Виды каменных материалов и строительных растворов.

В настоящее время для фундаментов, стен и столбов зданий и сооружений, подпорных стен, плотин, дымовых труб, водонапорных башен, сводов, канализационных коллекторов, колодцев и других конструкций кладку делают из природных и искусственных камней малых и больших размеров; она отличается большим разнообразием по виду материала, по конструктивному решению и способам возведения.

Наружные стены из кирпичной сплошной кладки ввиду большой теплопроводности кирпича получаются массивными (особенно в северных районах), поэтому их применение требует технико-экономического обоснования.

Чтобы повысить экономическую эффективность наружных стен зданий, рекомендуется применять облегченные кладки, а также сплошные кладки из пустотелого (пористого, дырчатого, пористодырчатого) кирпича и из эффективных пустотелых бетонных камней, если это возможно по условиям прочности конструкции.

Целесообразно применять облегченные кладки, а также кладки из легких керамических и бетонных камней. Такие кладки рекомендуются в первую очередь при строительстве малоэтажных зданий, а также в верхних этажах многоэтажных зданий, т.к. нагрузки от таких стен невелики и толщина их определяется в основном теплотехническим расчетом и требованиями звукоизоляции.

Стены из крупных блоков и панелей в наибольшей степени отвечают требованиям индустриализации строительства, они дешевле и менее трудоемки и поэтому в настоящее время занимают ведущее место в капитальном строительстве.

Каменная кладка состоит из камня и раствора, а в армированной кладке в швы закладывают стальную арматуру. В облегченные кладки включают также утеплитель.

Каменные материалы подразделяют по ряду признаков:

1) По происхождению – на природные, добываемые в карьерах, и искусственные, изготовляемые на заводах и полигонах из различного сырья путем обжига при высокой температуре или на основе вяжущих с твердением на воздухе или с термообработкой;

2) По величине – камни крупные (блоки) высотой 50см и более, мелкоштучные камни (обыкновенные) высотой до 200мм и кирпич высотой 65,88 и 103мм;

3) По материалу – искусственные камни: глиняные, силикатные, бетонные, легкобетонные, ячеистые и природные камни: гранит, известняк (бут), известняк-ракушечник, туф и др.

К каменным материалам предъявляются требования по прочности, долговечности и теплозащитным свойствам. Прочность камней характеризуется их марками.

Искусственные камни. Кирпич. Виды кирпича: глиняный обыкновенный (обожженный), силикатный, шлаковый, глиняный пустотелый.

Керамические пустотелые камни выпускаются с вертикальными или горизонтальными пустотами, объем пустот в них достигает 50-60%. Благодаря наличию пустот значительно улучшаются теплотехнические свойства камня.

Бетонные обыкновенные камни изготовляют из тяжелого бетона, из легкого бетона на пористых заполнителях и из ячеистого бетона. Камни выпускаются, как правило, облегченными с щелевидными пустотами или трехпустотные, но могут быть и сплошными (для фундаментов, цоколей и стен мокрых помещений).

Гипсовые, гипсобетонные и грунтовые камни, а также сырцовый (необожженный) кирпич применяют из-за их малой прочности и водостойкости для кладки стен одноэтажных временных зданий.

Природные камни добывают в карьерах из горных пород: доломитов, известняков, песчаников, гранита, туфа вулканического и др. Кладка из камней правильной формы, хорошо отесанных, имеет более высокую прочность, чем кладка из грубо отесанных камней.

Известняковый камень – бут рваный, постелистый, под скобу и бутовая плита – применяется для кладки фундаментов и стен подвалов, а также при возведении стен одноэтажных с/х построек.

Тесаные камни из мрамора, песчаников, гранита, известняка плотного и других пород применяют для облицовок цоколей, столбов, стен, полов и т.д.

Облицовочные каменные материалы служат для оформления фасадов, отделки поверхностей стен и столбов. К этим материалам относятся: лицевой кирпич, керамические лицевые камни и облицовочные плиты, бетонные плиты и природный камень.

Крупные блоки. Применяются бетонные, силикатные блоки, из кирпича и керамических камней, а также из природного камня. По назначению блоки подразделяют на фундаментные, для стен подвалов, цоколей, внутренних и наружных стен, сантехнические, для электропроводок, карнизные и др.

Строительные растворы. Раствор обеспечивает связь отдельных камней между собой, образуя единый монолит – кладку, уменьшает ее продуваемость и влагопроницаемость. В горизонтальных швах раствор способствует более равномерной передаче нагрузок между рядами кладки, что делает ее более прочной.

В зависимости от вида вяжущих различают растворы: цементные, известковые и смешанные (цементно-известковые и цементно-глиняные); применяются и чисто глиняные растворы. По плотности (в сухом состоянии) растворы для кладки подразделяют на: тяжелые при р≥1500 кг/м³ и легкие при р<1500 кг/м³.

Цементные растворы имеют высокую прочность и стойкость при атмосферных и других воздействиях. Но они требуют большого расхода цемента и поэтому дороги. Чтобы повысить пластичность и водоудерживающую способность цементных растворов, добавляют глину или известь около 10-20% объема цемента. Растворы с такими добавками наз. смешанными.

Известковые и глиняные растворы обладают низкой прочностью, медленно твердеют во времени, подвержены быстрому разрушению при повышенной влажности. Их применяют только для малонагруженных стен зданий, а глиняные растворы – при кладке печей.

53. Марки каменных материалов и растворов.

К каменным материалам предъявляются требования по прочности, долговечности и теплозащитным свойствам. Прочность камней характеризуется их марками.

Марка камней определяется по временному сопротивлению их при сжатии в кгс/см² (или Н/м² = Па) в образцах установленной формы и размеров, а для кирпича – в зависимости от временного сопротивления его при сжатии и изгибе.

Каменные материалы подразделяют на следующие группы: высокой прочности (марок 300, 400, 500, 600, 800, 1000), средней прочности (марок 35, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250) и низкой прочности (марок 4, 7, 10, 15, 25). Марки пустотелых камней и природных камней (слоистых) определяют испытанием их на сжатие в том положении, в каком они будут находиться под нагрузкой в конструкции.

Марку сплошных и пустотелых бетонных и силикатных крупных блоков R определяют проектной прочностью бетона при сжатии в кубах с ребрами 20см.

Бетоны, применяемые в качестве утеплителей кладки, должны иметь проектные марки по временному сопротивлению сжатию 7, 10, 15, а для вкладышей и плит не менее 10.

Долговечность каменных материалов характеризуется их стойкостью против атмосферных воздействий и определяется испытанием на морозостойкость. Требуемая морозостойкость материала Мрз, измеряемая числом циклов замораживания и оттаивания в насыщенном водой состоянии, для разных сооружений неодинакова и зависит от условий эксплуатации здания и степени надежности конструкции. Согласно СНиП, установлены следующие проектные марки каменных материалов и бетонов по морозостойкости – Мрз 10, 15, 25, 35, 50, 100, 150, 200 и 300.

Прочностные свойства растворов характеризуются следующими марками: 4, 10, 25, 50, 75, 100, 150 и 200. Марки раствора – это предел прочности при сжатии R₂₈, кгс/см², образцов кубов размером 70,7х70,7х70,7 мм, выдержанных 28 сут. и испытанных согласно ГОСТ.

52. Расчет каменной кладки на центральное и внецентренное сжатие.

1. При центральном сжатии напряжения равномерно распределяются по сечению элемента. Несущая способность таких элементов зависит не только от прочности кладки, но и от гибкости элементов. Гибкость элемента λ определяется отношением расчетной высоты (длины) l₀ к величине меньшей стороны сечения h или меньшему радиусу инерции сечения элемента r:

λ = l₀/h или λ = l₀/r_мин

Элементы с малой гибкостью разрушаются, как правило, от достижения напряжениями в кладке предела прочности (временного сопротивления) сжатию σ = R.

Из условия равновесия усилий на вертикальную ось можно записать, что в момент разрушения N = R¹F, где N – внешняя нормальная сила, F – площадь сечения, R – предел прочности кладки.

В элементах большой гибкости разрушение происходит от потери устойчивости при напряжениях в сечении меньше предельных σ <R¹.

Это снижение несущей способности учитывают введением в расчетную формулу коэффициента φ ≤ 1, называемого коэффициентом продольного изгиба.

Расчетная формула для определения несущей способности элемента с учетом потери устойчивости: R=(R¹/k)*m_K, где m_К – коэффициент условий работы кладки.

Таким образом, условие для расчета неармированных центрально сжатых элементов по несущей способности примет вид N≤ m_длφRF.

Коэффициент продольного изгиба φ зависит от упругой характеристики кладки α и гибкости элемента λ. В нормах значения φ даны для кладок при α = 1000; для других кладок, глее α не равна 1000, коэффициент φ принимают по приведенной гибкости элемента λ_пр^h или λ_пр^r:

Расчетная высота l₀ каменных стен и столбов зависит от условий закрепления их концов на опорах:

А) при шарнирном опирании на неподвижные в горизонтальном направлении опоры l₀ = H (где Н – высота этажа);

Б) Для свободно стоящих конструкций при отсутствии связи их с перекрытиями или другими горизонтальными опорами l₀ =2Н;

В) для конструкций с частично защемленными опорными сечениями – не менее l₀ = 0,8Н.

Опытами установлено, что ввиду неоднородности кладки невозможно точно приложить внешнюю силу по физической оси элемента. Всегда есть какой-то случайный небольшой эксцентрицитет е₀, который для стен толщиной более 25 см вообще не учитывается. Однако в тонких гибких элементах при длительном действии нагрузки с течением времени в результате явлений ползучести кладки происходит постепенное увеличение отклонения элемента от первоначального положения, вследствие чего увеличиваются и случайные эксцентрицитеты приложения силы и изгибающие моменты, вызываемые этими эксцентрицитетами. Это приводит к снижению прочности кладки. Учитывают этот фактор введением в расчетную формулу коэффициента m_дл ≤ 1.

Коэффициент m_дл принимают равным единице, когда меньшая сторона прямоугольного сечения элемента h ≥ 30см или меньший радиус инерции сечения r ≥ 8,7см. В остальных случаях для центрально-сжатых элементов (при е₀ = 0) коэффициент вычисляют по формуле m_дл = 1 – η (N_дл/N)

2. Внецентренное сжатие является наиболее распространенным видом работы каменных конструкций. Оно возникает, когда вертикальная нагрузка N передается не по оси элемента, а с некоторым эксцентрицитетом е₀. Внецентренное сжатие может быть также вызвано действием изгибающего момента М от поперечной (горизонтальной) нагрузки, например от давления ветра, давления земли на стены подвала, тормозных усилий от мостовых кранов в промышленных зданиях и т.д. В этом случае эксцентрицитет е₀ = M/N. Тонкие гибкие элементы каменных конструкций (стены, столбы) толщиной менее или равные 25см, которые испытывают центральное нагружение, тоже рассчитывают как внецентренно-сжатые с учетом случайных эксцентрицитетов, равных: для несущих стен 2см, для самонесущих стен и отдельных слоев трехслойных несущих стен 1см. При эксцентрицитете продольной силы его суммируют со случайным эксцентрицитетом: е = е₀ + (1 … 2см).

Напряженное состояние кладки. При внецентренном сжатии кладки одна часть сечения (со стороны приложения вертикальной силы) более сжата, а другая, противоположная часть, менее сжата или может быть даже растянута при значительных эксцентрицитетах. Эпюра напряжений σ имеет криволинейное очертание.

В случае сравнительно малых эксцентрицитетов, когда е₀ находится в пределах ядра сечения, эпюра напряжений будет однозначна (сжатие) и разрушение элемента будет происходить со стороны более сжатой грани при σ = R.

При значительных эксцентрицитетах е₀ эпюра напряжений двухзначна. В растянутой зоне при достижении предела прочности кладки растяжению по горизонтальным швам образуются трещины, и эта часть кладки как бы исключается из работы. В сжатой зоне сечения со стороны продольной силы нагрузку воспринимает ненарушенная часть сечения высотой h¹. Чтобы упростить расчеты, фактическую криволинейную эпюру напряжений заменяют здесь прямоугольной.

В предельном состоянии несущая способность внецентренно-сжатого элемента определяется сопротивлением сжатой части кладки F_с с учетом снижения прочности от потери устойчивости (коэффициент φ₁) и в результате ползучести при длительном действии нагрузки (коэффициент m_дл). В общем виде формула для расчета сечений неармированной кладки имеет след.вид (из условия равенства внутренних и внешних сил на вертикальную ось ΣN_у-у = 0): N≤ m_длφ₁RF_cω, где R – расчетное сопротивление кладки сжатию, F_с - площадь сжатой части сечения, у которой центр тяжести совпадает с точкой приложения внешней силы N.

Для прямоугольного сечения формула примет вид:

N ≤ m_длφ₁RF (1 – 2e₀/h)ω, где F – площадь всего сечения элемента, h – высота сечения (в направлении действия изгибающего момента).

Коэффициент φ₁ зависит от эксцентрицитета е₀, гибкости элемента λ = l₀/h и определяется в функции от коэффициента продольного изгиба φ центрально-сжатых элементов.

При внецентренном сжатии менее загруженная часть сечения оказывает поддерживающее влияние на более загруженную; при этом чем больше эксцентрицитет е₀, тем больше это влияние. Работу сжатой части внецентренно-сжатого сечения можно условно рассматривать как случай местного сжатия. Поэтому расчетное сопротивление кладки сжатию R при внецентренном сжатии можно увеличить до 25%. В расчетных формулах это учтено введением коэффициента ω, который не должен превышать 1,25 и равен:

для прямоугольных сечений

для сечений произвольной формы:

При внецентренном сжатии влияние явлений ползучести под длительно действующей нагрузкой N_дл сказывается на несущую способность элемента значительно больше, чем при центральном сжатии. Чем больше эксцентрицитет е_0дл, тем меньше коэффициент m_дл. Согласно нормам, коэффициент m_дл определяют по формуле

При h≥30см или r≥8,7см коэффициент m_дл = 1.

В случае когда е₀≤е_пр = 0,7у допускается небольшое раскрытие трещин в горизонтальных швах кладки со стороны растянутой зоны сечения. Такое раскрытие швов незаметно на глаз и не вызывает появления видимых трещин в облицовке или штукатурке стен.

Однако при е₀>е_пр = 0,7у раскрытие швов становится заметным, в отделке стены могут образоваться трещины, через которые будет проникать в стену влага и при замерзании и оттаивании воды кладка может постепенно разрушиться. Поэтому при е₀>е_пр необходимо каменные конструкции рассчитывать не только по несущей способности (предельное состояние первой группы), но и по раскрытию трещин швов кладки (предельное состояние второй группы), чтобы не допустить их чрезмерного раскрытия.

Расчет по раскрытию трещин внецентренно-сжатых элементов производится по условным напряжениям растяжения в растянутой зоне. При этом напряжения в сжатой зоне сравнительно малы и зависимость между напряжениями σ и деформациями ε близка к прямолинейной (условно можно принять σ/ε=const). Поэтому при расчете на трещины для определения напряжения растяжения σ_р используют формулу сопротивления материалов, выведенную для идеально упругих тел:

Расчетная формула:

Раскрытие трещин в кладке в общем не является более опасным, чем разрушение ввиду исчерпания прочности кладки. Поэтому коэффициент условий работы кладки по раскрытию трещин m_тр принимается больше единицы: m_тр = 1, 2, … 3 в зависимости от характеристики и условий работы кладки и степени надежности конструкций.

Если условие не соблюдается, то либо изменяют прочностные характеристики материалов кладки, либо назначают сечение большего размера.