и в образцах-близнецах из первой серии испытаний № 25 и 26. Предельная нагрузка у всех образцов оказалась практически одинаковой (94 тс).

После второго этапа испытаний предельные нагрузки существенно различались (в 1,5 раза), превышая предельные усилия в неусиленных образцах в 1,38–2,1 раза.

Основные трещины и сколы наблюдались в верхней части образцов.

1.2.3. Распространение метилметакрилата в кладке с трещинами

Благодаря трещинам распространение метилметакрилата по телу кладки было существенно выше, чем в образцах без трещин. Косвенно об этом говорит тот факт, что расход метилметакрилата во втором случае был в среднем в 3,7 раза выше. Вместе с тем вследствие большой текучести метилметакрилата происходило его стекание в низ образца, что привело к тому, что прочность нижней части кладки оказалась выше, чем верхней. Выполненные вскрытия кладки после испытаний образцов подтвердили неравномерность распространения метилметакрилата (рис. 7).

Выводы

1. Технология усиления кладки инъекцией метилметакрилата существенно отличается от технологии усиления бетона, где возможно обеспечить высокое давление и благодаря этому – хорошее распространение по телу бетона.
2. Инъекция метилметакрилата в кладку, не имеющую трещин, не гарантирует повышения ее несущей способности и потому не рекомендуется.
3. Инъекция метилметакрилата в кладку с множественными силовыми трещинами позволяет повысить ее несущую способность.
4. Вследствие большой текучести метилметакрилата инъекцию следует проводить ярусами по высоте не более 50 см, начиная следующий ярус уже после полимеризации на нижнем ярусе.
5. Учитывая большой разброс прочности, рекомендуется коэффициент увеличения прочности кладки, усиленной с трещинами, по отношению к прочности аналогичной неусиленной кладки, не имеющей трещин, принимать по нижней границе равным 1,2 при прочности кладочного раствора 5 МПа и выше.