К вопросу о коэффициенте термической деформации влажной каменной кладки при отрицательных температурах

Каменная кладка является конструктивно неоднородным материалом, в котором основной объем занимает керамический камень, имеющий весьма разнообразный минеральный состав, в котором присутствуют кристаллические новообразования, стеклофаза, остатки исходных тугоплавких компонентов, характеризующиеся коэффициентами термического расширения. Чем более неоднороден минералогический состав камня, тем больше вероятность появления начальных микротрещин в керамическом камне при перепадах температуры в процессе его работы в составе кладки. Микротрещины в камне могут появиться уже в период остывания после термической обработки в процессе его изготовления (при нарушении технологии изготовления).

Любой строительный материал, включая каменную кладку, испытывает деформации (изменяет объем и линейные размеры) при нагреве или охлаждении. Величина этих деформаций зависит от коэффициента теплового расширения – физической величины, характеризующейся относительным изменением линейных размеров каменной кладки с изменением температуры на 1 °C (К).

Смысл коэффициента линейной термической деформации (КЛТД) характеризует выражение:

(1)

где l₀ – исходный размер образца;

l_T – размер образца после нагрева;

T₀ – исходная температура;

T – конечная температура нагрева.

Значения КЛТД для кладки приведены в российских и зарубежных нормах: СП 15.13330.2020 [1], СП 327.1325800.2017 [2], EN 1996-1-1 [3]. Исследованиям КЛТД каменной кладки посвящены работы [4–6] и др.

Для удобства сравнения значений КЛТД кладки в воздушно-сухом состоянии данные из различных источников сведены в табл. 1. Ввиду того, что каменная кладка является конструктивно неоднородным материалом с явно выраженными ортотропными свойствами, приведены значения КЛТД поперек и вдоль рядов кладки.

В данной статье использованы материалы лабораторных исследований КЛТД кирпичных кладок, приведенные в работе [6], а также материалы, в нее не включенные.

Каменная кладка является двухкомпонентным композитным материалом. Для определения его средневзвешенного значения КЛТД воспользуемся формулой, предложенной Г. И. Горчаковым в работе [7] для пористого материала, применительно к каменной кладке, включающей два разнородных материала (кирпич и кладочный раствор):

(2)

где α_tb, α_tm – КЛТД кирпича и раствора;

V_b, V_m – объем, занимаемый кирпичами и раствором в образце кладки;

КТД – модуль объемной деформации кирпича;

 – модуль объемной деформации раствора кладки;

 – модуль объемной деформации раствора кладки;

Е_b, Е_m – модули деформации кирпича и раствора;

ϑ_b, ϑ_m – коэффициенты Пуассона кирпича и раствора.

Подставляя значения полученных механических и геометрических характеристик лабораторных образцов из эксперимента в работе [6], получим:

α_tb = 5,5 × 10 ⁻⁶ ℃ ⁻¹ из [8], α_tm = 10 × 10 ⁻⁶ ℃ ⁻¹ по данным работы [8];

V_b = 0,1014 м³, V_m = 0,0209 м³; Е_b = 4000 МПа, Е_m = 10 000 МПа; ϑ_b = 0,15, ϑ_m = 0,2;

Рассчитанное значение КЛТД практически совпадает с экспериментальными данными из работы [6] для кладки из полнотелого керамического кирпича (табл. 1), что может служить подтверждением достоверности результатов экспериментальных исследований автора.

Для пористых материалов, таких как каменная кладка или бетон, их КЛТД при увлажнении с последующим замораживанием не является неизменным.

Многие исследователи КЛТД бетона при его замораживании при различных значениях влажности отмечают, что графики зависимости деформаций при его замораживании носят криволинейный характер. Обширные исследования свойств замороженного бетона проведены и представлены в работе [9], исследованиям бетонов при замораживании посвящены труды ряда других исследователей.

Криволинейный характер развития деформаций бетона при замораживании объясняется фазовым переходом воды, находящейся в порах и капиллярах, из одного агрегатного состояния в другое. Рост кристаллов водяного льда сопровождается увеличением его объема, а также изменением соотношения и миграцией влаги в различных фазах (лед, переохлажденная вода и пар) в порах. При этом процессы миграции влаги наряду с температурой замораживания существенно изменяют соотношение указанных фазовых состояний в каждый момент времени. То есть термонапряженное состояние замораживаемого бетона является нестационарным. Кроме того, при определенных соотношениях влажности и отрицательной температуры бетона КЛТД является отрицательным. То есть при охлаждении линейные размеры бетонного образца могут увеличиваться. Покажем в качестве примера приведенный в СП 52-105-2009 [10] рисунок с графиками для определения КЛТД (рис. 1), по которым можно определить значения КЛТД при замораживании и оттаивании для различных значений влажности бетона при разных температурах.

Исследований каменной кладки при отрицательной температуре крайне мало. Работа автора М. А. Мурого [6] позволяет судить о значительных изменениях КЛТД для кладок из различных камней на цементно-песчаном растворе при различных значениях ее влажности и отрицательных температурах. На рис. 2 показаны лабораторные образцы кладки из силикатных и керамических камней, на которых проводились исследования КЛТД. Графическая интерпретация результатов исследований КЛТД кладки из керамических полнотелых и щелевых кирпичей на цементно-песчаном растворе показана в табл. 2.

При статистической обработке результатов экспериментальных данных получены универсальные кусочно-линейные функции для определения КЛТД каменной кладки из полнотелого и щелевого керамического кирпича. В табл. 2 представлены функции КЛТД двух переменных (w – влажности и T – температуры). Учтен тот факт, что кладка является конструктивно-ортотропным материалом. Функции КЛТД вдоль рядов и поперек рядов кладки различны.

Исследования КЛТД в работе [6] были ограничены техническими возможностями при замораживании образцов и ограничивались температурой минус 20 °C. Проявления эффекта гистерезиса при определении КЛТД (при полном цикле замораживания и оттаивания) кладки, который имеется у бетона, не выявлено. Но это не означает, что он не будет выявлен при замораживании кладки до более низких температур и исследованиях кладки из камней других материалов и других заводов-производителей.

Вывод

На основании данных экспериментальных исследований образцов каменной кладки, приведенных в работе [6], получены графические и эмпирические математические зависимости КЛТД в виде кусочно-линейных функций двух переменных для замораживаемой кладки при ее влажности в диапазоне от воздушно-сухой до w = 12 %. Данные функции позволяют задавать КЛТД каменных конструкций в явном виде при расчетах на термические воздействия с использованием современных программных комплексов для математического анализа.