Прочность и деформативность каменной кладки из ячеисто-бетонных блоков автоклавного твердения на полиуретановых швах часть 1. Прочность и деформативность при сжатии

УДК 693.1:691.42.001.5

В.Н. ДЕРКАЧ, д-р техн. наук

Филиал Республиканского унитарного предприятия «Институт БелНИИС» «Научно-технический центр»

Прочность и деформативность каменной кладки из ячеисто-бетонных блоков автоклавного твердения на полиуретановых швах.

Часть 1. Прочность и деформативность при сжатии

Приведены результаты экспериментальных исследований при сжатии образцов каменной кладки из ячеисто-бетонных блоков на тонкослойных полиуретановых швах. На основании экспериментальных исследований выявлены особенности деформирования и разрушения опытных образцов, получены значения прочности каменной кладки при сжатии и ее деформационные характеристики. Выполнено сопоставление полученных результатов с результатами экспериментальных исследований каменной кладки из ячеисто-бетонных блоков на тонкослойных клеевых полимерцементных швах. Показано, что характер деформирования образцов кладки на полимерцементном клеевом растворе и на клей-пене отличается. Модуль деформаций каменной кладки на клей-пене по мере повышения сжимающих напряжений увеличивается, что объясняется высокой податливостью горизонтальных полиуретановых швов на начальных этапах нагружения опытных образцов. По мере обжатия полиуретановых швов их деформативность снижается, но вплоть до достижения напряжений, близких к прочности при сжатии кладки, остается более высокой, чем полимерцементных клеевых швов. Установлено, что значение секущего модуля упругости каменной кладки на тонкослойных полимерцементных швах в 3,3 раза превышает значение модуля упругости кладки на клей-пене.

Ключевые слова: каменная кладка, ячеисто-бетонные блоки, полиуретановый клей, прочность при сжатии, модуль деформаций, коэффициент Пуассона.

Для цитирования: Деркач В.Н. Прочность и деформативность каменной кладки из ячеисто-бетонных блоков автоклавного твердения на полиуретановых швах. Часть 1. Прочность и деформативность при сжатии // Строительные материалы. 2017. № 5. С. 29-32.

V.N. DERKACH, Doctor of Sciences

Branch of Republican Unitary Enterprise «Institute BelNIIS», «Scientific-Technical Center»

Strength and Deformability of Stone Masonry Made of Cellular Concrete Blocks of Autoclaved Hardening with Polyurethane Joints. Part 1. Strength and Deformability under Compression

Results of the experimental study of stone masonry samples made of cellular concrete blocks with thin-layer polyurethane joints under compression are presented. On the basis of the experimental study, the peculiarities of deformation and destruction of experimental samples have been revealed; values of the stone masonry strength under compression and its deformation characteristics have been obtained. The comparison of results obtained with results of the experimental study of stone masonry made of cellular concrete blocks with thin-layer polymer-cement joints has been made. It is shown that the nature of deformation of masonry samples on the polymer-cement adhesive solution and on the glue-foam is different. The modulus of deformations of the stone masonry on the glue-foam increases with increasing compressive stresses that is explained by high ductility of horizontal polyurethane joints at the initial stages of loading of experimental samples. In the process of compression of polyurethane joints, their deformability is reduced, but until the stresses close to the compressive strength of the masonry, it remains higher than the deformability of polymer-cement glue joints. It is established that the value of the secant elastic modulus of the stone masonry with thin-layer polymer-cement joints exceeds the elasticity modulus of the masonry on the glue-foam by 3.3 times.

Keywords: stone masonry, cellular concrete blocks, polyurethane glue, compressive strength, modulus of deformations, Poisson number.

For citation: Derkach V.N. Strength and Deformability of Stone Masonry Made of Cellular Concrete Blocks of Autoclaved Hardening with Polyurethane Joints. Part 1. Strength and Deformability under Compression. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2017. No. 5, pp. 29-32. (In Russian).

В последнее время в практику домостроения начала внедряться новая технологии производства кладочных работ, основанная на применении каменных кладок из эффективных кладочных изделий на однокомпонент-ной полиуретановой клей-пене [1—4].

Применение таких кладок позволяет в два раза увеличить производительность труда по сравнению с традиционными методами выполнения кладочных работ, повысить теплотехническую однородность стен, сократить затраты на транспортировку материалов, погрузочные работы и их хранение. При этом стоимость 1 м3 кладки на клей-пене оказывается ниже, чем кладки, выполняемой с применением полимерцементных тонкослойных растворов.

Несмотря на очевидные преимущества кладок на полиуретановых швах, в настоящее время не накоплен достаточный опыт их применения в несущих стенах зданий. Сдерживающим фактором широкого внедрения полиуретановых клеев при возведении каменных конструкций является отсутствие нормативных доку-

ментов, регламентирующих правила проектирования таких конструкций.

Указанные обстоятельства определили необходимость проведения комплексных испытаний каменных кладок на полиуретановых швах с целью установления их прочностных и деформационных характеристик при различных видах напряженного состояния, которые были выполнены в филиале РУП «Институт БелНИИС» - НТЦ.

Опытные образцы кладки выполнялись из ячеисто-бетонных блоков автоклавного твердения плотностью D400, размерами 600x400x250 мм. Среднее значение приведенной прочности блоков при сжатии fb, установленное в соответствии с СТБ EN 772-1, составило 2,5 МПа.

Кладка ячеисто-бетонных блоков производилась на однокомпонентную полиуретановую клей-пену торговой марки TITAN PROFESSIONAL производства Республики Польша, которая наносилась тремя полосами на опорную и стыковую поверхности блока. В соответствии с требованиями СТБ EN 1052-1 было изготовле-

j î .

научно-технический и производственный журнал

май 2017

29

2 2 [ -л*

3 ¿Г

77^ТТТТ7Т77Т77Т7УУ^

>

'777777ТТ77 . ^ .

Рис. 1. Опытные образцы каменной кладки: 1 - опытный образец;

2 - индикаторы перемещений часового типа ИЧ-10 с ценой деления 0,01 мм; hs - высота образца; ^ - длина образца; ts - толщина образца; F- прилагаемая нагрузка; hbas 1Ьа8 - базы измерения деформационной кладки

но три образца кладки на клей-пене. Кроме того, был изготовлен один опытный образец кладки с применением полимерцементного клеевого раствора М75 при сплошном заполнении горизонтальных и вертикальных швов кладки.

Форма и размеры опытных образцов кладки назначались в соответствии с СТБ EN 1052—1. Высота образцов составляла 1000 мм, ширина 900 мм, толщина 400 мм (рис. 1).

Сразу после изготовления к каждому испытываемому образцу прикладывали предварительную вертикальную равномерно распределенную сжимающую нагрузку таким образом, чтобы сжимающие напряжения в сечении образца достигали около 2,5-10-3 МПа. В нагруженном состоянии образцы хранились в лабораторных условиях при температуре +10°С и влажности воздуха 60—70%. Испытание образцов, изготовленных на клей-пене, производилось в возрасте 8 сут, а образца на по-лимерцементном клеевом растворе — в возрасте 28 сут.

Нагружение образцов происходило с помощью установки, оснащенной двумя гидравлическими домкратами грузоподъемностью 50 т и силоизмерительным устройством. Нагрузка на образец передавалась через жесткую траверсу, установленную на фрезерованную стальную пластину толщиной 25 мм, размеры которой соответствовали размерам поперечного сечения опытного образца. Пластина укладывалась на слой цемент-

но-песчаного раствора толщиной 10 мм. Образцы в нагружающем устройстве размещались таким образом, чтобы вертикальная ось образца совпадала с осью приложения нагрузки (рис. 2).

Производилось первоначальное нагружение с целью определения разницы показаний индикаторов, установленных на противоположных лицевых гранях образца. Разница показаний при испытаниях не должна была превышать 20%.

Усилие на образец передавалось равномерно, при этом скорость нагружения выбиралась такой, чтобы достичь разрушения образца в пределах 20—30 мин от начала приложения нагрузки. В ходе испытаний фиксировались нагрузка образования первых трещин и разрушающая нагрузка, а также определялись относительные деформации кладки в вертикальном и горизонтальном направлениях с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 мм, установленных с базой, равной 1/3—1/2 высоты и ширины образца.

При испытаниях образцов каменной кладки, выполненных с применением полиуретановой клей-пены, образование первых трещин произошло при нагрузке Fcrc составляющей 0,4—0,58 от разрушающей нагрузки Iтах. В образце Сп1 трещины возникали на боковых гранях, а в образцах Сп2 и Сп3 — в отдельных блоках на лицевых гранях. При повышении нагрузки происходило развитие трещин в вертикальном направлении по телу блоков, а также появление новых трещин, как на лицевых, так и на боковых гранях образцов. Разрушение опытных образцов носило пластический характер и наступало вследствие раздавливания ячеисто-бетонных блоков при напряжениях в кладке Г=1,2—1,4 МПа (рис. 3, а).

В образце кладки Сц1, выполненном на полимер-цементном клеевом растворе, образование первых трещин было зафиксировано при нагрузке Fcгc«0,44Fmax. Трещины возникали на боковых гранях образца в блоках первого ряда кладки. Увеличение нагрузки вызывало рост ширины раскрытия и длины первых трещин и образование новых трещин. Разрушение образца произошло при напряжениях в кладке Г=1,25 МПа в результате раздавливания ячеисто-бетонных блоков и сопровождалось развитием на торцевых гранях вертикальных трещин, разрывающих кладку в поперечном направлении (рис. 3, б).

Результаты определения прочности каменной кладки при сжатии приведены в табл. 1.

Рис. 2. Опытный образец в нагружающем Рис. 3. Характер разрушения образцов кладки: а - на полиуретановых швах; б - на полимерцемент-устройстве ных клеевых швах

2

h

оав

Ьвв

б-

научно-технический и производственный журнал Г1- Г £г

~30 май 2017 Ы- ЛЛ'-Г

Таблица 1

Результаты определения прочности кладки при сжатии

№ образца Образование первой трещины, Fcrc> Н Разрушающая нагрузка, F;max, Н Площадь, Ai, мм2 Прочность при сжатии, fi, МПа Характеристическое значение прочности при сжатии, fik, МПа

Образцы кладки на полиуретановой клей-пене

Сп1 310000 533650 369900 1,4 1,2

Сп2 250000 460890 369600 1,2 1

Сп3 200000 456850 368000 1,2 1

Среднее значение 1,3 1,1

Образец кладки на полимерцементном клею

Сц1 200000 460890 366000 1,25 1

1,4 1,2 1

0,8

CT, МПа

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Рис. 4. Графики деформирования образцов кладки при сжатии

Таблица 2

Результаты определения деформационных характеристик кладки

№ образца Секущий модуль упругости Ei, МПа Коэффициент Пуассона v^ KEi

Образцы кладки на полиуретановой клей-пене

Сп1 300 0,12 250

Сп2 300 0,08 290

Сп3 200 0,08 190

300 0,09 250

Образец кладки на полимерцементном клею

Сц1 700 0,18 700

Из табл. 1 следует, что прочность при сжатии кладки на полимерцементных швах не превышала прочности кладки, выполненной с применением полиуретановой клей-пены. При этом необходимо отметить тот факт, что образец кладки на полимерцементном клеевом растворе был выполнен при сплошном заполнении горизонтальных швов. В соответствии с Еврокодом 6 [5] при полосовых горизонтальных растворных швах прочность кладки должна снижаться в зависимости от отношения общей ширины полос раствора к толщине кладки. Если учесть указанный фактор, то при одинаковой общей ширине полос цементных клеевых и полиуретановых швов, прочность кладки на полиуретановых швах окажется существенно выше скорректированного значения прочности кладки на клеевых цементных швах. Данный вывод подтверждается исследованиями [6].

Графики деформирования образцов каменной кладки при сжатии приведены на рис. 4.

Анализ графиков деформирования показывает, что при увеличении сжимающих напряжений до значений fk зависимость ст-£ кладки на полимерцементных клеевых швах имеет практически линейный характер. В кладке на полиуретановых швах нелинейные деформации наблюдаются уже на начальных этапах нагружения опытных образцов. При повышении напряжений ст от 0 до 0,35fk прирост относительных деформаций каменной кладки Ае составил 0,0015—0,002, а при повышении напряжений от 0,4fk до fk — Ае = 0,0007—0,001. Этот эффект объясняется высокой податливостью горизонтальных полиуретановых швов, которая снижалась по мере их обжатия. При напряжениях в кладке ст > 0,6fk тангенсы углов наклона диаграмм деформирования кладок на полиуретановых и полимерцементных швах были близкими. Схожий характер деформирования кладки из

ячеисто-бетонных блоков на полиуретановых швах имел место в исследованиях [7—8].

Значения относительных деформаций испытанных кладок при уровнях напряжений ст, близких к f, находились в диапазоне 0,0022—0,0032.

Модуль упругости отдельного испытываемого образца кладки E; определялся как секущий модуль по значению средней относительной деформации, полученной в четырех точках при нагрузке F;=1/3Fmax. При этой же нагрузке устанавливались значения коэффициента поперечных деформаций каменной кладки v^. Значение коэффициента KEi, характеризующего упругие свойства кладки, в соответствии с [5] принималось равным отношению Ei/fik.

Результаты определения деформационных характеристик каменной кладки приведены в табл. 2.

Из табл. 2 следует, что значение секущего модуля упругости каменной кладки на тонкослойных полимер-цементных швах в 2,8 раза превышает значение модуля упругости кладки на полиуретановой клей-пене. Значение коэффициента Пуассона кладки на полимер-цементных швах v^ также было выше значения v^ кладки на полиуретановых швах.

Выводы. Экспериментальные значения сжимающих напряжений, при которых происходило образование трещин и разрушение каменной кладки из ячеисто-бе-тонных блоков на полимерцементных клеевых швах, не превышали значения напряжений трещинообразования и разрушения кладки на полиуретановых швах.

Установленное экспериментально значение секущего модуля упругости каменной кладки на полиуретановых швах (E) оказалось в 2,8 раза ниже среднего значения (Е) кладки на полимерцементных клеевых швах. Значение коэффициента поперечной деформации кладки на полимерцементных клеевых швах v^ при на-

научно-технический и производственный журнал

май 2017 31

грузке F;=1/3Fmax в два раза превышало среднее значение Vxy кладки на полиуретановых швах.

Модуль деформаций каменной кладки из ячеисто-бе-тонных блоков на полиуретановых швах нелинейно возрастает по мере повышения сжимающих напряжений до значений fk. Данный фактор следует учитывать при чис-

Список литературы

1. Глумов А. Кладка на полиуретановых составах: как устранить мостики холода // Строительные материалы, оборудование и технологии ХХТ века. 2014. № 4. С. 30—31.

2. Деркач В.Н., Орлович Р.Б. Трещиностойкость каменных перегородок // Жилищное строительство. 2012. № 8. С. 34-37.

3. Jäger А., Kuhlemann C., Habian E., Kasa M., Lu S. Verklebung von Planziegelmauerwerk mit Polyurethanklebern // Mauerwerk. 2011. № 15. P. 223-231.

4. Aldoghaim Е. Untersuchungen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Mauerwerk durch Elastomerlager // Mauerwerk. 2012. № 16. P. 93-102.

5. Eurocode 6: Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten. Teil 1-1: Allgemeine Regeln für bewehrtes und unbewehrtes Mauerwerk: EN 1996-1-1:2005. Berlin: Deutsches Institut für Normung, 2005. 127 p.

6. Drobiec R., Jasinski Wplyw rodzaja zaprawy na parametry mechaniczne murow z ABK poddanych sciskaniu // Materialy Budowlane. 2015. № 4. P. 3-7.

7. Гринфельд Г.И., Харченко А.П. Сравнительные испытания кладки из автоклавного газобетона с различным исполнением кладочного шва // Жилищное строительство. 2013. № 11. С. 30-34.

8. Горшков А.С., Ватин Н.И. Свойства стеновых конструкций из ячеистобетонных изделий автоклавного твердения на полиуретановом клею // Инженерно-строительный журнал. 2013. № 5. С. 5-19.

ленном расчете напряжений и деформаций как в поэтажно опертых стенах каркасных зданий, так и в несущих стенах зданий и узлах их сопряжений с ненесущими стенами и перегородками. Высокую деформативность кладки на полиуретановых швах следует принимать во внимание при выборе способов отделки стен и перегородок.

References

1. Glumov A. Laying on polyurethane structures: how to eliminate cold bridges. Stroitelnyye materialy, oborudovaniye i tekhnologii XXI veka. 2014. No. 4, pp. 30-31. (In Russian).

2. Derkach V.N., Orlovich R.B. Crack growth resistanceof masonry walls. Zhilishnoe Stroitelstvo [Housing construction]. 2012. No. 8, pp. 34-37. (In Russian).

3. Jäger A., Kuhlemann C., Habian E., Kasa M., Lu S. Verklebung von Planziegelmauerwerk mit Polyurethanklebern. Mauerwerk. 2011. No. 15, pp. 223-231.

4. Aldoghaim Ye. Untersuchungen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Mauerwerk durch Elastomerlager. Mauerwerk. 2012. No. 16, pp. 93-102. (In German).

5. Eurocode 6: Bemessung und Konstruktion von Mauerwerksbauten. Teil 1-1: Allgemeine Regeln für bewehrtes und unbewehrtes Mauerwerk: EN 1996-1-1:2005. Berlin: Deutsches Institut für Normung. 2005. 127 p.

6. Drobiec R. Wplyw rodzaja zaprawy na parametry mechaniczne murow z ABK poddanych sciskaniu. Materialy Budowlane. 2015. No. 4, pp. 3-7. (In Polish).

7. Grinfeld G.I., Kharchenko A.P. Comparative tests of masonry made of autoclaved aerated concrete with different masonry seam execution. Zhilishnoe Stroitelstvo [Housing construction]. 2013. No. 11, pp. 30-34. (In Russian).

8. Gorshkov A.S., Vatin N.I. Properties of wall constructions from cellular concrete products of autoclave hardening on polyurethane glue. Inzhenerno-stroitelnyy zhur-nal. 2013. No. 5, pp. 5-19. (In Russian).

научно-технический и производственный журнал Г1- fjirfrj [ £j Li| i. ~32 май 2017 Ы- 'ErJ> . ^ > '