Кирпичная кладка и ее деформации

При сжатии кладки осевым деформациям сжатия по направлению действия силы всегда сопутствуют деформации поперечного расширения. Материалы, составляющие кладку (кирпич, камень, раствор), работают совместно. Более жесткие материалы (чаще камень) сдерживают поперечные деформации менее жестких материалов (раствор). В результате более жесткие материалы (кирпич, камень) оказываются растянутыми, ме­нее жесткие (раствор) - сжатыми.

Растягивающие усилия в поперечном направлении, которые и яв­ляются одной из главных причин разрушения кладки, особенно велики для кладок на растворах низкой прочности.

Каменная кладка является монолитным неоднородным упругопластическим материалом. Даже при равномерном распределении нагрузки по всему сечению сжатого элемента камень и раствор в кладке находятся в условиях сложного напряженного состояния. Они одновременно подверже­ны внецентренному сжатию, изгибу и растяжению, срезу и смятию (рис. 1).

Причинами таких условий работы камня и раствора являются: значительная неоднородность растворных швов, так как при при­готовлении раствора в отдельных его объемах скапливается большее или меньшее количество вяжущего, пластификатора, заполнителя или воды. Неоднородность раствора усугубляется неравномерностью ус­ловий твердения раствора в швах кладки, так как всасывающая способность камня и водоудерживающая способность раствора на различных участках их соприкосновения неодинаковы. Так как потеря воды в растворе нерав­номерна по поверхности камня, то соответственно неравномерной оказывается его усадка.

Проведенными экспериментальными исследованиями с различны­ми видами кладок установлено, что в зависимости от величины действую­щих напряжений при сжатии работу кладки можно подразделить на четыре характерные стадии (рис. 2).

Первая стадия соответствует нормальной эксплуатации кладки, ко­гда усилия, возникающие в кладке под нагрузкой, не вызывают видимых ее повреждений. Переход кладки во вторую стадию работы характеризуется появлением небольших трещин в отдельных кирпичах (рис. 2, б). В этой стадии кладка еще несет нагрузку (величина ее составляет 60-80% от раз­рушающей), и дальнейшего развития трещин при неизменной нагрузке не наблюдается.

Величина нагрузки, при которой появляются первые трещины, за­висит от механических свойств кирпича, конструкции кладки и деформативных свойств раствора. Последние же зависят от вида раствора и его воз­раста (т.е. возраста кладки). Цементные растворы наиболее жесткие; из­вестковые, наоборот, наиболее деформативны. С увеличением возраста деформативность растворов снижается. Чем меньше деформативность рас­твора, тем более хрупкой оказывается кладка.

Повышение хрупкости кладки с увеличением ее возраста и при применении малодеформативных растворов должно учитываться при оцен­ке запасов прочности поврежденной кладки. Если при появлении незначи­тельной трещины в кладке раннего возраста на известковом растворе име­ется определенный запас прочности, то появление трещины в кладке боль­шого возраста, изготовленной на цементном растворе, свидетельствует о ее значительной перегрузке. Во всех случаях появление первых трещин в кладке должно рассматриваться как сигнал для установления причин их появления и, если потребуется, принятия мер по усилению кладки или сни­жению действующих на нее нагрузок.

При увеличении нагрузки после появления первых трещин проис­ходит как их развитие, так и возникновение и развитие новых трещин, которые соединяются между собой, пересекая значительную часть кладки в вертикальном направлении и постепенно расслаивает ее на отдельные ветви, каждая из которых оказывается в условиях внецентренного загружения (третья стадия работы кладки; рис. 2, в).

При длительном действии этой нагрузки, даже без ее увеличения, будет постепенно (вследствие развития пластических деформаций) проис­ходить дальнейшее развитие трещин, расслаивающих кладку на тонкие гибкие столбики. И третья стадия перейдет в четвертую - стадию разруше­ния от потери устойчивости расчлененной кладки (рис. 2, г).

Четвертая стадия наблюдается в лабораторных условиях при быст­ром нарастании деформаций. В естественных условиях третья стадия явля­ется началом окончательного разрушения кладки, поскольку возникшие в этой стадии сквозные трещины не стабилизируются, а продолжают разви­ваться и увеличиваться без увеличения нагрузки. Поэтому действительная разрушающая нагрузка составляет 80-90% от экспериментальной разру­шающей нагрузки. Многочисленные эксперименты позволили раскрыть причины возникновения первых трещин в кладке из кирпича. Установлено, что возникновение первых трещин в кладке вызывается напряжениями из­гиба и среза отдельных кирпичей, в то время как напряжения сжатия со­ставляют 15-25% от предела прочности кирпича на сжатие. Деформации изгиба отдельных кирпичей достигают значительных величин- 0,1 .0,4 мм (рис. 3), которые при учете хрупкости кирпича являются чрезмерными. Причиной изгиба и среза кирпича в кладке при сжатии является неравно­мерная плотность раствора в швах.