ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ КЛАДКИ РАЗЛИЧНЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СРЕЗЕ

УДК 69.022

doi 10.24411/2221-0458-2020-10051

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ КЛАДКИ РАЗЛИЧНЫХ КАМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СРЕЗЕ

Монгуш А.А., Кара-сал Б.К., Чылбак А.А. Тувинский государственный университет, г. Кызыл

STUDY OF THE ADHESION STRENGTH OF MASONRY OF VARIOUS STONE

MATERIALS DURING CUTTING

A.A. Mongush, B.K. Kara-sal, A.A. Chylbak Tuvan State University, Kyzyl

В данной статье авторы исследуют прочность сцепления кладки при срезе (неперевязанное сечение) из различных каменных материалов. Выявление прочности сцепления камня и раствора кладки и повышение прочности сцепления элементов каменной кладки, возводимых в сейсмических районах, является актуальной проблемой.

Каменные конструкции - один из самых распространенных материалов, применяемых в строительстве зданий различного назначения. Кирпичная кладка хорошо работает на действие сжимающих усилий и значительно хуже воспринимает растягивающие, сдвигающие и изгибные усилия. Для оценки прочности кладки при действии сдвигающих усилий по неперевязанному шву (касательное сцепление) были изготовлены образцы из различных материалов. При проведении испытаний в процессе приложения сдвигающей нагрузки обжатия каменных материалов не проводилось.

Ключевые слова: каменная кладка; срез; сдвиг; прочность кладки на срез

In this article, the authors investigate the adhesion strength of masonry when cutting (non-bonded section) from various stone materials. Identification of the adhesion strength of stone and masonry mortar and increasing the adhesion strength of masonry elements erected in seismic areas is an urgent problem. To assess the strength of the masonry under the action of shear forces on an unbound seam (tangent coupling), samples were made from various materials. During the tests, no compression of stone materials was performed during the application of a shear load.

Keywords: masonry; shear; shear strength of masonry

Сильные землетрясения чреваты значительными разрушениями и многочисленными человеческими жертвами. В материалах о последствиях землетрясений имеется немало сведений, позволяющих судить о поведении каменных зданий при сейсмических воздействиях. Основными видами повреждений в таких зданиях являются трещины по растворным швам каменной кладки в разных направлениях. При растяжении и срезе кладка разрушается главным образом вследствие нарушения сцепления раствора с камнем. При слабых растворах или при камне малой прочности разрыв может произойти по шву или по камню.

Прочность сцепления раствора с кладочными элементами является важнейшей характеристикой, влияющей на трещиностойкость, прочность и долговечность каменной кладки. Данная характеристика играет важную роль в каменной кладке, работающей на осевое растяжение, срез и изгиб, а также при действии главных растягивающих напряжений, которые являются результатом работы каменных конструкций в условиях плоского напряженного состояния [1].

В СНиП П-22-81* «Каменные и армокаменные конструкции» прочность нормального и касательного сцепления зависит от прочности кладочного раствора, вида кладочного элемента (полнотелый или

пустотелый) и его материала (керамический или силикатный). При этом принимается, что прочность сцепления при повышении марки раствора выше 50 не изменяется. В ГОСТ 24992-2014 «Конструкции каменные. Метод определения прочности сцепления в каменной кладке» содержится методика оценки прочности сцепления в каменной кладке, основанная на испытании на осевое растяжение кладочных элементов, склеенных раствором. Данный метод испытаний позволяет установить прочность нормального сцепления раствора с кладочными элементами. Стандартизированная методика оценки прочности касательного сцепления в отечественных нормах отсутствует [1].

Сцепление раствора с кирпичом тем больше, чем выше прочность раствора и меньше его усадка при твердении. Для зданий и сооружений последствия землетрясения зависят от характеристик сейсмического воздействия (интенсивность, спектральный состав и т.д.), свойств грунтов, основания, района строительства, качества проектирования и строительства.

Оценить в целом реальное поведение зданий и сооружений при сейсмических воздействиях невозможно без анализа реального характера разрушения, сведений о свойствах материала конструкций и расчетных схемах. По сравнению с другими

строительными материалами (сталь, железобетон) кирпичная кладка не очень хорошо обладает запасами несущей способности, поскольку материал является хрупким. К таким относятся различные кладки, которые не обладают способностью к развитию пластических деформаций. Если при воздействии внешней нагрузки даже в течение нескольких секунд времени в таком материале возникает напряжение, превышающее предел упругости (который для хрупких материалов почти отвечает пределу прочности), то несущая способность материала уже исчерпывается и наступает его разрушение. Поэтому перегрузки, имеющие место при любом землетрясении, чрезвычайно опасны особенно для кирпичных кладок [2].

Опыт эксплуатации кирпичных зданий показывает, что при землетрясении в силу колебаний сооружения, между камнем и раствором возникают касательные усилия, которые вызывают работу кладки на срез. При недостаточном сцеплении камня с раствором происходит разрушение кладки по горизонтальному шву ступенчато.

В связи с вышеизложенной проблемой, выявление прочности сцепления камня и раствора кладки и повышение прочности сцепления элементов каменной кладки, возводимых в сейсмических районах, является

актуальной проблемой. Решение данной

проблемы требует оценки качества применяемых кладочных растворов и повышения монолитности кладки путем разработки специальных склеивающих материалов, которые обеспечивают прочное сцепление раствора с кирпичом.

Следует отметить, что в настоящее время для каменной кладки применяют различные виды природных и искусственных камней различной формы, внешним видом, поверхностью и плотностью, что сильно влияет на прочность сцепления между элементами стеновой конструкции.

Кроме того, известно, что кирпичная кладка не обладает достаточным запасом прочности и несущей способностью, поскольку является хрупким материалом, который не способен к развитию пластических деформаций. Поэтому, динамические усилия, возникающие при землетрясении, весьма опасны для стен из штучных материалов.

Для определения прочности сцепления камня и раствора использованы материалы, которые широко

распространены при возведении несущих стен в строительстве: керамический полнотелый кирпич, облицовочный керамический кирпич с круглыми пустотами, силикатный полнотелый кирпич, газобетонный кирпич автоклавного твердения.

Для изготовления кладочного раствора использован портландцемент марки М 400 и местный полевошпатный песок средней крупности (Мкр=2,1). Подвижность (осадка конуса) раствора равна 10-11 см. Соотношение цемента и песка 1:5. Для сравнительного анализа изготовлен цементно-песчаный раствор, содержащий 20% глины (от массы твердых компонентов) для повышения пластичности раствора. При выполнении работы использованы растворы на основе цемента и извести с применением песка Улуг-Хемского происхождения. В качестве добавок для повышения подвижности растворов использованы известь и глина. Соотношение компонентов 1:4; 1:5 и 1:6.

Для испытаний изготовлены опытные фрагменты кладки с применением сплошного полнотелого кирпича завода ООО «Адарон» марки М125.

Испытания на разрыв проводились с применением специального прибора,

Анализ результатов испытаний опытных образцов кладки из различных стеновых материалов и цементно-песчаного раствора показывает, что величина сопротивления срезу по

разработанного конструкторским бюро «Строй прибор из г. Челябинска.

Испытание проведено через 28 суток после полного твердения растворов.

Исследование проводилось на образцах-кирпичах натурального размера (250х120х65 мм) с приложением нагрузки вдоль шва. При этом кладка состоит из трех элементов, где средний кирпич имеет выступы на 60 мм. Толщина продольного шва 8-10 мм. Прочность самого раствора при сжатии через 28 суток составила 6,9-7,4 МПа (марка М50). Испытания проведены на гидравлическом прессе при статическом режиме нагружения, где величина силы подается постепенно. На рис. 1 и 2 приведены опытные образцы из сплошных полнотелых и облицовочных кирпичей.

В таблице 1 представлены результаты испытаний опытных образцов из различных видов каменных материалов.

неперевязанному шву (касательное сцепление) кладки колеблется в значительных пределах и зависит от вида поверхности камня [4].

Таблица 1. Результаты испытаний опытных образцов при срезе

№ Вид каменного материала Предел прочности при срезе, МПа Предел прочности при срезе по СНиПу II.7-81, МПа

1 Полнотелый керамический кирпич 0,15 0,16

2 Облицовочный кирпич с круглыми пустотами 0,22

3 Силикатный кирпич 0,13

4 Кирпичи из газобетона 0,18

5 Полнотелый кирпич (раствор с глиняной добавкой) 0,12

Рис. 1. Опытные образцы.

Кирпичи из полнотелого кирпича

Выявлено, что обыкновенный полнотелый кирпич с раствором имеет прочность сцепления при срезе 0,15 МПа, что чуть ниже стандартного требования. Вероятно, необходимо изменение состава раствора с увеличением доли цемента (вместо 1:5, используем 1:4). Добавление глины в раствор обеспечивает повышение пластичности и не позволяет прочному сцеплению цементной связки с зернами песка.

Кладка из силикатного кирпича имеет незначительную прочность сцепления (0,13 МПа), что связано с гладкой поверхностью кирпича. При этом при прессовании кирпича фактически получается плотная структура с низкой адгезией.

Достаточно высокую прочность в пределах 0,18 МПа имеет сцепление раствора с кирпичом из газобетона, что связано с шероховатой поверхностью камня кладки. Газобетонный кирпич на

Рис. 2. Опытные образцы.

Образцы из облицовочного кирпича

поверхности имеет поры диаметром от 1 до 4 мм, что в свою очередь создает препятствие к усилиям, действующим перпендикулярно к затвердевшему цементному камню в порах.

Наибольшая прочность между кирпичом и раствором наблюдается в случае применения пустотного

облицовочного камня (0,22 МПа).

К касательным усилиям при срезе противостоит затвердевший цементно-песчаный раствор, заполняющий пустоты. При этом, чем больше глубина попадания раствора, тем больше прочность сцепления.

Таким образом, в сейсмических районах лучше всего использовать пустотные керамические стеновые материалы, что обеспечивает прочное сцепление камня с раствором и повышает общую сопротивляемость кладки к динамическим усилиям. В качестве конструктивного метода повышения

прочности сцепления камня с раствором предложено применение камней с неровной поверхностью или поверхностью с пустотами. Установлено, что прочность сцепления раствора с камнем в 2-4 раза увеличивается при использовании кирпичей и камней с круглыми, квадратными и щелевыми пустотами, за счет заполнения пустот растворами, что вызывает дополнительные усилия при срезе.

Для кирпичных стен,

эксплуатируемых в сейсмических районах, наиболее опасными являются сдвиговые усилия, которые действуют наклонно и касательно. Обследование многих

Библиографический список

1. Демчук, И. Е. Исследование прочности сцепления

растворов в каменной кладке / И. Е. Демчук, В. Н. Деркач. - Текст : непосредственный // Вестник Брестского государственного технического университета. - 2012. - № 1. - С. 71 - 76.

2. Мажиев, Х. Н. Материалы и конструкции для повышения сейсмостойкости зданий и сооружений : системный подход : автореферат диссертации доктора технических наук : 05.23.05 / Мажиев Хасан Нажоевич. - Махачкала, 2011. -45 с.

3. Касимов, И. К. Повышение качества кладочных растворов для сейсмостойкого строительства / И. К. Касимов. - Текст : непосредственный // Строительные материалы. - 1991. - № 7. - С. 1821.

4.. Чылбак, А. А. Оценка прочности простенка на срез при действии горизонтальной сейсмической нагрузки / А. А. Чылбак. - Текст : непосредственный // Вестник ВСГУТУ, 2018. -№ 2(69). - С. 87-93.

поврежденных кирпичных стен и перегородок показало, что наклонные трещины образуются из-за недостаточной прочности сцепления камня с раствором при срезе. Для повышения прочности каменной кладки при действии горизонтальных и наклонных сил, необходимо увеличить прочность сцепления раствора камнем и адгезию растворов, что достигается подбором состава растворов с применением местных сырьевых материалов и различных добавок минеральной и органической основы, а также изменением вида поверхности камня.

References

1. Demchuk I. E., Derkach V. N. Issledovanie prochnosti sceplenija rastvorov v kamennoj kladke [Study of the adhesion strength of mortars in masonry]. Vestnik of Brest State Technical University, 2012, no. 1, pp. 71 - 76.

2. Mazhiev H. N. Materialy i konstrukcii dlja povyshenija sejsmostojkosti zdanij i sooruzhenij : sistemnyj podhod : avtoreferat dissertacii doktora tehnicheskih nauk [Materials and structures for increasing the seismic resistance of buildings and structures: a systematic approach: abstract of Doct.Tech.Sci.Diss.Abstr.]. Makhachkala, 2011, 45 p.

3. Kasimov I. K. Povyshenie kachestva kladochnyh rastvorov dlja sejsmostojkogo stroitel'stva [Improving the quality of masonry mortars for earthquake-resistant construction]. Stroitel'nye materialy, 1991, no. 7, p. 18-21.

4.. Chylbak A. A. Ocenka prochnosti prostenka na srez pri dejstvii gorizontal'noj sejsmicheskoj nagruzki [Assessment of the shear strength of the wall under the action of a horizontal seismic load]. Vestnik VSGUTU, 2018, no. 2

Монгуш Айслана Артуровна - магистрант Тувинского государственного университета, г. Кызыл, e-mail: aldynay.chylbak@mail.ru

Кара-сал Борис Комбуй-оолович - доктор технических наук, профессор кафедры строительства и ЖКХ Тувинского государственного университета, г. Кызыл, e-mail: silikat-tgu@mail.ru

Чылбак Алдынай Александровна - кандидат технических наук, доцент кафедры строительства и ЖКХ Тувинского государственного университета, г. Кызыл, e-mail: aldynay.chylbak@mail.ru

Aislana A. Mongush - undergraduate, Tuvan State University, Kyzyl, e-mail: aldynay.chylbak@mail.ru

Boris K. Kara-sal - Doctor of Technical Sciences, Professor at the Department of Construction and Housing and Communal Services, Tuvan State University, Kyzyl, e-mail: silikat-tgu@mail.ru

Aldynai A. Chylbak - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department of Construction and Housing and Communal Services, Tuvan State University, Kyzyl, e-mail: aldynay.chylbak@mail.ru

Статья поступила в редакцию 27.11.2020.