Камень и строительный раствор. Виды, марки, свойства. Виды кладки
Каменные конструкции (каменная кладка) — это неоднородный массив, состоящий из искусственных или естественных камней и связывающего их раствора в вертикальных и горизонтальных швах. В армокаменных конструкциях для повышения их прочности в швы вводят стальную арматуру. Неоднородность кладки влияет на ее физико — механические свойства. Камни делят по происхождению на природные, добываемые в карьерах, и искусственные, изготавливаемые на заводах; по величине на крупные высотой более 50 см, мелкоштучные высотой 10...20 см, кирпич высотой до 10 см. Каменные конструкции выполняют из глиняного кирпича, керамических камней, силикатного кирпича, камней и крупных блоков из тяжелых цементных и силикатных бетонов, бетонов на пористых заполнителях, ячеистых бетонов, из камней осадочных и вулканических горных пород (чаще всего — плотных известняков, известняков-ракушечников и туфов), а также из специально изготовленных крупных блоков и панелей. Материалы подразделяют на камни для ручной кладки массой до 31 кг, крупные блоки, стеновые панели, фасадные изделия. Основной характеристикой камней для несущих конструкций является их прочность, характеризуемая марками. Марки камней означают их временное сопротивление (предел прочности) сжатию и предел прочности при изгибе. Временное сопротивление пустотелых камней определяется по площади брутто. Показатели прочности камней зависят от размеров и формы испытываемых образцов (методы испытаний регламентированы ГОСТ). Кирпич, камни и растворы для каменных и армокаменных конструкций, а также бетоны для изготовления камней и крупных блоков должны удовлетворять требованиям ГОСТов или технических условий и применяться следующих марок или классов:
а) камни — по среднему пределу прочности на сжатие (кирпич — сжатие с учетом его среднего значения предела прочности при изгибе): М7, М10, М15, М25, М35, М50, М75 — камни малой прочности — легкие бетонные и природные камни, керамические в.т.ч. крупноформатные; M100, M125, M150, М200 — кирпич и камни средней прочности в т.ч. крупноформатные, керамические, бетонные и природные; М250, М300, М400, М500, М600, М800 и М1000 — кирпич и камни высокой прочности, в т.ч. бетонные и природные;
б) бетоны классов по прочности на сжатие: тяжелые — В3,5; В5; В7,5; В 12,5; В15; В20; В22,5; В25; В30; на пористых заполнителях — В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В12.5; В15; В20; В25; ВЗО; ячеистые - B1; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; В12,5; полистиролбетон В1,0; B1,5; В2,0; В2,5; В3,5; крупнопористые — B1; В2; В2,5; В3,5; В5; В7,5; поризованные — В2,5; В3,5; В5; В7,5; силикатные — В 12,5; В15; В20; В25; В30. Допускается применение в качестве утеплителей бетонов, предел прочности которых на сжатие 0,5 МПа и более; для вкладышей и плит — не менее 1,0 МПа;
в) растворы по среднему пределу прочности на сжатие — 0,4 МПа, и по маркам по прочности на сжатие — М10, М25, М50, М75, М100, М150, М200;
г) каменные материалы по морозостойкости — F10, F15, F25, F35, F50, F75, F100, F150, F200, F300 (для бетонов марки по морозостойкости те же, кроме F10). Проектные марки по морозостойкости каменных материалов для наружной части стен (на толщину 12 см) и для фундаментов (на всю толщину), возводимых во всех строительно-климатических зонах, в зависимости от предполагаемого срока службы не менее 100, 50 и 25 лет, даны в табл. 2.13.
Марки по морозостойкости, приведенные в поз. 1—2, повышают на одну ступень, а облицовок зданий, возводимых в северной строительноклиматической зоне, — на две ступени, но не выше F100. Марки по морозостойкости каменных материалов, приведенные в поз. 3, применяемых для фундаментов и подземных частей стен, следует повышать на одну ступень, если уровень грунтовых вод ниже планировочной отметки земли менее чем на 1 м. Для двухслойных наружных стен при плотности кладки внутреннего слоя менее 1400 кг/м3 марки по морозостойкости каменных материалов, приведенные в поз. 1, повышают на одну ступень. По согласованию с заказчиком требования по испытанию на морозостойкость не предъявляют к природным материалам, которые на опыте прошлого строительства показали достаточную морозостойкость в аналогичных условиях эксплуатации. Для северной строительно-климатической зоны марки по морозостойкости материалов для наружной части стен (при сплошных стенах — на толщину 25 см) и для фундаментов (на всю ширину и высоту) должны быть на одну ступень выше указанных в табл. 2.13.
К каменным материалам, применяемым для кладки наружных стен и фундаментов, предъявляют требования по морозостойкости, водостойкости, плотности, проценту пустотности, форме, размерам, а для фасадов — по внешнему виду. Долговечность каменных материалов существенно зависит от морозостойкости. Кладка под воздействием атмосферных осадков и влаги, поступающей изнутри здания, увлажняется; вода в порах камня при замерзании, увеличиваясь в объеме, стремится разорвать стенки пор. Морозостойкость камней F означает число циклов замораживания и оттаивания в водонасыщенном состоянии, выдерживаемое без видимого разрушения, расслоения, растрескивания, и без снижения прочности при испытании более 25 % образцов согласно ГОСТ. Для фундаментов проектные марки по морозостойкости устанавливают только для материалов, из которых возводится их верхняя часть до половины расчетной глубины промерзания грунта.
Установлены три степени надежности в зависимости от долговечности каменных конструкций: I — со сроком службы не менее 100 лет; II — то же, не менее 50 лет; III — то же, не менее 25 лет. Для повышения теплоизоляционных свойств камней и снижения расхода материалов, устраивают пустоты различной формы и объема (при объеме таких пустот до 15—20% они почти не влияют на теплотехнические характеристики камня), и уменьшают плотность материалов. Эти мероприятия позволяют снизить толщину стен, но одновременно уменьшают их прочность и морозостойкость. Чаще всего каменную кладку выполняют вручную, реже монтируют заранее изготовленные на заводе панели из камня. Применяют керамический (из обожженной глины) кирпич одинарный или утолщенный полнотелый пластического прессования, с размерами в плане 250x120 (288x138) мм, толщиной 65 и 88 мм; силикатный кирпич одинарный и утолщенный (рядовой, лицевой, декоративный); легковесный кирпич пористый, трепельный, глино-трепельный, пустотелый, дырчатый, шлаковый и др. с малой плотностью р < 1500 кг/м3 (рис. 2.15). Виды кирпича и их характеристики даны в табл. 2.14.
Камень можно разделить по степени экологичности на более экологичный (менее материалоемкий, с высокими теплозащитными свойствами, крупный и менее трудоемкий при укладке, с добавками в материал измельченных отходов, с большими запасами сырья, с применением местных материалов, не требующих больших перевозок), и менее экологичный. Одинарный и утолщенный кирпич может быть полнотелым (без пустот или с технологическими пустотами объемом не более 13%) и пустотелым. Условное обозначение керамических кирпичей, указываемое на рабочих чертежах, состоит из названия, вида, марки по прочности и морозостойкости, обозначения стандарта. Водопоглощение для керамических кирпичей — не менее 8 % для полнотелых и не менее 6 % для пустотелых.
Керамический кирпич изготавливают способом полусухого прессования или пластического формования из глинистых и кремнеземистых пород и промышленных отходов, с обжигом в печах. Для определения предела прочности при сжатии керамического кирпича испытывают образец, по форме близкий к кубу, изготовленный из двух половинок распиленного на две части кирпича. Кроме определения прочности на сжатие, производится определение прочности на растяжение при изгибе. Для этого образец из полного кирпича испытывают как балку, лежащую на двух опорах, с расчетным пролетом 200 мм и загружением сосредоточенной силой в середине пролета. Прочностные характеристики кирпича приведены в табл. 2.15.
Сравнивая опытные средние арифметические пределы прочности с нормируемыми, по ближайшему меньшему значению определяют марку. Пределы прочности отдельных образцов не должны быть меньше минимума, установленного ГОСТ для каждой марки кирпича. Предел прочности кирпича при растяжении и срезе значительно меньше, чем при сжатии: он равен при центральном растяжении всего 5...10% предела прочности при центральном сжатии. Модуль упругости Ek керамического кирпича пластического прессования — 9,8*10в3...19,6*10в3 МПа, полусухого прессования — 19,6*10в3...39*10в3 МПа.
Силикатный кирпич изготовляют способом прессования увлажненной смеси из кремнеземистых материалов и извести или других содержащих известь вяжущих с применением пигментов и без них, с последующим твердением под действием насыщенного пара в автоклаве (рис. 2.16).
Кирпич может быть одинарным (толщина 65 мм) и утолщенным (толщина 88 мм), полнотелым и пустотелым. По прочности кирпич изготавливают марок 75, 100, 125, 150, 175, 200, 250, 300, а по морозостойкости — марок F15, F25, F35, F50. В зависимости от назначения кирпич изготавливают рядовым или лицевым (фасадным). Условное обозначение силикатного кирпича аналогично керамическому: например, СОР-150/15 ГОСТ379-95 — кирпич силикатный одинарный рядовой марки по прочности 150, марки по морозостойкости F15, или СУЛ-200/35 ГОСТ 379-95 — кирпич силикатный утолщенный лицевой марки по прочности 200, по морозостойкости F35. Марку силикатного кирпича по прочности устанавливают по значению пределов прочности при сжатии и изгибе, получаемых при испытании аналогичных образцов. Значения прочностных характеристик силикатного кирпича приведены в работе. Модуль упругости силикатного кирпича 9,8*10в3...19,6*10в3 МПа. Керамические пустотелые теплоизоляционные блоки выпускают различных модификаций, например, размерами 260x380x219 мм, весом 15,4 кг; в 1 м3 кладки 44,2 шт., прочность на сжатие 75 кг/см2, теплопроводность X = 0,11, морозостойкость F50. Применение блоков позволяет возвести наружную несущую стену толщиной 51 см с термическим сопротивлением 3,00 м2*С/Вт. Требуемое термическое сопротивление наружной стены, например, для Подмосковья (3,13 м2*С/Вт) можно обеспечить, если выполнить снаружи облицовочный кирпич, либо теплоизоляционную фасадную штукатурку.
Лицевые керамические и силикатные кирпичи изготавливают марки по прочности 75...300 (силикатного — марки не менее 125), а марки по морозостойкости F25...F50. По виду лицевой поверхности они могут быть с гладкой лицевой поверхностью; с рельефной лицевой поверхностью; с офактуренной лицевой поверхностью. Водопоглогцение лицевых кирпичей составляет 6...28% в зависимости от применяемых материалов. Керамические и силикатные камни изготавливают пустотелыми, с различным числом пустот в зависимости от используемых материалов и назначения камня. Большую пустотность принимают в камнях для ненесугцих элементов и для перекрытий (объем пустот до 60%). Такие камни даже при сравнительно больших размерах имеют малый объемный вес, что позволяет укладывать их вручную (отдельные виды камней показаны на рис. 2.16). По назначению камни делятся на камни для кладки несущих и самонесущих стен зданий и для панелей; для панелей и кладки внутренних стен и перегородок, для заполнения каркасов; для перекрытий. Показатели морозостойкости и водопоглощения керамических и силикатных камней аналогичны показателям для кирпича. Марка камней по прочности устанавливается при испытаниях на образцах из цельных камней по значению предела прочности при сжатии. Прочностные характеристики керамических и силикатных камней приведены в работе. Полнотелые и пустотелые бетонные стеновые камни изготавливают на цементном, известковом, шлаковом или гипсовом вяжущем; они подразделяются на целые, продольные половинки и перегородочные, на рядовые и лицевые. По назначению бетонные камни служат для вертикальных элементов конструкций (стен, перегородок, фундаментов, столбов) и для перекрытий. Размеры камней составляют 390x190x188; 390x90x188; 590x90x188 (перегородочный) мм. Изготавливают камни также с размерами 410x200x200; 288x288x138 и 288x138x138 мм. Некоторые виды пустотелых бетонных камней приведены на рис. 2.16. В зависимости от средней плотности и теплопроводности они подразделяются на эффективные — р < 1400 кг/м3; условно эффективные — р — 1401...1650 кг/м3; тяжелые — р > 1650 кг/м3. Средняя плотность пустотелых камней не должна превышать 1650 кг/м3, а полнотелых — 2200 кг/м3. Предел прочности приведен в табл. 2.16.
Лицевые бетонные камни изготавливают с неокрашенными или окрашенными лицевыми поверхностями, с маркой по прочности на сжатие не менее 75, по морозостойкости — не менее 25. Пустотелые бетонные камни изготавливают нескольких типов; преимущества по теплотехническим показателям, и по прочности кладки, имеют камни со щелевидными (несквозными) пустотами (рис. 2.17). Трехпустотные камни, имеющие крупные сквозные пустоты, по теплотехническим расчетам в большинстве случаев требуют засыпки пустот шлаками, что усложняет ведение кладки. Кроме того, в кладках из этих камней пустоты тычкового и ложкового рядов не полностью совпадают, что снижает фактическую площадь опирания смежных по высоте рядов кладки и приводит к неравномерному распределению напряжений, снижая прочность кладки.
Архитектурно выразительны камни, изготовляемые методом раскалывания, с обнажением на лицевой поверхности сверкающих граней крупного заполнителя, например, из мрамора. Эти камни изготовляют с добавлением минерального красителя в раствор (см. рис. 2.17). Для изготовления блоков применяют бетоны классов по прочности на сжатие: тяжелого и легкого В10...В15; плотного силикатного бетона В15. Морозостойкость и водонепроницаемость бетона назначают в зависимости от режима эксплуатации конструкции и климатических условий района строительства в соответствии с требованиями. Крупноразмерные бетонные блоки, применяемые для кладки стен подвалов, могут быть сплошные (ФБС), сплошные с вырезом для укладки перемычек и пропуска коммуникаций под потолками подвалов и технических подпольев (ФБВ) и пустотные (с открытыми вниз пустотами) (ФБП). Блоки изготавливают из тяжелого бетона, керамзитобетона и плотного силикатного бетона с плотностью (в высушенном до постоянного веса состояния) не менее 1800 кг/м3. Сплошные блоки применяют также для фундаментов. Блоки изготавливают с размерами: длина l = 880, 1180 и 2380 мм; ширина b = 300, 400, 500 и 600 мм; высота h = 290 и 580 мм.
Фасадные изделия применяют для улучшения внешнего вида зданий и повышения долговечности стен. Для облицовки наружных стен кирпичных зданий применяют лицевые кирпич и камни, перевязанные с их внутренней частью тычковыми рядами. Для кладки поясков, карнизов и других архитектурных деталей могут применяться профильные лицевые кирпичи и камни. Для облицовки фасадов зданий применяют облицовочные плиты из природного камня, в том числе для уникальных зданий — плиты из мрамора, гранита, базальта. Эти плиты визуально экологичны, приятны для глаз. По характеру обработки поверхностей естественные камни разделяют на разновидности: рваный бут — необработанный камень с ломаными гранями, острыми углами, без плоских сторон; постелистый бут — камень с двумя примерно параллельными естественными плоскостями (постелями); бутовая плита — постелистый бут, имеющий форму плиты; бут под скобу — камень с грубо отесанными постелями и грубо околотыми боковыми поверхностями; тесаные камни грубой тески — с выступами до 2 см; получистой тески — с выступами до 1 см; чистой тески — с выступами до 0,2 см. Высота тесаных камней в кладках должна быть не менее 12 см, масса одного камня не должна превышать 40 кг. Необработанные и грубо обработанные камни плотных пород применяют для кладки фундаментов и стен подвалов зданий.
Тесаные камни с фактурами, полученными обработкой (бугристые, рифленые, шлифованные, зеркальные и др.), применяют для облицовок. Изготавливают их из пород средней твердости (мраморов, песчаников, известняков и др.) или твердых пород (гранитов, кварцитов, лабрадоритов и т.д.). Камни легких пород выпиливают в виде параллелепипедов с помощью камнерезных машин. Благодаря пористости они имеют хорошие теплоизоляционные свойства, но морозостойкость их низка, поэтому они применяются для частей зданий, не подвергающихся интенсивному увлажнению и замораживанию. Размеры пиленых камней 490x240 мм или 390x190 мм при высоте 188 мм. Расчетные сопротивления R сжатию кладки на тяжелых растворах из кирпича всех видов и со щелевидными вертикальными пустотами шириной до 12 мм, пустотностью до 27 % из керамических камней при высоте ряда кладки 50—150 мм на тяжелых растворах приведены в табл. 2.17. Примечание к табл.: расчетные сопротивления кладки на растворах марок от 4 до 50 следует уменьшать, применяя понижающие коэффициенты: 0,85 — для кладки на жестких цементных растворах (без добавок извести или глины), легких и известковых растворах в возрасте до 3 мес.; 0,9 — для кладки на цементных растворах (без извести или глины) с органическими пластификаторами. Уменьшать расчетное сопротивление сжатию не требуется для кладки высшего качества — растворный шов выполняется под рамку с выравниванием и уплотнением раствора рейкой. В проекте указывается марка раствора для обычной кладки и для кладки повышенного качества. Для сетчатого армирования каменных конструкций применяют арматуру классов А240 и В500; для продольной и поперечной арматуры, анкеров и связей — арматуру классов А240, А400, В500.
Расчетные сопротивления R сжатию кладки из пустотелого керамического кирпича с вертикальными прямоугольными пустотами шириной 12—16 мм и квадратными пустотами сечением 20x20 мм, пустотностью до 35 % при высоте ряда кладки 77 — 150 мм принимают по табл. 2 с понижающими коэффициентами:
— на растворе марки 100 и выше — 0,90;
— на растворе марок 75, 50 — 0,80;
— на растворе марок 25, 10 — 0,75;
— на растворах с прочностью нулевой и до 0,4 МПа — 0,65;
— при пустотности до 43 % — 0,9.
Расчетные сопротивления сжатию кладки из крупноформатных камней с вертикальным соединением «паз-гребень» (без заполнения раствором) из поризованной керамики шириной до 260 мм, пустотностью до 56 % с вертикально расположенными пустотами шириной до 10 мм при высоте ряда кладки до 250 мм устанавливаются по экспериментальным данным. При отсутствии данных расчетные сопротивления принимают по табл. 2.17 с понижающим коэффициентом 0,75 для кладки на растворе М25; 0,85 — на растворе М50...М75, и 0,9 на растворах > М100. Расчетные сопротивления R сжатию кладки из ячеистобетонных блоков автоклавного твердения на тяжелых растворах при высоте ряда 200—300 мм приведены в табл. 2.18.
Расчетное сопротивление сжатию кладки на клеевых составах устанавливаются по экспериментальным данным. Расчетное сопротивление сжатию кладки из ячеистобетонных блоков принимают с коэффициентов 0,9 для кладки из блоков неавтоклавного твердения, для кладки на легких растворах, для кладки при толщине шва от 15 до 20 мм. При высоте блоков 150 мм, а также толщине растворного шва 20 мм и более расчетное сопротивление кладки сжатию принимаются с коэффициентом 0,8. Расчетные сопротивления сжатию кладки при промежуточных размерах высоты блока от 150 до 200 мм принимаются по интерполяции. Расчетные сопротивления R сжатию кладки из полистиролбетонных блоков на клею принимаются по экспериментальным данным. Расчетные сопротивления R сжатию виброкирпичной кладки на тяжелых растворах приведены в табл. 2.19. Расчетные сопротивления сжатию кирпичной кладки, вибрированной на вибростолах, принимаются по табл. 2.19 с коэффициентом 1,05. Расчетные сопротивления сжатию виброкирпичной кладки толщиной более 30 см принимают по табл. 2.19 с коэффициентом 0,85. Расчетные сопротивления, приведенные в табл. 2.19, относятся к участкам кладки шириной 40 см и более.
В самонесущих и ненесущих стенах допускаются участки шириной от 25 до 38 см, при этом расчетные сопротивления кладки принимают с коэффициентом 0,8. Расчетные сопротивления R сжатию кладки из крупных сплошных блоков из бетонов и из блоков природного камня (пиленых или чистой тески) при высоте ряда кладки 500—1000 мм приведены в табл. 2.20.
Расчетные сопротивления сжатию кладки из крупных блоков высотой более 1000 мм принимают по табл. 2.20 с коэффициентом 1,1. За марку крупных бетонных блоков и блоков из природного камня принимают предел прочности на сжатие, МПа, эталонного образца-куба, испытанного согласно требованиям ГОСТ 10180-90 и ГОСТ 8462-85. Расчетные сопротивления сжатию кладки из крупных бетонных блоков и блоков из природного камня, растворные швы в которой выполнены под рамку с разравниванием и уплотнением рейкой (о чем указывается в проекте), допускается принимать по табл. 2.20 с коэффициентом 1,2.
Расчетные сопротивления сжатию кладки из силикатных пустотелых (с круглыми пустотами диаметром не более 35 мм и пустотностью до 25 %) кирпичей толщиной 88 мм и камней толщиной 138 мм допускается принимать по табл. 2.20 с коэффициентами: на растворах нулевой прочности и прочности 0,2 МПа — 0,8; на растворах марок 4, 10, 25 и выше — соответственно 0,85, 0,9 и 1.3.11 Расчетные сопротивления сжатию кладки при промежуточных размерах высоты ряда от 150 до 200 мм должны определяться как среднее арифметическое значений по табл. 2 и 6, при высоте ряда от 300 до 500 мм — по интерполяции между значениями, принятыми по табл. 2.19 и 2.20. Расчетные сопротивления R сжатию кладки из сплошных бетонных, гипсобетонных и природных камней (пиленых или чистой тески) при высоте ряда кладки 200—300 мм приведены в табл. 2.21. Расчетные сопротивления сжатию кладки и другие характеристики кладки из полистиролбетонных блоков определяются по экспериментальным данным.
Расчетные сопротивления R сжатию кладки из пустотелых бетонных камней пустотностью до 25 % при высоте ряда кладки 200—300 мм приведены в табл. 2.22. Расчетное сопротивление R сжатию кладки из пустотелых бетонных камней пустотностью от 25 до 40 % принимают по табл. 2.22 с учетом коэффициентов:
— на растворе марки 50 и выше — 0,8;
— на растворе марки 25—0,7;
— на растворе марки 10 и ниже — 0,6.
Расчетные сопротивления R сжатию бутовой кладки из рваного бута приведены в табл. 2.24.
Примечания к табл.: расчетные сопротивления для бутовой кладки даны в возрасте 3 мес. для марок раствора 4 и более. При этом марку раствора определяют в возрасте 28 дней. Для кладки в возрасте 28 дней расчетные сопротивления, приведенные в табл. 2.24 для растворов марки 4 и более принимают с коэффициентом 0,8.
Для кладки из постелистого бутового камня расчетные сопротивления, принятые в табл. 2.24, умножают на коэффициент 1,5. Расчетные сопротивления бутовой кладки фундаментов, засыпанных со всех сторон грунтом, допускается повышать: при кладке с последующей засыпкой пазух котлована грунтом — на 0,1 МПа, при кладке в траншеях «враспор» с нетронутым грунтом и при надстройках — на 0,2 МПа.
Расчетные сопротивления R сжатию не вибрированного бутобетона приведены в табл. 2.25.
Расчетные сопротивления кладки сжатию, приведенные в табл. 2.17— 2.25, умножают на коэффициенты условий работы у , равные:
а) 0,8 — для столбов и простенков площадью сечения 0,3 м2 и менее;
б) 0,6 — для элементов круглого сечения, выполняемых из обыкновенного (нелекального) кирпича, не армированных сетчатой арматурой;
в) 1,1 — для блоков и камней, изготовленных из тяжелых бетонов и из природного камня (у > 1800 кг/м3);
0,9 — для кладки из блоков и камней из силикатных бетонов классов по прочности выше В25;
0,8 — для кладки из блоков и камней из крупнопористых бетонов и из автоклавных ячеистых бетонов;
0,7 — для кладки из блоков и камней из неавтоклавных ячеистых бетонов;
г) 1,15 — для кладки после длительного периода твердения раствора (более года);
д) 0,85 — для кладки из силикатного кирпича на растворе с добавками поташа;
е) для зимней кладки, выполняемой способом замораживания, — на коэффициенты условий работы уc1 по [ch];
ж) для крупноформатных камней из поризованной керамики — по экспериментальным данным.
Расчетные сопротивления сжатию кладки из крупных пустотелых бетонных блоков различных типов устанавливаются по экспериментальным данным. При отсутствии таких данных расчетные сопротивления принимают по табл. 2.22 с коэффициентами:
0,9 при пустотности блоков < 5 %;
0,5 при пустотности блоков < 25;
0,25 при пустотности блоков < 45;
процент пустотности определяется по среднему горизонтальному сечению. Для промежуточных значений процента пустотности коэффициенты определяют интерполяцией. Расчетные сопротивления сжатию кладки из природного камня, указанные в табл. 2.20, 2.21 и 2.23, принимают с коэффициентами:
0,8 — для кладки из камней получистой тески (выступы до 10 мм);
0,7 — для кладки из камней грубой тески (выступы до 20 мм).
Расчетные сопротивления сжатию кладки из сырцового кирпича и грунтовых камней, применяемых только для зданий с предполагаемым сроком службы не более 25 лет, даны в hf,jnt.
Расчетные сопротивления кладки из сплошных камней на цементно-известковых, цементно-глиняных и известковых растворах осевому растяжению R , растяжению при изгибе Rtb и главным растягивающим напряжениям при изгибе Rtw, срезу Rsq при расчете сечений кладки, проходящих по горизонтальным и вертикальным швам; расчетные сопротивления кладки из кирпича и камней правильной формы осевому растяжению Rt, растяжению при изгибе Rtb, срезу R и главным растягивающим напряжениям при изгибе Rtw при расчете кладки по перевязанному сечению, проходящему по кирпичу или камню, даны в табл. 2.26, 2.27.
Расчетные сопротивления бутобетона осевому растяжению Rt, главным растягивающим напряжениям R и растяжению при изгибе Rtb приведены в табл. 2.28.
Расчетные сопротивления кладки из природного камня для всех видов напряженного состояния допускается уточнять по специальным указаниям, составленным на основе экспериментальных исследований и утвержденным в установленном порядке. Расчетные сопротивления арматуры Rs, принимаемые в соответствии с СП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций, следует умножать в зависимости от вида армирования конструкций на коэффициенты условий работы ycs, приведенные в табл. 2.29.
Модули упругости и деформаций кладки при кратковременной и длительной нагрузке, упругие характеристики кладки, деформации усадки, коэффициенты линейного расширения и трения принимают в соответствии с приведенными ниже данными. Модуль упругости (начальный модуль деформаций) кладки E0 при кратковременной нагрузке должен приниматься равным: для неармированной кладки E0 = aRu; для кладки с продольным армированием
где а — упругая характеристика кладки, принимаемая по табл. 2.31; модуль упругости кладки с сетчатым армированием принимается таким же, как для неармированной кладки. Для кладки с продольным армированием упругую характеристику принимают такой же, как для неармированной кладки; Ru — временное сопротивление (средний предел прочности) сжатию кладки, определяемое по формуле
где k — коэффициент, принимаемый по табл. 2.30; R — расчетные сопротивления сжатию кладки, принимаемые по вышеуказанным табл. с учетом коэффициентов, приведенных в примечаниях к таблицам.
Упругую характеристику кладки с сетчатым армированием определяют по формуле
где Rsku — временное сопротивление (средний предел прочности) сжатию армированной кладки из кирпича или камней при высоте ряда не более 150 мм, определяемое по формулам:
- для кладки с продольной арматурой
- для кладки с сетчатой арматурой
где u — процент армирования кладки; для кладки с продольной арматурой u = As/Ak 100, где А и А — соответственно площади сечения арматуры и кладки, для кладки с сетчатой арматурой m определяется по п. 4.31; Rsn — нормативные сопротивления арматуры в армированной кладке, принимаемые для сталей классов А240 и А400 в соответствии с СП по проектированию бетонных и железобетонных конструкций, а для стали класса В500 — с коэффициентом условий работы 0,6 по тому же СП. Модуль деформаций кладки E принимают:
а) при расчете конструкций по прочности для определения усилий в кладке при знакопеременных и малоцикловых нагружениях (для определения усилий в затяжках сводов, в слоях сжатых многослойных сечений, усилий, вызываемых температурными деформациями, при расчете кладки над рандбалками или под распределительными поясами) по формуле:
где E0 — модуль упругости (начальный модуль деформаций) кладки, определяемый по формулам (см. выше);
б) при определении деформаций кладки от продольных или поперечных сил, усилий в статически неопределимых рамных системах, в которых элементы конструкций из кладки работают совместно с элементами из других материалов, периода колебаний каменных конструкций, жесткости конструкций по формуле
При определении коэффициентов продольного изгиба для элементов с гибкостью l0/i < 28 или отношением l0/h < 8 допускается принимать величины упругой характеристики кладки из кирпича всех видов как из кирпича пластического прессования. Приведенные в табл. 2.31 (поз. 7—9) значения а для кирпичной кладки распространяются на виброкирпичные панели и блоки. Упругая характеристика бутобетона принимается равной а — 2000. Для кладки на легких растворах значения а принимают по табл. 2.31 с коэффициентом 0,7. Упругие характеристики кладки из природных камней, полистиролбетонных блоков допускается уточнять по указаниям, составленным на основе экспериментальных данных и утвержденным в установленном порядке. Для кладки из поризованных крупноформатных камней а принимают как для керамических камней с коэффициентом 0,7. Для нелинейных расчетов относительные деформации кладки s при кратковременной нагрузке определяют по формуле
Тангенциальный модуль деформаций определяется по формуле
Относительная деформация кладки с учетом ползучести определяется по формуле
где o — напряжение, при котором определяется е; v — коэффициент, учитывающий влияние ползучести кладки: v = 1,8 — для кладки из керамических камней в т.ч. крупноформатных с вертикальными щелевидными пустотами (высота камня от 138 до 220 мм); v = 2,2 — для кладки из керамического кирпича пластического и полусухого прессования; V = 2,8 — для кладки из крупных блоков или камней, изготовленных из тяжелого бетона; v = 3,0 — для кладки из силикатного кирпича и камней полнотелых и пустотелых, а также из камней, изготовленных из бетона на пористых заполнителях или поризованного и силикатных крупных блоков; v = 3,5 — для кладки из мелких и крупных блоков или камней, изготовленных из автоклавных ячеистых бетонов; v = 4,0 — то же, из неавтоклавных ячеистых бетонов.
Модуль упругости кладки E0 при постоянной и длительной нагрузке с учетом ползучести следует уменьшать путем деления его на коэффициент ползучести v. Модуль упругости и деформаций кладки из природных камней допускается принимать на основе результатов экспериментальных исследований, утвержденных в установленном порядке.
Деформации усадки кладки из керамического кирпича и керамических камней (в т.ч. крупноформатных) не учитываются. Деформации усадки принимают для кладок: из кирпича, камней, мелких и крупных блоков, изготовленных на силикатном или цементном вяжущем, — 3*10в-4; из камней и блоков, изготовленных из автоклавных ячеистых бетонов на песке и вторичных продуктах обогащения различных руд, — 4*10в04; то же, из автоклавных бетонов на золе — 6*10в-4. Модуль сдвига кладки принимают равным
где E0 — модуль упругости при сжатии. Величины коэффициентов линейного расширения кладки принимают по табл. 2.32.
Коэффициент трения принимают по табл. 2.33.
Строительные растворы для каменной кладки служат для связывания между собой отдельных камней, передачи усилий с одних камней на другие, снижения и исключения продуваемости и влагопроницаемости кладки. Раствор для кладки представляет собой смесь вяжущего, мелкого заполнителя, воды и (в необходимых случаях) — специальных добавок с последующим твердением после укладки. Растворы для кладки различают по виду вяжущего, заполнителей, плотности, назначению и прочности, зависящей от количества, вяжущего и его активности. По виду вяжущего строительные растворы подразделяют на цементные (на портландцементе или его разновидностях), известковые (на воздушной или гидравлической извести), гипсовые.
Удобоукладываемость растворных смесей (возможность укладывать их на основание тонким слоем с заполнением всех неровностей без специального уплотнения) обуславливается их подвижностью и водоудерживающей способностью. Подвижность — это способность растворной смеси растекаться под действием собственной массы. Ее определяют в см. как глубину погружения в растворную смесь эталонного конуса массой 300 г с углом вершины 30° и высотой 15 см. Конус погружают в растворную смесь вершиной: чем глубже он погружается, тем большей подвижностью обладает растворная смесь. Степень подвижности смеси зависит от количества воды затворения, от состава и свойств исходных материалов. Для повышения подвижности растворных смесей в их состав вводят пластифицирующие добавки, и поверхностно-активные вещества. Подвижность строительных растворов в зависимости от назначения и способа укладки должна быть следующей: кладка стен: из кирпича, бетонных камней, камней из легких горных пород — 9...13 см; из пустотелого кирпича, керамических камней — 7...8 см; заполнение горизонтальных швов стен из бетонных блоков и панелей; расшивка вертикальных и горизонтальных швов — 5...7 см; бутовая кладка — 4...6 см; заполнение пустот в бутовой кладке — 13...15 см.
Водоудерживающая способность — это свойство раствора удерживать воду при укладке на пористое основание, и не расслаиваться в процессе транспортирования. Водоудерживающая способность повышается при увеличении расхода цемента, замене части цемента известью, введении высокодисперсных добавок (золы, глины и др.), а также некоторых поверхностно-активных веществ. Прочность затвердевшего раствора зависит от активности вяжущего, водоцементного отношения, длительности и условий твердения (температуры и влажности окружающей среды).
При укладке раствора на пористое основание, способное интенсивно отсасывать воду, прочность затвердевшего раствора выше, чем того же раствора, уложенного на плотное основание. Прочность раствора характеризуется его маркой, которую устанавливают по пределу прочности при сжатии образцов в виде кубиков размером 70,7x70,7x70,7 мм или половинок балочек размером 40x40x160 мм при испытании на изгиб, после 28 суток твердения при 20±2°С. Нормами предусмотрены марки растворов 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200. Морозостойкость растворов определяют числом циклов попеременного замораживания и оттаивания до потери 15% первоначальной прочности (или 5% массы). По морозостойкости растворы подразделяют на марки F10...300. Выбор марки раствора производится в зависимости от вида и условий работы конструкции, а также от степени долговечности зданий (табл. 2.34). В растворах низких марок 4 и 10 вяжущим является известь; эти растворы отличаются удобоукладываемостью и хорошим сцеплением с кладочным материалом, но медленно твердеют. Для ускорения твердения растворы готовят на тонкомолотой извести — кипелке. Гипсовые растворы на гипсовом вяжущем применяют при кладке гипсовых блоков. Цементы в растворах применяют, как правило, вместе с другими вяжущими.
Модуль упругости, или начальный модуль деформаций неармированной кладки при кратковременной нагрузке определяется по формуле
Для кладки с продольным армированием
где а — упругая характеристика кладки, значения — в табл. 2.31; Ru — временное сопротивление (средний предел прочности) сжатию.
Модуль упругости кладки с сетчатым армированием принимается таким же, как для неармированной кладки. Для кладки с продольным армированием упругая характеристика принимается как для неармированной кладки.
где k — коэффициент; k = 2,0 для всех видов кладки, кроме кладки из блоков ячеистого бетона (для него k = 2,25); R — расчетные сопротивления сжатию кладки, с учетом коэффициентов, приведенных в примечаниях к таблицам. Упругая характеристика кладки с сетчатым армированием определяется по формуле
В формулах (2.21) и (2.23) R — временное сопротивление (средний предел прочности) сжатию армированной кладки из кирпича или камней при высоте ряда не более 150 мм, определяемое по формулам:
- для кладки с продольной арматурой
- для кладки с сетчатой арматурой
где р — процент армирования кладки (для кладки с продольной арматурой равен u = 100 As/Ak; А и Ak — соответственно площади сечения арматуры и кладки; R — нормативные сопротивления арматуры.
В расчетах модуль деформаций кладки принимается E = 0,5E0 или E = 0,8E0 в зависимости от характера расчета. При действии длительных нагрузок в кладке развиваются деформации ползучести, поэтому в практических расчетах модуль упругости E0 уменьшается путем деления его на коэффициент ползучести, величина которого принимается от 1,8 до 4,0 в зависимости от вида кладки. При многократно повторных нагрузках после ряда циклов нагрузка-разгрузка пластические деформации выбираются, и материал начинает работать упруго с модулем упругости E0 (если о < ocrc). Если о > ocrc, то после ряда циклов нагрузка-разгрузка деформации начинают расти, и кладка разрушается. Вследствие ползучести кладки продольный изгиб сжатых элементов с течением времени возрастает, что увеличивает эксцентриситет и, следовательно, уменьшает разрушающую нагрузку. Снижение несущей способности сечения учитывают коэффициентом mg (учитывающим влияние длительной нагрузки), зависящим от гибкости элемента:
где n — коэффициент (табл. 2.35); Ng — расчетная продольная сила от постоянных и длительно действующих нагрузок; N — расчетная продольная сила; еog — эксцентриситет для длительных нагрузок; h — высота сечения в плоскости действия изгибающего момента при внецентренном сжатии, или меньший размер при центральном сжатии. Гибкость элемента определяется отношением Л = l0/li или Л = l0/h, где i — радиус инерции сечения; l0 — расчетная длина (высота).
При толщине стен > 30 см или радиусе инерции сечения > 8,7 см длительность действия нагрузки допускается не учитывать, mg принимают равным 1. Коэффициенты продольного изгиба ф принимают по табл. 2.36. Коэффициенты ф при промежуточных величинах гибкостей определяются интерполяцией. Коэффициенты ф для гибкостей, превышающих предельные значения, принимают при определении фс в случае расчета на внецентренное сжатие с большими эксцентриситетами. Для кладки с сетчатым армированием величины упругих характеристик могут быть менее 200. Расчетную высоту (длину) каменных стен и столбов l0 при определении коэффициентов продольного изгиба ф и mg находят, учитывая конструктивную схему здания. При жесткой конструктивной схеме здания рассчитываемый элемент (участок стены или столб в пределах этажа) считается шарнирно опертым снизу и сверху на жесткие неподвижные в горизонтальном направлении опоры, при этом l0 = Н.
При упругой конструктивной схеме рассчитываемый элемент считается неподвижно заделанным на нижней опоре и имеющим вверху смещаемую в горизонтальном направлении упругую шарнирную опору; расчетная длина принимается в зависимости от количества пролетов. Значения расчетной длины элемента даны в табл. 2.37. В таблице: H — расстояние между перекрытиями или другими горизонтальными) опорами. При железобетонных перекрытиях H — расстояние между перекрытиями в свету. В одноэтажных зданиях за нижнюю опору принимается уровень чистого пола. При жестких опорах и заделке в стены сборных железобетонных перекрытий l0 = 0,9H, а при монолитных железобетонных перекрытиях, опертых на стены по четырем сторонам, l0 = 0,8Н. Если нагрузкой является только собственная масса элемента в пределах рассчитываемого участка, то расчетную высоту l0 сжатых элементов нужно уменьшить умножением на коэффициент 0,75.
В стенах, ослабленных проемами, при расчете простенков коэффициент ф принимается в зависимости от гибкости стены. Для узких простенков, ширина которых меньше толщины стены, производится также расчет простенка в плоскости стены; при этом расчетная высота простенка принимается равной высоте проема. Для ступенчатых стен и столбов, верхняя часть которых имеет меньшее поперечное сечение, коэффициенты ф и mg вычисляются следующим образом:
а) при опирании стен (столбов) на неподвижные шарнирные опоры — по высоте l0 = H и наименьшему сечению, расположенному в средней трети высоты H;
б) при упругой верхней опоре или при ее отсутствии — по расчетной высоте l0, определенной по табл. 2.22, и сечению у нижней опоры, а при расчете верхнего участка стены (столба) высотой H1 по расчетной высоте l01 и поперечному сечению от этого участка; l01 — определяется так же, как l0, но при H=H1. Для стен и столбов, имеющих нижнюю защемленную и верхнюю упругую опоры, при расчете сечений нижней части стены или столба до высоты 0,7H принимаются расчетные значения ф и mg, а при расчете сечений верхней части стены или столба ф и mg увеличиваются до единицы по линейному закону (рис. 2.18). Для свободно стоящих стен и столбов при расчете сечений в их нижней части (до высоты 0,5Н) принимаются расчетные значения ф и mg, а в верхней половине значения ф и т увеличиваются до единицы по линейному закону (см. рис. 2.18).
Коэффициенты ф и mg по высоте стены принимаются переменными. Для стен и столбов, опирающихся на шарнирные неподвижные опоры (l0 = Н), при расчете сечений, расположенных в средней трети высоты l0, значения ф и mg принимаются постоянными, равными расчетным значениям, определенным для данного элемента. Для сечений на участках в крайних третях l0 коэффициенты ф и mg увеличиваются по линейному закону до единицы на опоре (см. рис. 2.18).
Выбор типов кладки стен каменных зданий производится с учетом климатических условий района строительства, наличия местных каменных материалов: кирпича, пустотелых керамических и бетонных камней, природных камней, кирпичных панелей и крупных блоков, теплоизоляционных материалов, а также температурно-влажностного режима помещений. При возведении каменных конструкций применяют кладку из камней правильной формы: сплошную кладку из кирпича и камней; сплошную кладку из крупных блоков; облегченную кладку из кирпича и камней; кладку из камней неправильной формы: бутовую; бутобетонную. Сплошные кладки выполняют из одного каменного материала; многослойные — из разных материалов; в облегченных кладках часть основного несущего материала заменяют воздушной прослойкой, теплоизоляционными плитами, камнями из легких и ячеистых бетонов, минеральными засыпками и пр. При сплошных кладках обычно применяют цепную и многорядную перевязки (рис. 2.19). Прочность кладки на сжатие практически одинакова для всех систем перевязки, но многорядная перевязка имеет преимущества, так как ложковые ряды придают кладке прочность в продольном правлении, а тычковые в поперечном; многорядная перевязка придает кладке большую сопротивляемость в продольном направлении, при многорядной перевязке вертикальные швы обладают большим сопротивлением образованию трещин. Кладка должна удовлетворять основному требованию — прочности на сжатие, но кладки одинаковой прочности на сжатие отличаются прочностью при растяжении, срезе и другими показателями, зависящими от различных конструктивных факторов. Поэтому в действующих нормах отсутствуют марки кладки. По конструктивному решению каменную кладку разделяют на сплошную (из кирпича или камней правильной формы); облегченную (из несущих кирпичных слоев и эффективного утеплителя, располагаемого внутри); легкую (из камней из легких бетонов). Для расчетов каменных конструкций пользуются расчетными сопротивлениями кладки при сжатии, растяжении, изгибе и срезе, которые определяют в зависимости от марки камня и марки раствора. Обеспечение оптимальной прочности кладки из камней правильной формы достигается ее монолитностью, или способностью не расслаиваться на отдельные участки. Монолитность кладки обеспечивают сцеплением камней с раствором и перевязкой камней в горизонтальных рядах. Поперечное расширение при плохой перевязке вертикальных швов, как следствие продольного сжатия, вызывает при относительно небольших сжимающих напряжениях разрыв камней, перекрывающих шов, и расслоение кладки на рад тонких высоких столбиков, которые из-за продольного изгиба выпучиваются, что приводит к значительному снижению прочности кладки.
Особенно опасна плохая перевязка при внецентренном и местном сжатии, при изгибе, срезе и растяжении кладки. Поэтому к перевязке кладки предъявляют конструктивные требования по наличию тычковых рядов: для кладки из полнотелого кирпича толщиной 65 мм — один тычковый ряд на шесть рядов кладки; из кирпича толщиной 88 мм и пустотелого толщиной 65 мм — один тычковый ряд на четыре ряда кладки; для кладки из камней при высоте ряда до 200 мм — один тычковый ряд на три ряда кладки (тычки могут располагаться в отдельных тычковых рядах, или чередоваться с ложками; уменьшение количества тычков против требуемого в два раза, снижает прочность кладки на 25 %).
В стенах из бетонных и природных тычковых и ложковых камней устраивают двухрядную перевязку, при которой каждые два ложковых ряда перекрываются тычковым рядом; более редкое расположение тычковых рядов не допускается, так как это приводит к снижению прочности кладки, особенно при внецентренном сжатии. Стены толщиной 390 мм выкладывают из двух ложковых параллельных стенок, не перевязанных между собой тычковыми камнями; связь между этими стенками обеспечивается металлическими анкерами с антикоррозионным покрытием. Можно располагать в поперечном сечении кладки одну или две продольные половинки, которые в сочетании с целыми камнями перекрывают вертикальные продольные швы в каждом ряду без тычковых камней. Сплошную массивную кладку облегчают, применяя более легкий пустотелый кирпич (пористый, дырчатый, пористодырчатый), пустотелые бетонные камни, камни из легкого бетона, с утеплителем (рис. 2.20). Такая кладка рекомендуется для малоэтажных зданий, для верхних этажей многоэтажных зданий, или для самонесущих стен зданий из монолитного железобетона, так как в этих случаях нагрузки невелики и позволяют использовать пустотелый кирпич, менее прочный по сравнению со сплошным. В качестве арматуры для армокаменных конструкций рекомендуется использовать горячекатаную круглую сталь класса А240 и периодического профиля класса А400, а также арматурную проволоку холоднотянутую периодического профиля класса В500 диаметром 3...8 мм. Для соединительных элементов, закладных деталей и стальных обойм применяют листовую и полосовую сталь, фасонные профили. Прочностные характеристики каменной кладки, принимаемые в расчетах, определяют на основании испытаний образцов. Нормативное сопротивление кладки — это минимальное контролируемое значение предела прочности кладки при гарантированной прочности с обеспеченностью 0,95. Расчетное сопротивление кладки получают делением нормативного сопротивления на коэффициент надежности по материалу. Расчетные сопротивления кладки сжатию в ряде случаев умножают на коэффициент условия работы у , величина которого больше единицы при благоприятных условиях и меньше единицы при неблагоприятных условиях.
