Исследования прочности и деформаций исторической кладки

Введение

При реконструкции и ремонте зданий с каменными конструкциями важно знать как прочностные характеристики кладки, так и деформационные. Неверная оценка деформационных характеристик кладки стен, столбов и т. д. может привести к некорректной оценке величины усилий, перераспределяемых между ними.

В настоящей работе приводятся результаты испытаний 16 образцов. Из них 9 образцов усиливались после первого этапа испытаний и испытывались вновь. Таким образом, количество испытаний образцов составило 25. Результаты испытаний усиленной кладки инъекцией раствора на втором этапе, в том числе в сочетании с косвенным армированием, приведены в работах авторов [1–4].

Было проведено пять серий испытаний на центральное сжатие равномерно распределенной нагрузкой и одна серия на местное сжатие.

Зависимость прочности кладки от прочности кирпича и раствора

Л.И. Онищиком [5] предложена формула зависимости прочности кладки при одноосном сжатии от прочности кирпича и раствора:

γ, (1)

где R_u – предел прочности кладки на сжатие;

R₁ – предел прочности кирпича на сжатие;

R₂ – предел прочности раствора на сжатие;

a = 0,2; b = 0,3; m = 1,25; n = 3 – эмпирические коэффициенты, принимаемые по [5].

Коэффициент γ в (2) применяют при определении прочности кладки на растворах марок 25 и ниже.

А – коэффициент, показывающий степень использования в кладке прочности кирпича на сжатие, принимаемый по наименьшему значению, полученному по (2а), (2б), (2в):

A = min , 

где R_ub – предел прочности кирпича при изгибе;

R_u,sh – предел прочности кирпича при срезе.

Поскольку между R_ub и R_u,sh существует корреляционная зависимость, со временем было принято решение отказаться от оценки коэффициента А по формуле (2в). Коэффициент γ в (1) применяют при определении прочности кладки на растворах марок М25 и ниже. В нашем случае для кладки из кирпича γ = 1.

В работе В.П. Некрасова [6] показано, что при пластичных глиняных и известковых растворах, сглаживающих неровности растворной постели, влияние качества разравнивания раствора в меньшей степени влияет на прочность кирпичной кладки. Для менее пластичных цементных растворов было предложено ввести понижающий коэффициент 0,7.

В работе американского исследователя Л.Б. Лента [7], напротив, показано, что в случае пластичных известковых растворов качество кладки сказывается в большей степени, чем в случае цементно-известковых.

В работах В.А. Камейко, С.А. Семенцова [8] и Л.И. Онищика [9] показано, что качество изготовления кладки, которое можно оценить коэффициентом k_{рука кам}, может изменяться в пределах от 0,9 для малоквалифицированных каменщиков до 1,55. Начиная с 1949 г. в нормативных документах [10, 11] прочность кладки, определенная по формуле Л.И. Онищика, принята при k_{рука кам} = 1. В работе Л.И. Онищика [12] приведены переводные эмпирические коэффициенты на различные формы и масштабы опытных образцов, которые мы обозначили k_м. Подставив в (1) коэффициенты k_{рука кам} и k_м, получим видоизмененную формулу Л.И. Онищика:

  (3)

Следует отметить, что неучет качества изготовления кладки, формы и габаритов образцов является типичной ошибкой при проведении многих экспериментальных исследований. Учет этих факторов следует внести и в ГОСТ [13] по испытанию кладки на сжатие.

1. Серии М1 и М1Иэп-тр

1.1. Материалы и методы экспериментальных исследований

Конструкции и материалы экспериментальных образцов

Образцы серий М1 и М1Иэп-тр имели габариты 0,25 × 0,38 × 0,9 м (рис. 1). Образцы выполнялись из кирпича, отобранного с ЦВЗ «Манеж» (далее – «Манеж»), марки М50 на известковом растворе прочностью на сжатие R₂ = 0,8 МПа. При этом предварительно известковое тесто выдерживалось в залитой водой емкости более одного года. На рис. 1 показаны подготовленные к испытаниям образцы серии М1.

Методика проведения испытаний

Образцы испытывались равномерно распределенной нагрузкой на центральное сжатие в гидравлическом прессе (рис. 2). Верхняя плита пресса была оборудована шаровым шарниром, нижняя – заклинена.

Вертикальные и горизонтальные деформации определялись по перемещениям, измеряемым индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм.

Образцы серии М1 испытывались в один этап. Образцы серии М1Иэп-тр, получившие трещины после испытания на первом этапе, усиливались инъекцией. Результаты испытаний усиленных образцов на втором этапе приведены в [2].

1.2. Результаты испытаний образцов кладки серий М1 и М1Иэп-тр

Характер разрушения опытных образцов

Первые трещины появлялись при уровне нагрузки 0,6–0,8 от предельного значения N_u. Трещины были преимущественно вертикальные и проходили по всей высоте образцов. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Прочность кладки

Среднее значение временного сопротивления кладки сжатию R_u у образцов с индексом «с», сложенных первым каменщиком (табл. 1), составило 2,2 МПа, а у образцов с индексом «д», сложенных вторым каменщиком, оно равно 1,8 МПа. При этом оба каменщика работали одновременно и пользовались раствором, замешенным в одной емкости. Таким образом, влияние квалификации каменщика («руки каменщика») составило более 20 %.

Упругие свойства кладки

На рис. 3 приведены зависимости вертикальных деформаций кладки от относительного уровня ее обжатия.

Предельные вертикальные деформации кладки ε_u составили 0,47 × 10^-2. Горизонтальные предельные деформации ε_г,u оказались существенно выше (-1,1 × 10^-3).

Модуль упругости кладки Е₀ при уровне нагрузки N = 0,2N_u, когда нелинейные деформации еще невелики, составил 636 МПа.

Упругая характеристика кладки α, являющаяся коэффициентом пропорциональности между модулем упругости и временным сопротивлением R_u, равна:

Α = Е₀/R_u = 300. (4)

Значения коэффициента поперечного расширения кладки (коэффициента Пуассона) при различных уровнях нагрузки приведены в табл. 2.

2. Серия М3

2.1. Материалы и методы экспериментальных исследований

Из кирпича «Манеж» М50 на растворе прочностью на сжатие R₂ = 6,6 МПа были изготовлены три образца с габаритами в плане 12 × 24 см (рис. 4).

Методика проведения испытаний была аналогичной для образцов серии М1.

2.2. Результаты испытаний образцов

Характер разрушения опытных образцов

Первые трещины появлялись при уровне нагрузки 0,7–0,9 от предельного значения N_u. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Прочность кладки

Прочность кладки R_u, средняя из испытаний трех образцов, с учетом масштабного коэффициента, равного 0,75, составила 4,1 МПа.

Упругие свойства кладки

Предельные деформации составили в среднем для трех образцов 0,47 × 10^-2. Средний для трех образцов модуль упругости Е₀ = 1188 МПа, упругая характеристика кладки α = 286.

3. Серии М2, БТ-Иэп-тр

3.1. Материалы и методы экспериментальных исследований

Образцы имели габариты в плане 0,38 × 0,51 × 1,2 м и 0,42 × 0,57 × 1,2 м. Кладка образцов серии М2 велась из кирпича «Манеж» на растворе прочностью 3,3 МПа. Кладка образцов серии БТ-Иэп-тр велась из отобранного с Большого театра кирпича М100 и М50 на растворе низкой прочности 0,2 МПа. Образцы испытывались на центральное сжатие в гидравлическом прессе (рис. 5а).

3.2. Результаты испытаний

На рис. 5б приведена фотография образца серии БТ-Иэп-тр после первого этапа испытаний (до усиления). Разрушение происходило в результате образования вертикальных трещин, проходящих по кирпичу и вертикальным растворным швам. Трещины развивались равномерно по всей высоте образца, разделяя его на отдельные вертикальные столбики. Среднее значение временного сопротивления кладки из кирпича марки М100 составило 1,0 МПа, а из кирпича М50 – 0,8 МПа для образцов серии БТ-Иэп-тр и 3,0 МПа для образцов серии М2. В качестве примера на рис. 6 приведена зависимость вертикальных деформаций кладки от относительного уровня ее обжатия для образа серии БТ-Иэп-тр.

Предельные деформации кладки из кирпича М100 составили 3,2 × 10^-3 – 4,5 × 10^-3 и из кирпича М50 2,5 × 10^-3. На рис. 6 приведен средний для образцов серии БТ-Иэп-тр график зависимости вертикальных деформаций кладки от относительного уровня ее обжатия. Упругая характеристика кладки α составила 818.

4. Образцы серий М4-ЦС и М5-МС

4.1. Материалы и методы экспериментальных исследований

Конструкции и материалы экспериментальных образцов

Образцы выкладывались из кирпича «Манеж» марки М50. Забутовка (внутренний слой кладки), обычно имеющая меньшую прочность по сравнению с лицевыми слоями, по свойствам была идентична образцам серии М1, выкладывалась на растворе прочностью 0,8 МПа и имела сечение в плане 0,25 × 0,38 м. Лицевые слои по свойствам были идентичны образцам серии М3, выкладывались на растворе прочностью 6,6 МПа и имели толщину по 0,12 м (рис. 7).

Перевязка забутовки и лицевых слоев осуществлялась через пять рядов кладки (рис. 8). Габариты образцов в плане составили 0,38 × 0,51 м, высота – четырнадцать рядов кладки (1,2 м).

Образцы обеих серий испытывались в два этапа. Получившие трещины на первом этапе образцы усиливались инъекцией раствора с добавкой гидравлической извести и косвенным армированием. В настоящей статье приведены результаты испытаний образцов на первом этапе.

Образцы серии М4-ЦС испытывались равномерно распределенной нагрузкой. Индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм измерялись вертикальные перемещения. Образцы серии М5-МС были испытаны на местное сжатие с передачей нагрузки через стальную плиту шириной 25 см, уложенную по оси симметрии образца. Индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм измерялись вертикальные перемещения в двух уровнях по высоте образцов.

4.2. Результаты испытаний образцов серии М4-ЦС (первый этап)

Характер разрушения опытных образцов серии М4-ЦС

Первые трещины появились на широких гранях по вертикальным швам между забутовкой и лицевыми слоями, а также по вертикальному шву между перевязочными кирпичами в двух верхних рядах кладки при уровне нагрузки 40–50 % от предельного значения. При уровне нагрузки 60–70 % от предельной появились трещины в лицевых слоях. Разрушение происходило в результате образования по всем граням вертикальных трещин (рис. 9).

Прочностные характеристики кладки образцов серии М4-ЦС

Средняя величина предельного вертикального усилия N_u составила 0,8 МН.

Упругие свойства кладки образцов серии М4-ЦС

На рис. 10 приведены эпюры вертикальных деформаций в образце № 1-4д. С ростом нагрузки деформации кладки забутовки все более превышают деформации лицевых слоев.

4.3. Результаты испытаний образцов серии М5-МС (первый этап)

Характер разрушения опытных образцов серии М5-МС

Первые видимые трещины образовались при уровне вертикального усилия 0,4N_u в вертикальных растворных швах по оси приложения усилия и по границам забутовки в верхней части образца. При уровне усилия 0,86N_u произошло практически полное отделение лицевых слоев от забутовки, за исключением нижней части образца. Таким образом, по мере роста нагрузки происходило выключение из работы кладки лицевых слоев вследствие их отделения от забутовки по их границам вертикальными трещинами в верхней части образца (рис. 11). По боковым граням в лицевых слоях в их верхней части произошло раскрытие горизонтальных растворных швов.

Прочностные характеристики кладки

Предельное вертикальное усилие N_u для образцов серии М5-МС на первом этапе испытаний составило 0,34 МН. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Деформации кладки образцов серии М5-МС

После образования трещин между забутовкой и лицевыми слоями деформации кладки лицевых слоев в верхней части образца по боковым граням несколько уменьшились и стали еще более отличаться от деформаций забутовки. В нижней части образца деформации отличались между собой не столь значительно вплоть до разрушения образцов (рис. 12).

5. Анализ результатов исследований

5.1. Сравним несущую способность кладки из исторического кирпича М50 на известковом растворе прочностью R₂ = 0,8 МПа серии М1 с несущей способностью кладки из современного керамического кирпича той же марки.

Для кладки из кирпича «Манеж» прочностью на сжатие R₁ = 6,2 МПа и изгиб R_b = 1,4 МПа конструктивный коэффициент А в (1) принимаем по изгибу (2б) как по наименьшему значению, равному 0,48. Коэффициент γ в (1) принимаем равным 1.

Отсюда прочность кладки по (1) равна:

 = 1,3 МПа.

Это значение в 1,7 раза меньше полученного с учетом масштабного коэффициента k_м = 0,91 экспериментального значения R_u = 2,2 МПа.

Аналогично подсчитаны по (1) значения прочности кладки для образцов серий М3 и БТ-Иэп-тр. Для образцов серии М3, выполненной на растворе R₂ = 6,6 МПа, экспериментальные значения R_u = 4,1 МПа превышают приведенные в нормах в 2 раза. Для образцов серии БТ-Иэп-тр, выполненной на растворе R₂ = 0,2 МПа, экспериментальные значения R_u = 1,0 МПа превышают приведенные в нормах в 1,7 раза, однако в силу ограниченного количества образцов это значение рассматриваем как предварительное.

На рис. 13 показаны графики зависимости прочности кладки R_ult из исторического кирпича (кривая 1), полученные из эксперимента, и современного кирпича (кривая 2), подсчитанные по формуле (1), от прочности кладочного раствора R₂.

Принимая в запас максимально возможную величину коэффициента k_{рука кам} = 1,55, получаем превышение прочности испытанной кладки по отношению к полученной по формуле (3) на 10 %. В этой связи рекомендовано для кладки из исторического кирпича М50 на растворах прочностью М10–М50 ввести повышающий коэффициент 1,1.

5.2. Упругая характеристика кладки α = 300 для образцов из кирпича М50 на известковом растворе прочностью R₂ = 0,8 МПа и α = 286 для образцов из кирпича М50 на растворе цементно-известковом прочностью R₂ = 6,6 МПа. Таким образом, для практического применения для испытанной кладки из исторического кирпича на растворах прочностью 0,8–6,6 МПа может быть принято α = 300.

5.3. Коэффициент поперечного расширения кладки (коэффициент Пуассона) из исторического кирпича, выполненной на известковом растворе, ν = 0,14 при уровне вертикальных напряжений σ = 0,2R_u. При уровне напряжений, равном расчетному сопротивлению кладки R = 0,5R_u, коэффициент ν = 0,52.

5.4. Упругая характеристика кладки α = 800 для образцов из кирпича М50–М100 на слабом жестком растворе без добавок извести прочностью R₂ = 0,2 МПа, что может иметь место при выветренном растворе на участках ремонта кладки (например, вокруг оконных и дверных проемов).

5.5. При уровне равномерно распределенной нагрузки до 50 % от предельной была обеспечена совместная работа лицевых слоев с забутовкой. При местном приложении нагрузки отделение лицевых слоев от забутовки началось при уровне нагрузки 40 % от предельной.

5.6. Прочность кладки на сжатие целесообразно считать по видоизмененной формуле Л.И. Онищика (3) с введением в нее коэффициентов, учитывающих качество кладки (k_{рука кам}) и влияние габаритов (k_м).