Анизотропия прочности на растяжение каменной кладки при раскалывании

-

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК: 693.22

В.Н. Деркач

АНИЗОТРОПИЯ ПРОЧНОСТИ НА РАСТЯЖЕНИЕ КАМЕННОЙ КЛАДКИ

ПРИ РАСКАЛЫВАНИИ

В стеновых конструкциях каменная кладка обычно работает в условиях одноосного, в том числе и внецентренного, сжатия. Однако в ряде случаев возникает необходимость оценки прочности кладки на осевое растяжение, срез и изгиб. В отечественных нормах [1] предусмотрена также проверка прочности кладки при действии главных растягивающих напряжений, которые являются результатом ее работы в условиях плоского напряженного состояния. В таких условиях, например, работают стеновое заполнение каркасов при перекосе в плоскости стен, перегородки, опирающиеся на гибкие диски перекрытий, конструктивные элементы кладки, выполненные из материалов различной деформативности. Одной из важнейших характеристик, используемой при оценке прочности и трещиностойкости каменной кладки в условиях плоского напряженно-деформированного состояния, является ее прочность на осевое растяжение. Поскольку каменная кладка по своим физико-механическим свойствам относится к анизотропным материалам, для оценки ее прочности и трещиностойкости требуется знание прочностных характеристик при растяжении не только в направлении главных осей анизотропии, которые совпадают с горизонтальными и вертикальными растворными швами, но и под различными к ним углами. До сих пор не существует единой стандартизированной методики, позволяющей получить данные характеристики.

Учитывая, что испытания кладки растягивающими усилиями сопряжены с большими технологическими трудностями, ее прочность при растяжении под различными углами к горизонтальным растворным швам можно получить из

испытаний на сжатие в стандартных гидравлических прессах.

В работе [2] показано, что при сжатии образцов каменной кладки по длине силового потока характерно возникновение области двухосного (трехосного) сжатия непосредственно под грузовыми площадками и области сжатия — растяжения между ними. Если высота опытного образца не превышает две ширины, то величины главных растягивающих напряжений по всей высоте сжато-растянутой области распределяются равномерно. Стадия работы, когда в опытном образце при сжатии происходит образование трещин, может быть принята для определения прочности каменной кладки при растяжении.

В стандарте RILEM LUMB 6 (1991) [3] приведена методика определения прочности кладки на растяжение в результате ее раскалывания по диагонали сжатия. В соответствии с данным стандартом можно определить прочность каменной кладки в случае ее механического разрушения по наклонной трещине.

Методика испытаний. Определение прочности каменной кладки при растяжении производилось на образцах, форма и размеры которых соответствовали требованиям стандартов ЕМ 1052-1 [4] и RILEM LUMB 6 (1991) [3]. Образцы испытывались сжимающей нагрузкой действующей под углами 90, 45 и 0° к горизонтальным растворным швам (рис. 1).

Виды элементов, из которых готовились опытные образцы кладки, показаны на рис. 2.

Для приготовления кладочных растворов общего назначения использовалась сухая растворная смесь М100 заводского изготовления. Из данной растворной смеси путем изменения

Рис. 1. Общий вид опытных образцов при действии сжимающей нагрузки под углом 90 (а), 45 (б) и 0° (в) к горизонтальным растворным швам

пропорции составляющих готовилась растворная смесь с другими прочностными показателями. Прочность при сжатии раствора устанавливалась в соответствии с требованиями EN 1015—11 [5], а прочность его сцепления с кладочными элементами — в соответствии с EN 1052—5 [6]. Опытные образцы кладки выполнялись на растворах прочностью при сжатии / ,

равноИ 10, 9, 7,9 и 3,1 МПа. Для выполнения образцов на тонкослойных швах применялась заводская клеевая растворная смесь М75. Образцы на тонких растворных швах изготавливались из ячеистобетонных блоков Б500 прочностью В2,5.

Прочность кладочных элементов при осевом растяжении/ыпринималась равноИ 0,33 Лизг, где

Рис. 2. Форма и геометрические размеры кладочных элементов: а — полнотелый керамический кирпич КРО; б — пустотелый керамический кирпич КРПУ пустотностью V = 18 %; в — пустотелый керамический кирпич КРПО пустотностью V = 30 %; г — силикатный кирпич СУР пустотностью V = 18 %; д — керамический поризованный камень КПП пустотностью V = 42,3 %; е — ячеистобетонный блок

Строительство

Лзг — предел прочности камня при изгибе, определяемый согласно ГОСТ 8462—85[7]. Прочность ячеистого бетона при растяжении принималась в соответствии с [8].

Испытания образцов каменной кладки при действии сжимающего усилия перпендикулярно и параллельно плоскости горизонтальных растворных швов (рис. 1, а, б) выполнялись в соответствии со стандартом EN 1052—1. В ходе испытаний определялись нагрузка трещиноо-бразования, относительные продольные и поперечные деформации, по которым устанавливались модуль упругости и прочность каменной кладки при растяжении. Когда угол между направлением действия главных растягивающих напряжений и горизонтальными растворными швами составлял 0 или 90°, определялась прочность каменной кладки при растяжении соответственно по перевязанному или неперевя-занному сечениям.

Образцы, испытываемые в соответствии со стандартом [3], подвергались сжатию сосредоточенной силой, приложенной под углом 45° к гори -зонтальным растворным швам кладки (рис. 1, в).

Прочность каменной кладки на растяжение под углом 45° к направлению горизонтальных растворных швов устанавливалась по формуле

(а + Ь ~)с1п

А = 2 ;

= 0,707—

рг А

где Р — разрушающая нагрузка; Ап — площадь поверхности разрушения, определяемая по формуле

а, Ь — длины сторон испытываемого образца; й — толщина испытываемого образца; п — коэффициент, учитывающий пустотность кладочных элементов (отношение площади диагонального сечения без учета пустот (нетто) к общей площади (брутто)).

Всего было испытано 33 серии образцов каменной кладки. Каждая серия включала в себя не менее 5 образцов.

Результаты испытаний. При испытании образцов сжимающей нагрузкой, действующей перпендикулярно плоскости горизонтальных растворных швов, образование первых трещин было зафиксировано при нагрузках, составляющих примерно 40—60 % от разрушающей. Тре -щины совпадали с вертикальными швами кладки и пересекали кладочные элементы (рис. 3, а).

При действии сжимающего усилия параллельно плоскости горизонтальных растворных швов происходило разделение массива кладки на отельные столбики трещинами, распространяющимися по горизонтальным швам (рис. 3, б). Трещины возникали при нагрузке, составляющей примерно 25—30 % от разрушающей.

При испытаниях опытных образцов сжимающим усилием, действующим под углом 45° к направлению горизонтальных растворных швов, нагрузка трещинообразования и разрушения совпадали. При этом в зависимости от вида кладочного элемента и прочности раство-

Рис. 3. Характер трещинообразования в опытных образцах при действии сжимающей нагрузки под углом 90 (а) и 0° (б) к горизонтальным растворным швам

Рис. 4. Характер разрушения опытных образцов при диагональном сжатии:

а — по траектории близкой к линии действия сжимающего усилия; б — по зигзагообразной трещине;

в — сдвиг нижней версты кладки

ра наблюдались следующие механизмы разрушения:

раскалывание по диагонали, при котором траектория критической трещины, отклоняясь в меньшей или большей степени от линии действия сжимающего усилия, проходит по камням и отдельным вертикальным и горизонтальным швам кладки (рис. 4, а);

раскалывание по диагонали, при котором критическая трещина имеет ступенчатую траекторию и проходит только по горизонтальным и вертикальным швам кладки (рис. 4, б);

сдвиг по горизонтальным растворным швам (рис. 4, в).

Механизмы разрушения, показанные на рис. 4, а, были реализованы в образцах, выполненных на растворе прочностью при сжатии / = = 7,9-10,1 МПа.

Образцы, изготовленные на растворе прочностью /т = 3,1 МПа, разрушились либо по трещине, имеющей ступенчатую траекторию (рис. 4, б), либо вследствие сдвига верхней или нижней версты кладки (рис. 4, в).

Результаты определения прочности каменной кладки на растяжение при раскалывании приведены в таблице.

В таблице приведены средние значения прочностных показателей каменной кладки, при

Экспериментальные значения прочности каменной кладки при растяжении

Вид и марка кладочного элемента Прочность кладочного элемента при растяжении /ы, МПа Прочность кладочного раствора при сжатии /т, МПа Экспериментальные значения прочности нормального сцепления у оЬ, МПа Экспериментальные значения прочности при растяжении под углом а к горизонтальным швам / , МПа 0'

0° 45° 90°

Полнотелый керамический кирпич М150 1,1 10,9 7,9 0,32 0,31 1,03 1,01 0,78 0,7 0,48 0,37

3,1 0,14 1,07 0,39 0,25

Керамический кирпич пустотностью 18 % М 125 0,6 10,9 7,9 0,28 0,27 0,94 0,87 72 1 7 оо 0,4 0,3

3,1 0,16 0,82 0,52 0,28

Керамический кирпич пустотностью 30 % М 150 0,98 10,9 0,27 1,21 1,04 0,47

Строительство -

Окончание табл.

Вид и марка кладочного элемента Прочность кладочного элемента при растя-жении/Ь(, МПа Прочность кладочного раствора при сжатии /, МПа •> т' Экспериментальные значения прочности нормального сцепления / ,, МПа Экспериментальные значения прочности при растяжении под углом а к горизонтальным швам / , МПа 0

0° 45° 90°

Поризованный керамический камень пустот -ностью 42,3 % М 150 0,97 10,9 0,6 0,82 0,98 0,55

Силикатный пустотелый кирпич М 150 0,7 10,9 3,1 0,19 0,03 0,79 0,75 0,61 0,58 0,37 0,13

Ячеистобетонный блок Б500 В2.5 на тонкослойном клеевом растворе 0,23 7,5 0,08 0,3 0,24 0,07

этом коэффициент вариации прочности при растяжении в зависимости от метода испытаний находился в пределах 20—30 %.

Из таблицы следует, что опытные значения прочности каменной кладки при растяжении по перевязанному сечению (/"иьЫ при а = 0°) образцов, выполненных из полнотелого кирпича, независимо от прочностных характеристик раствора были близки к прочности кирпича на осевое растяжение/. Прочность при растяжении по перевязанному сечению образцов из дырчатого керамического и силикатного кирпича была в 1,1—1,7 раза выше значения /ы.

Опытные значения прочности каменной кладки по неперевязанному сечению / оЬ при а = 90°) в 1,1—2 раза превышали значениям прочности нормального сцепления раствора с кладочными элементами/ оЬ. С увеличением прочности раствора/т прочность каменной кладки на растяжение по неперевязанному сечению возрастала.

В случае действия растягивающих напряжений под углом а = 45° к направлению горизонтальных растворных швов образцы, изготовленные на прочных растворах/т = 7,9—10,9 МПа, показали прочность каменной кладки/ ьЫ близкую к значениям прочности камня при растяжении / . При этом прочность /,оЫ образцов, выполненных из полнотелого керамического и силикатного дырчатого кирпича, была соот-

ветственно в 1,5 и 1,1 раза ниже прочности камня на растяжение/ , а образцов из керамического дырчатого кирпича и поризованных камней практически совпадала с прочностью / . Для образцов, изготовленных на слабом растворе, разница между прочностью кладки/ оЫ и прочностью камня при растяжении /ы была существенно выше. Объясняется это разными механизмами разрушения образцов, выполненных на прочном и слабом растворах.

Графическая интерпретация полученных результатов приведена на рис. 5.

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие заключения:

1. Прочность каменной кладки на растяжение при раскалывании /, при действии растягивающих напряжений параллельно горизонтальным растворным швам (а = 0) не зависит от прочности раствора /т и близка к прочности кладочных элементов при растяжении/.

2. В случае действия растягивающих напряжений под углом а = 45° к горизонтальным растворным швам прочность каменной кладки на растяжение при раскалывании близка к прочности кладки/)оЫ при угле а = 0° для образцов, изготовленных на прочных растворах. Если кладка выполнена на слабом растворе, то ее прочность при растяжении параллельно горизонтальным растворным швам существенно превышает значение /, при а = 45°.

ч" ч\

\ \ Ч1

ч ч ч \

•3-.

а)

I б)

I в)

о is зо 45 бо 75 а, град

f,,„, МПа

а, град

а, град

f,,, МПа

г)

fob,. МПа

д)

а, град

f,,. МПа е)

0 15 30 45

75 а, град

о is зо 45 бо 75 а, град

Рис. 5. Графики зависимости прочности кладки при растяжении ^ от угла а направления растягивающих напряжений к горизонтальным растворным швам

при/ , равном 10,9

3. Прочность каменной кладки на растяжение и а = 45°, и близка к прочности нормального

при раскалывании / оЫ при действии растягива- сцепления раствора с кладочными элементами ющих напряжений перпендикулярно плоскости С увеличением прочности кладочных рас-

горизонтальных растворных швов (а = 9 0°) ниже творов прочность каменной кладки / оЬ5 при а =

прочности /1\оЬ , определенной для углов а = 0 = 90° возрастает.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. СНиП II-22—81* Каменные и армокаменные конструкции [Текст] / Госстрой СССР.— М.: Стройиздат, 1983.- 40 с.

2. Соколов, Б. С. Исследования сжатых элементов каменных и армокаменных конструкций [Текст] / Б.С. Соколов, А.Б. Антабов.— М: АСВ, 2010.— 104 с.

3. RILEM LUMB6 1991. Diagonal tensile strength tests of small walls specimens. TC76-LUM [Текст] / 5 p.

4. EN 1052-1-1998. Prüfverfahren für Mauerwerk. Teil 1: Bestimmung der Druckfestigkeit [Текст ].— 10 р.

5. EN 1015-11:1999. Prüfverfahren für Mörtel für

Mauerwerk.— Teil 11: Bestimmung der Biegezug- und Druckfestigkeit von Festmörtel [Текст ].—16 p.

6. EN 1052-5:2005. Prüfverfahren für Mauerwerk - Teil 5: Bestimmung der Scherfestigkeit bei einer Feuchtesperrschicht [Текст ].— 12 p.

7. ГОСТ 8462-85. Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе [Текст ]. М.: Госстрой СССР, 1985.— 7 с.

8. Руководство по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из ячеистых бетонов [ Текст ] / Госстрой СССР.— М.: Стройиздат, 1977.— 101 с.