Кирпич старинный и современный: что лучше? Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 666.712

С.С. ОРДАНЬЯН, И.Б. ПАНТЕЛЕЕВ, доктора техн. наук, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет); Н.А. АНДРЕЕВА, канд. техн. наук, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Кирпич старинный и современный: что лучше?

Кирпич как строительный материал имеет давнюю историю и используется с незапамятных времен. Упоминания о кирпиче имеются уже в Библии: «И сказали друг другу: наделаем кирпичей и обожжем огнем. И стали у них кирпичи вместо камней» (Ветхий завет. Бытие. Гл. 11—3). Вплоть до нашего времени во многих странах имел широкое распространение необожженный кирпич-сырец, часто с добавлением в глину резаной соломы. Применение в строительстве обожженного кирпича также восходит к глубокой древности (постройки в Египте, 3—2 тысячелетие до н. э.).

До XIX в. техника производства кирпича оставалась примитивной и трудоемкой. Формовали его вручную, сушили только летом, обжигали в напольных печах-времянках, выложенных из высушенного кирпича-сырца. В середине XIX в. были сконструированы кольцевая обжиговая печь и ленточный пресс, обусловившие переворот в технике производства кирпича. В это же время появились глинообрабатывающие машины — бегуны, вальцы, глиномялки. Тем не менее на большинстве мелких предприятий по-прежнему использовалась немеханизированная технология кирпича, что обусловливалось причинами экономического характера. По мнению В.В. Инчика, «красный кирпич имел вполне удовлетворительные даже с современной точки зрения физико-механические характеристики: прочность, морозостойкость, долговечность и цвет» [1].

Существует и другое мнение, что современный кирпич, несмотря на все достижения науки и техники, уступает по ряду характеристик кирпичу старинному. В противоположность этому можно привести результаты исследований свойств старого кирпича [2], опровергающих превосходство старинного кирпича над современным. По данным авторов, прочность исследованного кирпича при сжатии соответствует 5—6 МПа, или марке 50, в то время как марка по прочности при сжатии современного полнотелого рядового кирпича практически у всех производителей не ниже 200.

До настоящего времени попыток внести ясность в этот вопрос с точки зрения материаловедения не предпринималось, и представленная работа частично восполняет этот пробел.

В качестве объектов исследования выбран ряд кирпичей, изъятых из построек Санкт-Петербурга конца XIX — начала XX в. Современные образцы отобраны из партий лицевого полнотелого одинарного кирпича производства ОАО «Победа ЛСР» (предприятие «Ленстрой-керамика»). Характеристика и внешний вид исследуемых образцов представлены в табл. 1.

Все старинные кирпичи имеют сильный разброс по размерам, у большинства образцов, за исключением кирпича № 7 — СТРЪЛИНЪ-187, отмечены неровные и выпуклые грани, разнотолщинность, большой разброс по массе (3,88—4,48 кг); отклонение от плоскостности достигает 5 мм; у большинства на ложке хорошо видны трещины, расслоение.

Все изученные старинные кирпичи изготовлены формованием набивкой в деревянные формы, об этом свидетельствует прежде всего наличие клейм, не дефор-

мирующих постель, а также отсутствие видимых следов мундштучного формования и разрезки бруса струной, хорошо заметные на современном кирпиче (№№ 9, 10). Другие видимые нарушения геометрии (сколы, щербины) могут быть следствием небрежной выемки кирпича из кладки.

Производители кирпича и места изъятия сосредоточены в Санкт-Петербурге и области, что характерно для этого строительного материала: в прошлом производство старались максимально приблизить к источнику сырья и потенциальному потребителю.

Часть партии кирпичей была подвергнута испытаниям по ГОСТ 530—2007 (на цельных кирпичах) в ЦЗЛ ОАО «Победа ЛСР». Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Обращает на себя внимание высокая прочность старинных кирпичей, показавших по требованиям ГОСТ 530-2007 марочность М100, М250, а по прочности при изгибе — даже М300. При этом водопоглощение образцов, а следовательно, и пористость, весьма высокая и составляет, за исключением двух образцов, 13— 18%. Соответственно морозостойкость старинного кирпича невысокая — менее 15 циклов. Однако с учетом того факта, что изученные образцы прослужили в стенах зданий более 100 лет, полученный результат можно считать весьма удовлетворительным. При этом напомним, что практически все здания из кирпича в Санкт-Петербурге постройки XVIII — начала XX в. в обязательном порядке оштукатуривали и окрашивали, что защищало кирпичные стены от насыщения влагой и дальнейшего промораживания. Такая технология строительства позволяла использовать кирпич с низкой морозостойкостью, тем более в климатической зоне с достаточно мягкими зимами. Эффективные системы отопления зданий способствовали сохранности кирпичных стен. В случае нарушения штукатурного слоя происходило достаточно быстрое разрушение кирпичной кладки (рис. 3), что и произошло со старым кирпичом при испытании на морозостойкость после 15 циклов замораживания-оттаивания (рис. 4). На этом фоне резко выделяется образец № 1 ТЫРЛОВЪ, выдержавший без каких-либо разрушений 60 циклов замораживания-оттаивания в интервале от —15оС до +15оС (рис. 5).

В настоящее время большинство кирпичных зданий строится с открытой кладкой, что резко повышает требования к морозостойкости современного кирпича.

Старые кирпичи в отличие от современных практически никогда не имели темной сердцевины, которую часто называют пережогом и считают браком, снижающим прочность. Это весьма распространенное заблуждение.

Прежде всего пережог не может быть внутри кирпича, так как при обжиге прогрев кирпича происходит от внешних граней к середине; таким образом, поверхность кирпича не может иметь температуру меньшую, чем внутренние слои, и пережог может грозить в первую очередь внешним слоям тела кирпича. На самом деле появление черной или серой сердцевины кирпича является следствием изменения окраски за счет восстанов-

82

апрель 2011

Таблица 1

№ образца

Изображения

Исторические данные

Размеры*, визуальное описание

Кирпич «ТЫРЛОВЪ»

Потомственный почетный гражданин, купец второй гильдии Дмитрий Иванович Тырлов-Жданков производил кирпичи на выкупленных в 1893 и 1896 гг. соответственно заводах И. Д. Соболева и А. И. Фукса. Первый завод располагался возле села Усть-Ижора, а второй - в колонии Овцино, недалеко от завода Стрелиных.

Условия эксплуатации: по данным владельца кирпича, он извлечен из старинного камина дома, которому более 100 лет.

По данным книги «Кирпичные заводы России на 1903 год», данный завод расположен в Ивановской волости, деревня Кормчино, 1 стан колония Овцино, берег реки Невы.

(http://www.v-smirnov.ru/p151.htm)

Образец № 1

(ТЫРЛОВЪ)

Масса - 4,29 кг Размеры, мм

Постель - 258+268x118+124 Ложок - 257+269x72+73 Тычок - 121+125x71+73

Плоскостность** Постель - до 4 мм Ложок - до 5 мм Все грани кирпича, кроме постели с клеймом, выпуклые

Образец № 2

(ТЫРЛОВЪ)

Масса - 4,4 кг Размеры, мм

Постель - 259+267x123+129 Ложок - 256+262x73+75 Тычок - 123+129x74

Плоскостность** Постель - до 4 мм Остальное - до 2 мм Все грани кирпича, кроме постели с клеймом, выпуклые

Кирпич «П.БЪЛЯЕВА»

Клеймо «П. БЕЛЯЕВА». Владелец завода - Беляев Петр Абрамович, затем фирма «Н-ки П. Беляева». Годы производства 1850-1917.

Кирпичи произведены на заводах купца первой гильдии Петра Абрамовича Беляева. В 1860 г. его жена Е.Я. Беляева купила в Малой Рыбацкой слободе два кирпичных завода(ранее выкупленных у казны коллежским советником П. Моносковым и купеческим сыном И. Ширковым), рядом построила лесопильный завод и объединила эти предприятия под эгидой фирмы «Петра Беляева Наследники». Продолжателями дела были ее сыновья Митрофан, Сергей и Яков.

(http://www.aroundspb.ш/gallery.php?path=/variety/pho-tos/brick&im=img_0043.jpg)

Образец № 3

(П.БЪЛЯЕВА-6)

Масса - 4,25 кг Размеры, мм

Постель - 245+253x116+123 Ложок - 256+262x73+75 Тычок - 115+124x72+76

Плоскостность** Постель - до 3 мм Остальное - до 2 мм Все грани кирпича, кроме постели с клеймом, выпуклые, неровные

2

3

Ы ®

апрель 2011

83

№

образца

Изображения

Исторические данные

Размеры*, визуальное описание

(http://www.vbgcity.ru/?q=ru/node/3080)

Образец № 8

(П.БЪЛЯЕВА-117)

Масса - 3,88 кг Размеры, мм

Постель - 250+257x120+125 Ложок - 251+256x69+71 Тычок - 119+122x70+72

Плоскостность** Постель - до 3 мм Остальное - до 1,5 мм Все грани кирпича, кроме постели с клеймом, выпуклые, достаточно ровные

Кирпич «КОЛПИНО»

Набор кирпичей заводов крестьянина Василия Ефимовича Захарова (1826-1882), который унаследовал вместе с братом «старый» завод 1790 г. в селе Усть-Ижора от отца Ефима Кузьмича, который был старшим сыном основателя династии заводчиков Кузьмы Захарова. В.Е. Захаров (клеймо «В.З» с номером и без него) полностью модернизировал завод в 1882-1884 гг. и передал свое дело сыновьям Александру и Михаилу (всевозможные клейма «МЗ» в сочетаниях с точками, номерами и рамками, «М.В. Захаровъ»). Дело Александра унаследовала его жена Мария Тимофеевна и его три сына, которые открыли фирму «Наследники А.В.Захарова» и с 1910 г. до революции выпускали кирпичи с клеймом «КОЛПИНО».

(http://www.v-smirnov.ru/p61.htm)

Образец № 4

(КОЛПИНО-20)

Масса - 4,23 кг Размеры, мм

Постель - 250+260x123+127 Ложок - 250+255x73+75 Тычок - 115+124x69+78

Плоскостность** Постель - до 5 мм Ложок выпуклый - до 2 мм

Кирпич «СТРЪЛИНЪ»

Кирпичи произведены на заводах крестьянина, а позже купца и потомственного почетного гражданина Макария Тимофеевича Стрелина. Один из заводов, построенный в 1875 г., располагался по реке Славянке в селе Усть-Ижора и был куплен у купчихи Анны Семеновны Вандруховой в 1882 г. Второй завод находился в колонии Овцино на правом берегу Невы и был построен в 1897 г. Использовались как простое клеймо «М.С.», так и с полным написанием фамилии «Стрълинъ» (различными шрифтами, а также с инициалами М.Т.). Дело впоследствии продолжили сыновья Алексей Макарович (использовал клеймо «АМС») и Василий Макарович. Скорее всего около 1910 г. появилось совместное клеймо «Бр. Стрелины».

Из кирпичей, изготовленных на заводе Макария Стрелина, было построено здание Суворовского музея (в строительстве музея участвовали ведущие заводы Санкт-Петербурга, выполнявшие работы со значительными скидками или безвозмездно).

(http://www.v-smirnov.ru/p141.htm)

Образец № 6

(СТРЪЛИНЪ-85)

Масса - 4,01 кг Размеры, мм

Постель - 247+253x118+124 Ложок - 248+252x72+77 Тычок - 118+123x73+76

Плоскостность** Постель и тычок - до 5 мм Ложок выпуклый - до 2 мм Кирпич разнотолщинный

8

4

6

научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::

84 апрель 2011 Ы ®

№ образца

Изображения

Исторические данные

Размеры*, визуальное описание

Кирпич Н.М.С.

Известный завод купца Николая Михайловича Слепушкина в дер. Усть-Славянка, около поселка Рыбацкое, ведет свою историю с основателя дела поэта-крестьянина Федора Никифоровича Слепушкина, построившего первый завод в 1829 г. Неизвестно, как долго функционировал этот завод, но в 1866 г. имеется упоминание о заводе некоей Ксении Слепушкиной (использовала клеймо «К.С.» в характерной рамке). В конце XIX в. этим заводом владели Н.М. Слепушкин и его брат Александр Михайлович. Завод выпускал также кирпичи с клеймом Слепушкиных и вертикальной буквой «С» на маломерных кирпичах, называемых «кабанчиками». Завод работал по крайней мере до 1895 г.

(http://www.v-smirnov.ru/p142.htm)

Образец № 5

(Н.М.С.)

Масса - 4,01 кг Размеры, мм

Постель - 245+252x120+128 Ложок - 240+250x65+74 Тычок - 122+127x65+74

Плоскостность** Постель - до 5 мм Ложок выпуклый - до 2 мм Кирпич неровный, разнотолщинный

Образец № 7

(СТРЪЛИНЪ-187)

Масса - 4,48 кг Размеры, мм

Постель - 257+262x129+133 Ложок - 260+262x75+80 Тычок - 129+132x76+80

Плоскостность** Постель, ложок и тычок -до 2 мм Кирпич ровный

9, 10

Кирпич «ЛСК»

Кирпич произведен на заводе «Ленстройкерамика» ОАО «Победа ЛСР» (Ленинградская область, г. Колпино) в 2011 г.

(http://www.pobedalsr.ru/)

Образец № 9

Масса - 4,19 кг Размеры, мм Постель - 253+254x122 Ложок - 253+254x65+66 Тычок - 121+122x65+66

Плоскостность** Постель - до 2 мм Ложок и тычок - до 1 мм Кирпич ровный

Образец № 10

Масса - 4,13 кг Размеры, мм

Постель - 248+249x119+120 Ложок - 248+249x65+66 Тычок - 118+119x65+66

Плоскостность** Постель - до 2 мм Ложок и тычок - менее 1 мм Кирпич ровный

* В соответствии с ГОСТ 530-2007 (п. 4.2.4) предельные отклонения номинальных размеров кирпича и камня не должны превышать на одном изделии, мм: по длине ±4, по ширине ±3, по толщине кирпича лицевого ±2, кирпича рядового ±3.

** В соответствии с ГОСТ 530-2007 (п. 4.2.6) отклонение от плоскостности граней изделий более 3 мм не допускается.

5

7

Г; научно-технический и производственный журнал

^ ® апрель 2011 85

Таблица 2

№ Производитель кирпича Размеры, мм Масса в сухом состоянии, кг Водопоглощение, % Прочность при сжатии, МПа Прочность при изгибе, МПа Морозостойкость, циклы Примечание

Старинный кирпич

1 ТЫРЛОВЪ 258х73х124 4322 7,5 - продолжается -

2 ТЫРЛОВЪ 249х69х116 4284 - пара №№ 2-4 12 (М100) - - Цвет излома равномерный красный (рис.1)

3 ТЫРЛОВЪ 266х74х126 4414 14,1 - -

4 ТЫРЛОВЪ 248х72х120 4108 - - менее 15 циклов

5 ТЫРЛОВЪ 260х71х125 4398 - пара №№ 5-7 26,3 (М250) - -

6 ТЫРЛОВЪ 251 х73х128 4474 9,4 9,6 (>М300) -

7 ТЫРЛОВЪ 260х71х121 4388 - - -

8 ТЫРЛОВЪ 258х72х126 4424 13,6 - 4,6 (>М300) - -

9 СТРЪЛИНЪ 257х70х127 4294 14,3 - - менее 15 циклов -

10 СТРЪЛИНЪ 265х76х128 - - - - - -

11 П.БЪЛЯЕВА — х73х1181 - - - - - -

12 П.БЪЛЯЕВА 262х72х130 3990 18,8 - - менее 15 циклов -

13 Н.М.С. 254х70х121 - - - - - -

14 КОЛПИНО — х75х1211 - - - - - -

Современный кирпич М200 F75

15 Ленстройкерамика 249х118х65 4000 7,3 31,2 (М300) 6,52 (>М300) более 75 На изломе темная сердцевина (рис. 2)

16 250х120х65 4010 7,8 42 (М400) 10,23 (>М300) более 75

1 образец имеет сколы, не позволяющие измерить его длину.

Таблица 3

№ образца Производитель Количество испытанных образцов Водопоглощение, % Открытая пористость, % Кажущаяся плотность, г/см3 Прочность при изгибе, МПа Прочность при сжатии, МПа

1 ТЫРЛОВЪ 6 9,1 18 1,98 6,6 ,2 2

2 ТЫРЛОВЪ 8 11 20,9 1,91 7,5 20,5

3 П.БЪЛЯЕВА-6 8 12,5 23,8 1,91 10,6 33

4 КОЛПИНО-20 5 9,7 18,7 1,93 4,2 28

5 Н.М.С. 6 6 12,6 2,11 10 28,8

6 СТРЪЛИНЪ-85 6 2,9 6,5 2,26 12,3 35,4

7 СТРЪЛИНЪ-187 6 15 26,7 1,78 3,7 11,5

8 П.БЪЛЯЕВА-117 6 10,7 21,1 1,98 6,7 22,2

10 Ленстройкерамика 5 6,8 15 2,19 3,7 33,1

ления оксида железа (III) Fe2Oз до оксида железа (II) FeO, который имеет как раз серый цвет. Появление темной (серой или черной) сердцевины, никак не отражающейся на прочности, — неизбежная плата за рост производительности и сокращение времени обжига при использовании скоростных туннельных печей. Из-за слишком быстрого обжига процесс выгорания органических примесей в глине создает восстановительную среду в теле кирпича за счет выделения СО, удаление которого и поступление свежих порций кислорода за счет пористости процесс не быстрый и требует значительного времени. При изготовлении старинного кирпича использовались напольные печи, обжиг в которых длился от нескольких дней до недель, времени хватало на выгорание полностью органики и окисления вновь FeO до Fe2Oз. Внедрение в производство прогрессивных в свое время кольцевых печей Гофмана сокращало длительность обжига не настолько, чтобы это явление становилось постоянным.

Вторая часть партии кирпича изучена в СПбГТИ (ТУ) на фрагментах, полученных распиловкой алмазной пилой на прямоугольные балочки размером (110—120)х(30—35)х(30—35) мм для определения предела прочности при изгибе и кубики с ребром 30 мм для определения предела прочности при сжатии. Образцы обоих видов предварительно были использованы для определения водопоглощения, открытой пористости и

кажущейся плотности. Количество образцов для испытаний каждого вида не менее 5. Результаты испытаний представлены в табл. 3.

Результаты испытаний выпиленных образцов хорошо согласуются с результатами испытаний целых кирпичей и подтверждают вывод — старинный кирпич не уступает в прочности кирпичу современному. Вновь

Рис. 1. Излом кирпича ТЫРЛОВЪ Рис. 2. Излом современного кирпича (ОАО «Победа ЛСР», предприятие «Ленстройкерамика»)

86

апрель 2011

Таблица 4

^""--...Номер образца Храктеристика^""--... № 1 № 2 № 3 № 4 № 5 № 6 № 7 № 8 № 10

Упор, см3/г 0,039 0,294 0,132 0,146 0,081 0,043 0,191 0,279 0,07

Эуд, м2/г 0,05 24 1,2 3,3 5,4 0,42 2,9 12,1 1,8

Преобладающий радиус пор, нм 1250 8000; 1500; 9 390; 33 1830; 150; 18,5 19200; 1250; 13 590; 26 1500; 590; 150 16900; 9600; 1500; 35; 10,5 120; 26

Рис. 4. Кирпич П.БЪЛЯЕВА, разрушив- Рис. 5. Образец № 1 кирпич шийся после 15 циклов заморажи- ТЫРЛОВЪ после 60 циклов вания-оттаивания испытаний на морозостой-

кость

К вышесказанному следует добавить, что несовершенство метода формования старинных кирпичей (ручная набивка колотушкой или ногами в деревянные формы), отсутствие отдельной операции выделения включений приводило к формированию сильнодефектной текстуры — на изломах и гранях образцов имеются крупные включения, каверны, расслоение (рис. 6). И тем не менее прочность высока, порой превосходит прочность современного кирпича.

Изучение поровой структуры осуществлялось мето-подчеркнем, что старинные кирпичи имеют высокую дом ртутной порометрии. Результаты представлены в пористость (за исключением образцов № 5 и 6, выше табл. 4. Сравнительный анализ интегральных и диффе-кирпича современного), находились длительное время в ренциальных порограмм исследованных образцов по-эксплуатации в неизвестных условиях. казывает, что порометрический объем пор образцов

Рис. 3. Разрушенные колонны (Конюшенная пл.)

Рис. 6. Дефекты формовки старинных кирпичей: а - № 1 - ТЫРЛОВЪ; б - № 2 - ТЫРЛОВЪ; в - № 2 - ТЫРЛОВЪ; г - № 5 - Н.М.С.; д - № 5 - Н.М.С.; е - № 6 - СТРЪЛИНЪ-85; ж - № 7 - СТРЪЛИНЪ-187; з - № 7 - СТРЪЛИНЪ-187

Ы ®

апрель 2011

87

№№ 1 и 6 практически одинаков (0,39 и 0,43 см3/г), однако сильно различаются величины удельной поверхности (0,05 и 0,42 м2/г), что объясняется различным распределением пор по размерам. В образце № 1 преобладают макропоры с преобладающим размером 1250 нм, в то время как у образца № 6 больше мезопор размером 590 и 26 нм. Объемы пор образцов №№ 5 и 10 близки по величине (0,081 и 0,07 см3/г соответственно). Различие в величине ЛУд (5,4 и 1,8 м2/г) объясняется наличием в образце № 5 более мелких мезопор. Близки по величине объемы пор у образцов №№ 2 и 8 (0,294 и 0,279 см3/г соответственно) и образцов №№ 3 и 4 (0,132 и 0,146 см3/г). Различие в величинах удельной параметрической поверхности образцов объясняется различием количественного и качественного составов мелких мезопор, в основном и определяющих величину Sуд.

В работе исследована теплопроводность отдельных образцов кирпичей, результаты представлены на рис. 7.

Выводы

Современный кирпич, произведенный на современном автоматизированном оборудовании, не превосходит по прочностным характеристикам старый кирпич ручного изготовления. С учетом более высоких значений пористости, неизбежных дефектов текстуры и длительного срока эксплуатации следует признать превосходство по физико-механическим параметрам кирпичей более чем столетней давности.

С другой стороны, современный кирпич, как правило, обладает значительно большей морозостойкостью и способен успешно служить в кирпичной кладке без специальных мер защиты от увлажнения и промерзания. Можно утверждать, что если бы изучаемый в работе старинный кирпич в свое время был использован для

внешней незащищенной кладки, вряд ли мы сегодня держали его в руках.

Сопоставляя старинную и современную технологии, можно отметить следующее. Наиболее вероятной причиной полученных результатов испытаний является разница в длительности наиболее важной технологической операции — обжига, составлявшая для старых кирпичей от нескольких дней до нескольких недель, в то время как современный кирпич обжигается в туннельной печи примерно 40 ч и менее. В результате при более длительном нахождении кирпича-сырца в зоне максимальной температуры происходит более полное спекание глинистых частиц, что повышает прочность керамического камня. Косвенным подтверждением являются результаты измерения теплопроводности: несмотря на более высокие значения водопоглощения (12,5% для образца № 3 и 9,7% для образца № 4 против 6,8% для образца № 10), образец № 10 демонстрирует наименьшую теплопроводность, которая напрямую зависит от площади контактного перешейка между спекшимися глинистыми частицами.

Сравнительные испытания старого и нового кирпича на завершены. Предстоят изучение микроструктуры, модельные испытания, сравнительный химический анализ. Работа продолжается, результаты будут обязательно опубликованы.

Список литературы

1. Инчик В.В. Технология изготовления кирпича в Санкт-Петербургской губернии в XVIII веке // Строит. материалы. 2004. № 2. С. 52—55.

2. Терентьев Н.С. Кирпич в памятниках истории и культуры XVII — начала XX в. в Тюменской области // Строит. материалы. 2010. № 4. С. 76-78.

научно-технический и производственный журнал £J\±Jг\i>\'::

88 апрель 2011 Ы *