CC BY
19УДК 693.22
В.В. ИНЧИК, д-р техн. наук,
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Определение прочностных и деформационных характеристик кирпичных столбов, работающих в нормальной и агрессивной средах
Кирпичная кладка представляет собой конструкцию, которая состоит из стеновых камней, уложенных в определенном порядке на строительный раствор. Она несет на себе нагрузки от собственного веса и веса опирающихся на нее прочих конструктивных элементов.
В зависимости от сроков службы, этажности и назначения зданий определяются расчетные значения сопротивления сжатию кладки, сооруженной из керамического кирпича, а также ее деформативность.
На основании этих значений составляются рекомендации по применению различных видов керамического кирпича при проектировании зданий и сооружений в соответствии с требованиями СНиП П-22—81.
Для определения прочностных и деформационных характеристик кирпичных столбов, работающих в нормальной и агрессивной средах, проводились испытания этих столбов, сооруженных из стеновой керамики различного вида и марок.
В первой серии испытаний использовался кирпич керамический полнотелый М75 (ГОСТ 530—95), имеющий размеры: длина 250±4 мм, ширина 120+3 мм, толщина 60±2 мм.
Во второй серии испытаний использовался кирпич керамический пластического формования пустотелый
М125 (ГОСТ 530-95; ТУ 5741-008-05173538-96), имеющий размеры: длина 250+5 мм, ширина 120+4 мм, толщина 65+3 мм; пустотность кирпича не менее 35%; пустоты сквозные квадратные (сторона квадрата не более 25 мм), расположенные вертикально к постели в три ряда по семь пустот.
Перед началом выполнения кладочных работ проводились испытания кирпича по методике ГОСТ 8462-75 «Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе» и на соответствие требованиям технических условий по ГОСТ 530-95 «Кирпич и камни керамические».
Для этого были отобраны отдельные изделия с целью определения их прочностных характеристик, водопо-глощения, плотности, основных параметров и размеров.
Физико-механические характеристики кирпичей 1-й серии испытаний (табл. 1) и 2-й серии испытаний (табл. 2) подтвердили, что кирпич 1-й серии соответствует марке по прочности 75, а 2-й серии - 125 (п. 4.3. ГОСТ 530-95).
Испытания портландцемента, проводившиеся по методике ГОСТ 10178-85, показали, что при кладке столбов 1-й серии портландцемент имел характеристики:
Таблица 1
Размер кирпича, мм Средняя плотность, кг/м3 Водопоглощение, % Предел прочности при изгибе, МПа Площадь сжатия (длина, ширина), мм Предел прочности при сжатии, МПа
250X121X61 1250 12,2 1,76 250X120 10,18
250X120X60 1264 11,81 1,82 250X120 10,86
251X122X62 1320 9,84 1,68 251X122 9,12
249X120X60 1370 8,88 1,92 249X120 11,48
252X120X61 1392 9,66 1,7 252X120 9,02
Средний результат 1319 10,08 1,77 - 10,13
Таблица 2
Размер кирпича, мм Средняя плотность, кг/м3 Водопоглощение, % Предел прочности при изгибе, МПа Площадь сжатия (длина, ширина), мм Предел прочности при сжатии, МПа
251X120X64 1442 8,20 1,83 250X120 24,1
249X120X66 1430 5,52 1,79 249X120 27,21
252X120X65 1394 7,41 1,8 252X121 20,19
252X122X65 1381 6,08 2,06 251X121 21,48
250X120X63 1254 7,39 2,02 252X120 22,16
Средний результат 1380 6,63 1,9 23,03
научно-технический и производственный журнал
Таблица 3
№ обр. Состав раствора Предел прочности при сжатии, МПа
частное среднее
1 13,4
2 № 1 - 1:4,11 12,72 13,44
5 14,21
4 16,3
5 № 2 - 1:2,3 16,82 16,72
6 17,05
7 10,14
8 № 3 - 1:4,3 11,2 10,6
9 10,48
■ 200-
190 |. 190 ■480
A
II г
1!
Г
II II
0 0
2 1 н
, :.200200. .,
—
i а
ü Г
!|_
L
И К
. .
170 |. 170 | 170
510
ПЕ
Д
190 .| 190
380
Рис. 1. Схема расположения индикатором
реперов для измерения переносным
— нормальная густота цементного теста — 26%;
— сроки схватывания: начало схватывания 46 мин, конец схватывания 5 ч 20 мин;
— тонкость помола цемента: остаток на сите № 008 — 15,1%;
— марка цемента (имеющего нормальную консистенцию растворной смеси при В/Ц=0,4; предел прочности при изгибе образцов-балочек 8,2 МПа; предел прочности при сжатии 33,9 МПа) соответствовала М300 (ГОСТ 10178-85).
Для кладки столбов 2-й серии; использовавшийся портландцемент имел характеристики:
— нормальная густота цементного теста 28%;
— сроки схватывания: начало схватывания 45 мин, конец схватывания 5 ч 30 мин;
— тонкость помола цемента: остаток на сите № 008 — 14,5%;
— марка цемента (имеющего нормальную консистенцию растворной смеси при В/Ц=0,4; предел прочности при изгибе образцов-балочек 8,4 МПа; предел прочности при сжатии 37,8 МПа) соответствовала М300. При кладке кирпичных столбов 1-й серии использовался цементно-песчаный раствор состава 1:3. Контроль кладочных растворов проводился по методике ГОСТ 5802—78, который предусматривал для каждого образца кладки изготовление из того же раствора образцов-кубов с ребром 7,07 см, которые вы-
держивались 28 сут в нормальных условиях и испыты-вались одновременно с образцом кладки (столба). Средний результат при испытании их на прочность при сжатии образцов-кубов из раствора, используемого для кладки кирпичных столбов 1-й серии, был равен 12,66 МПа.
Для сооружения кирпичных столбов 2-й серии использовались цементно-песчаные растворы трех расчетных составов: № 1 - 1:4,11; № 2 - 1:2,3; № 3 - 1:4,3 с ожидаемой маркой по прочности 125, 150, 100 соответственно. Результаты испытаний образцов-кубов из растворных смесей, используемых для кладки кирпичных столбов 2-й серии в возрасте 28 сут, приведены в табл. 3.
Сооружение кирпичных столбов 1-й серии выполнялось каменщиком 5-го разряда, работающем в шах-тостроительном тресте «Бокситстрой». Для испытания конструкций в условиях агрессии были сооружены 6 образцов-столбов на цементно-песчаном растворе (1:3) размером 1400x760x400 мм при толщине растворного шва 10-14 мм. При этом верхние части столбов были заделаны стяжками из того же раствора. Три кирпичных столба были сооружены на бетонных плитах, три других столба сооружались в металлических кюветах, в которые после завершения кладки был залит 5%-ный раствор сульфата натрия, уровень которого доходил до 14 см по высоте столба. По мере убывания
D
B
C
Рис. 2. Типовой характер разрушения одного из столбов (№ 3), соору- Рис. 3. Типовой характер разрушения одного из столбов (№ 6), сооруженного на растворе М100, испытанного в нормальных условиях женного на растворе М100, испытанного после подсоса 5%-го раствора сульфата натрия
научно-технический и производственный журнал
май 2012
99
Таблица 4
№ столба Прочность раствора, МПа Прочность кладки, МПа Модуль деформации Е0, МПа Упругая характеристика а
единичная средняя единичная средняя единичная средняя
Кирпичные столбы, испытанные в нормальных условиях
1 М100 8,32 7,85 12660 11593 1482 1468
2 7,68 11240 1422
3 7,56 10880 1502
Кирпичные столбы, испытанные после подсоса 5%-го раствора сульфата натрия
4 М100 7,2 6,37 10220 9833 1364 1312
5 6,88 9860 1308
6 5,22 6430 1266
Таблица 5
№ столба Прочность раствора, МПа Прочность кладки, МПа Модуль деформации Е0, МПа Упругая характеристика а
единичная средняя единичная средняя единичная средняя
13 М100 8,59 8,24 12900 13681 1502 1660
14 8,38 15636 1866
15 7,76 12509 1612
7 М125 6,94 8,99 9830 12968 1416 1439
8 12,56 18210 1450
9 7,48 10863 1452
10 М150 9,96 11,38 16440 17293 1650 1526
11 12,59 18430 1464
12 11,61 17010 1465
раствора сульфата натрия в результате испарения воды и подсоса его кирпичными столбами раствор периодически, через каждые 7 сут доливался до заданного уровня.
Во 2-й серии испытаний для определения прочностных и деформационных характеристик кирпичных столбов было изготовлено 9 образцов-столбов размером 1520x510x300 мм, по 3 столба на каждую марку раствора.
Кладку кирпичных столбов для испытаний 2-й серии выполнял каменщик 5-го разряда НПО «Керамика» (Санкт-Петербург).
Кирпичные столбы из пустотелого кирпича работали в нормальных условиях, а испытывались после 28 сут проведения эксперимента.
Для центрирования прилагаемой нагрузки и фиксации деформацией устанавливались реперы с базой 200 мм по всем боковым поверхностям каждого кирпичного столба.
1 2 3 4 5 6 7
Деформация, £. 10-4
Рис. 4. Зависимость деформации от нагрузки, производимой на кирпичные столбы, сооруженные на растворе М100, испытанные в нормальных условиях: 1 - для столба № 1; 2 - для столба № 2; 3 - для столба № 3
Характер деформации измерялся с помощью переносного индикатора с ценой деления 0,001 мм, который позволял фиксировать на этой базе относительные деформации 5-10-6.
Центрирование кирпичных столбов производилось при нагрузке в пределах 20 т, что составляло около 20% от ожидаемой разрушающей нагрузки. Каждая ступень нагрузки составляла 10 т, причем на каждой ступени нагрузки после пятиминутной выдержки отмечались показания переносного индикатора и образование трещин на испытуемых кирпичных столбах.
На протяжении испытаний велись наблюдения за состоянием поверхности кирпичных столбов (образованием инфильтрационных пятен и высолов), подсасывающих раствор сульфата натрия.
К концу испытаний граница инфильтрационных пятен по высоте кирпичных столбов достигала от 70 до 81 см, на которой было зафиксировано интенсивное образование высолов.
180 1 / 2 180
160 3 160
„ 140 „ 140
Нагрузка, г< 6802 о о о о Нагрузка, т 6802 о о о о
40 40
20 - ^^^ 20
0 — 1 I 1111 0
1 ^ 2
1 1 1 1 1 |
1 2 3 4 5 6 7
Деформация, £. 10-4
Рис. 5. Зависимость деформации, производимой на кирпичные столбы, сооруженные на растворе М100, испытанные при подсосе 5%-го раствора сульфата натрия: 1 - для столба № 4; 2 - для столба № 5; 3 - для столба № 6
научно-технический и производственный журнал
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Сопротивление разрушению определялось по формуле:
3 4
Деформация, £ -10'4
Рис. 6. Зависимость деформации от нагрузки, производимой на кирпичные столбы, сооруженные на растворе М125 из пустотелого кирпича М125: 1 - для столба № 7; 2 - для столба № 8; 3 - для столба № 9
170 160 150 140 130 120
0 110 100
1 90
I 8° * 70
х 60 50 40 30 20 10
0 1 2 3 4 5 6 7
Деформация, £ -10'4
Рис. 7. Зависимость деформации от нагрузки, производимой на кирпичные столбы, сооруженные на растворе М150 из пустотелого кирпича М125: 1 - для столба № 10; 2 - для столба № 11; 3 - для столба № 12
1 2 3 4 5 6 7
Деформация, £ -10'4
Рис. 8. Зависимость деформации от нагрузки, производимой на кирпичные столбы, сооружаемые на растворе М100 из пустотного кирпича М125: 1 - для столба № 13; 2 - для столба № 14; 3 - для столба № 15
По истечении 6 мес опытные кирпичные столбы ис-пытывались на центральное сжатие с помощью пресса ПММ-250 с нагрузкой до 250 т.
Типовой характер разрушения кирпичных столбов, испытанных в нормальных условиях и при подсосе 5%-ного раствора сульфата натрия, представлен на рис. 2 и 3.
Временное сопротивление кирпичной кладки определялось по формуле:
R1mp = N\mp/S,
(1)
RL
(2)
где ЛТ.разр - нагрузка разрушения.
Модуль упругости кирпичной кладки рассчитывался по формуле:
E = б/е,
(3)
где б - напряжение в кладке в интервале нагрузок до 0,2Л?разр; е - среднее значение относительной деформации по поверхности кладки.
Упругая характеристика а рассчитывалась по формуле:
а ¿оД^азр,
(4)
где Штр - нагрузка, при которой появлялись первые трещины; ^ - площадь сечения кирпичного столба, см.
где Ео - единичное значение относительной деформации по поверхности кладки, МПа; Лразр - единичное значение прочности кладки МПа.
Результаты определения экспериментальных значений модуля деформации и упругой характеристики кирпичных столбов 1-й серии испытаний представлены в табл. 4.
Зависимости деформаций от нагрузки, произведенной на кирпичные столбы, сооруженные в различных условиях, представлены на рис. 4 и 5.
На основании результатов проведенных исследований установлено, что в большей мере оказались разрушенными кирпичные столбы, которые испыты-вались при подсосе 5%-ного раствора сульфата натрия. Наиболее интенсивные разрушения кирпичных столбов происходили в основном в надводной (нижней) части столбов, где были созданы условия, способствующие развитию солевой коррозии: наличие влаги, повышенная концентрация агрессивного раствора сульфата натрия, обдуваемость поверхности кладки воздухом.
В результате воздействия агрессивного раствора на кирпичные столбы прочностные показатели (средние показатели) уменьшились с 7,9 до 6,4 МПа, т. е. на 19,9%. Появление первых трещин на кирпичных столбах зафиксировано при испытании на осевое сжатие в пределах 0,7-0,8% от разрушающей нагрузки.
Модуль деформации Е0 кирпичных столбов, испытываемых в агрессивной среде, уменьшился с 11594 до 9833 МПа, т. е. на 15,2%. Упругая характеристика уменьшилась при этом с 1468 до 1312, т. е. на 10,6%.
Нагрузки, разрушающие кирпичные столбы, испытанные в нормальных условиях, варьировались в пределах от 158 до 143,6 тс имели отклонение на 15,6 тс; отклонение нагрузки столбов, испытываемых в условиях агрессивности, составляло 34,2 тс.
Результаты определения экспериментальных значений модуля деформации и упругой характеристики при 2-й серии испытаний кирпичных столбов представлены в табл. 5.
Зависимости деформаций от нагрузки, произведенной на кирпичные столбы при 2-й серии испытаний, представлены на рис. 6-8.
На основании экспериментов, проведенных в течение 6 мес, установлено, что солевая коррозия, развивающаяся в результате капиллярного подсоса 5%-ного раствора №2804, понизила несущую способность кирпичной кладки не менее чем на 10%.
Ключевые слова: керамический кирпич, солевая коррозия, кирпичные столбы, деформация.
2
5
6
7
rj научно-технический и производственный журнал
М ® май 2012 1ÖT"
