Поведение каменных и армокаменных конструкций под воздействием нагрузок и окружающей среды

Поведение каменных и армокаменных конструкций под нагрузкой определяется многими факторами, и прежде всего тем обстоятельством, что каменная кладка является неоднородным телом, состоящим из камней (кирпичей) и швов, заполненных раствором. В армокаменных конструкциях неоднородность обуславливается наличием арматуры.

Характер разрушения кладки и степень влияния многочисленных факторов на ее прочность объясняются особенностями ее напряженного состояния при сжатии. Разрушение обычной кирпичной кладки при сжатии начинается с появления отдельных вертикальных трещин, как правило, над и под вертикальными швами, что объясняется явлениями изгиба и среза камня, а также концентрацией напряжений у вертикальных швов. При дальнейшей загрузке кладки количество местных вертикальных трещин увеличивается, они постепенно объединяются и образуют трещины большой протяженности. В результате этого кладка расслаивается на отдельные столбики, которые затем разрушаются вследствие возникновения в сечении эксцентриситетов, продольного изгиба и раздробления отдельных кирпичей.

Арматурные сетки, размещенные в горизонтальных швах кладки, препятствуют ее поперечному расширению и тем самым значительно увеличивают прочность кирпичной кладки.

Первые трещины в кирпичной кладке появляются при нагрузках, меньших, чем разрушающие (N). Нагрузка, соответствующая моменту появления первых трещин N_crc будет меньше у кладки на слабом растворе.

В кладке из хрупких материалов (крупноформатные поризованные керамические камни, блоки из ячеистого бетона) первые трещины появляются при нагрузках 0,85…1 от разрушающей нагрузки.

На прочность кладки при сжатии влияют следующие факторы: прочность камня, размеры камня, правильность формы камня, наличие пустот в пустотелых камнях, прочность раствора, удобоукладываемость раствора, деформативные свойства затвердевшего раствора, качество кладки, система перевязки кладки, степень сцепления раствора с камнем, степень заполнения раствором швов кладки. В табл. 9.2 представлены сведения о влиянии перечисленных факторов на прочность кладки.

Успешное проектирование каменных и армокаменных конструкций невозможно без знания их поведения под воздействием окружающей среды. Наружные стены любого здания представляют собой барьер, при помощи которого вычленяется из природной среды часть ее объема для создания в нем благоприятных для человека условий обитания. Стены сопротивляются изменяющимся температуре и влажности воздуха снаружи и внутри здания, действию косого дождя.

Стены из полнотелого кирпича обычно не требуют специальной дополнительной защиты от атмосферных осадков. Эта функция должна выполняться самим сечением стены при достаточной ее толщине и аккумулятивной способности. Считается, что толщина стены не менее 38 см при нормальном воздействии осадков исключает увлажнение (промокание) всего сечения стены. При этом кирпич сухого прессования имеет сеть капилляров, сообщающихся между собой и открытых с его поверхности. Такой кирпич быстро насыщается водой. Кирпич пластического прессования имеет поры закрытые и поэтому медленно впитывает влагу. Однако основной проникающий поток влаги идет не по капиллярам, а по трещинам и пустотам, которые имеются в кирпиче и растворе кирпичной кладки. Хотя капиллярный подсос способствует проникновению влаги в толщу стены, в то же время он благоприятствует непрерывному высыханию стены.

Факторы	Влияние факторов на прочность кладки
Прочность камня	С увеличением прочности камня прочность кладки увеличивается (так, при увеличении прочности кирпича в 2 раза, прочность кирпичной кладки увеличивается в 1,6 раза)
Размеры камня	С увеличением размера камня относительная прочность кладки повышается, так как крупные камни лучше сопротивляются силовому воздействию и количество швов в кладке уменьшается
Форма камня	Форма камня оказывает влияние на прочность кладки. Так, прочность кладки из силикатного кирпича больше прочности кладки из глиняного кирпича за счет более ровных поверхностей силикатного кирпича
Наличие пустот в камне	Наличие пустот в камне, как правило, уменьшает прочность самих камней и кладки из них. Это объясняется более неравномерным распределением давления в кладке из пустотелых камней, а также сложными условиями работы перегородок между пустотами
Прочность и деформативные свойства затвердевшего раствора	С увеличением прочности раствора прочность кладки сначала быстро возрастает, затем рост прочности замедляется. Чем деформативнее раствор, тем ниже прочность кладки, так как при этом в меньшей степени стеснены поперечные деформации. Надо отметить, что растворы с меньшим объемным весом имеют большую деформативность
Качество кладки и удобоукладываемость раствора	Качество кладки характеризуется равномерностью заполнения швов кладки раствором. Степень заполнения шва зависит от удобоукладываемости (подвижности) применяемого раствора. Добавка в жесткий цементно-песчаный раствор извести и глины увеличивают его пластичность
Перевязка кладки	Система перевязки кладки (цепная или многорядная) мало влияет на прочность кладки. Однако при выполнении кладки зимой, для зданий, возводимых в сейсмических районах, а также для сильнонагруженных и внецентренно сжатых с большим эксцентриситетом каменных конструкций следует применять цепную перевязку кладки
Степень сцепления раствора с камнем	Степень сцепления раствора с камнем мало влияет на прочность при сжатии. Однако сказывается на заполнении вертикальных швов кладки. Полнота заполнения вертикальных швов определяет эксплуатационные качества, прежде всего, наружных стен здания. Монолитность кладки важна для сопротивления кладки сейсмическим и динамическим нагрузкам

Если кирпичная стена ориентирована на господствующее направление косого дождя, особенно на открытой местности, то при затяжных осадках в условиях постоянного притока влаги может увлажняться внутренняя поверхность стен, на которой появляются плесень, грибок, скопление пыли, сопровождаемые отслоением штукатурки и обоев. Этот процесс усиливается при высокой относительной влажности воздуха внутри здания.

Кирпичные стены являются проницаемыми для влаги, которая может быть в виде жидкости или пара. Важным обстоятельством является беспрепятственная диффузия влаги. Каменная кладка – неоднородна, раствор для кладки обычно более плотного состава, чем кирпич, поэтому в местах их соприкосновения в кирпиче скапливается влага. Скапливание влаги может происходить в местах соприкосновения камней с неодинаковой водопоглощающей способностью и капиллярной проводимостью для кирпичных стен с облицовочным слоем, либо имеющих теплоизоляционный слой из легкого бетона.

При применении облегченной кладки наружных стен теплоизоляционный слой в сечении может располагаться снаружи, между двумя массивными слоями, с внутренней стороны стены. Если утепляющий слой расположен на внутренней поверхности стены, то зимой при большой влажности в помещении возникает опасность увлажнения, как материала стены, так и самого утеплителя. Увлажненный утеплитель теряет свои теплозащитные свойства. Теплоизоляционные материалы должны быть водостойки и долговечны. Если слой утеплителя расположен внутри стены, то это обстоятельство сводит на нет хорошую теплоаккумулирующую способность массивной стены. В этом случае наружный слой стены (из-за меньшей по сравнению со сплошной стеной толщины) хуже реагирует не температурно-влажностные воздействия: наружный слой может намокать и деформироваться. Для предотвращения намокания утеплителя между ним и наружным слоям стены следует предусматривать вентилируемую воздушную прослойку. Расположение теплоизоляционного слоя с наружной стороны стен является лучшим вариантом расположения по сечению стены. В этом случае лучше защищены внутренние помещения и конструкции здания от колебаний температуры, но проблемы защиты самого утеплителя от увлажнения во многих случаях заставляют отказываться от этого варианта.

Бетонные стеновые камни на шлаковом, известковом или гипсовом вяжущем, как и силикатные камни (кирпичи), мало устойчивы во влажной среде.

Для достижения долговечности наружных стен из пустотелых поризованных каменей или ячеистых блоков необходимо выполнять наружную штукатурку или устраивать облицовку из кирпича. Нормами рекомендуется перевязка облицовки, жестко связанной с кладкой тычковыми рядами. В этом случае наружный слой кроме обеспечения более надежного (по сравнению с применением гибких связей) сопряжения стены и облицовки рассматривается в качестве несущего слоя. Применение стен из пустотелых поризованных каменей, ячеистых блоков не допускается для цоколей и стен подвалов.

Определенной проблемой для наружных стен здания, выполненных из кирпича или имеющих в своем составе защитную кирпичную стенку, является появление на поверхности стен высолов. Высолы на поверхности не только ухудшают внешний вид стен, но и способствуют разрушению кладки. Для борьбы с высолами на стадиях производства и применения керамического кирпича можно использовать водоотталкивающие пропитки (например, пропитка "Пента-811" компании ООО"Пента Силикон"). Для удаления с поверхности наружных стен уже появившихся высолов служат специальные очистители (например, очиститель "Типром ОФ" компании "Сази").