Кладка каменная (кирпичная)

Конструкция, предназначенная для возведения фундаментов, наружных и внутренних стен зданий, перекрытий, арок, дымовых труб, мостов, подземных коллекторов, водонапорных башен, элеваторов и др., а также других сооружений - подпорных стенок, оград и т. п. Кладка каменная долговечна, огнестойка, повсюду может быть изготовлена из местного сырья. Наряду с этими преимуществами имеются существенные недостатки - многие виды кладок обладают большим объемным весом, высокой теплопроводностью; кладка из штучного камня требует больших затрат ручного труда.

Для каменной кладки применяют искусственные и естественные камни: кирпич глиняный (обыкновенный, пустотелый, пористо-пустотелый и легковесный), кирпич силикатный и шлаковый, камни сплошные и пустотелые, крупные блоки и панели из обычного (тяжелого), силикатного и легкого бетона, а также растворы (цементные, известковые, гипсовые и смешанные - цементно-известковые, цементно-глиняные). Материал для каменной кладки выбирается в зависимости от необходимой капитальности сооружения, прочности и теплоизоляционных свойств конструкций, наличия местного сырья и экономических соображений. Каменные материалы должны удовлетворять определенным требованиям по прочности, морозостойкости, теплопроводности, водостойкости, водопоглощению, воздухостой кости и устойчивости в агрессивной среде, по форме, размерам и фактуре лицевой поверхности. К растворам дополнительно предъявляются требования по удобоукладываемости и водоудерживающей способности.

Каменная кладка является неоднородным телом, состоящим из камней, уложенных в определенном порядке на растворах различных видов, образующих швы кладки. Этим обусловливаются особенности работы кладки: при сжатии кладки усилие передается неравномерно вследствие местных неровностей и неодинаковой плотности отдельных участков затвердевшего раствора. В результате камни подвергаются не только сжатию, но также изгибу и срезу.

Рис.1. Прочность кладки, выполненной
из различных каменных материалов
марки 100:
1 - рваный бутовый камень; 2 - кирпич;
3 - пустотелые бетонные камни;
4 - бетонные и естественные сплошные камни
правильной формы высотой 180…300 мм;
5 - крупные блоки из бетона и естественного камня
при высоте рада 500 мм и более

Характер разрушения кладки и степень влияния многочисленных факторов на ее прочность объясняются особенностями ее напряженного состояния при действии нагрузок. Разрушение обычной кирпичной кладки при сжатии начинается с появления отдельных вертикальных трещин, как правило, над и под вертикальными швами, что объясняется явлениями изгиба и среза камня, а также концентрацией растягивающих напряжений над этими швами.

Основное влияние на прочность кладки оказывает прочность кирпича при сжатии. Однако сопротивление кирпича растяжению и изгибу также оказывает большое влияние на прочность кладки. Поэтому государственный стандарт устанавливает требования к прочности кирпича как при сжатии, так и при изгибе. Прочность камня оценивается только при сжатии, так как влияние изгибной прочности элемента кладки на прочность с увеличением толщины элемента (изделия) снижается.

Каменная кладка состоит из отдельных чередующихся слоев камня и раствора. Даже при передаче усилия равномерно по всему сечению в кладке возникает сложное напряженное состояние, и отдельные кирпичи работают на изгиб, растяжение, срез и местное сжатие. Причиной этого, прежде всего, служат неровности постели камня, неодинаковая толщина и плотность горизонтальных швов кладки, что зависит от тщательности перемешивания раствора, степени разравнивания и обжатия его при укладке камня, условий твердения и др. Кладка, выполненная квалифицированным каменщиком, на 30% прочнее, чем выполненная рабочим средней квалификации. Другая причина сложного напряженного состояния кладки - различные упруго-пластические свойства раствора и камня. Под действием вертикальных сил в растворном шве возникают значит. деформации, которые ведут к раннему появлению трещин в камне. Прочность кладки при сжатии вследствие возникновения в ней сложного напряженного состояния значительно меньше сопротивления сжатию камня (кирпича). Например, прочность кирпичной кладки при слабых растворах составляет всего лишь 10…15% от прочности кирпича, при растворах средней и низкой прочности 20…25%, при растворах высокой прочности 30…40% прочности кирпича. Прочность вибрированной кладки составляет 60…80% от прочности кирпича.

Перевязка кирпичной кладки на прочном растворе при осевом сжатии несущественно влияет на прочность кладки, если она выполняется не реже, чем в каждом седьмом ряду. Однако при кладке, выполняемой в зимних условиях или в сейсмических районах, при большей внецентренности приложения нагрузки и больших местных нагрузках рекомендуется применять цепную перевязку.

Из графика (Рис.1) видно, что при использовании камней правильной формы наибольшей прочностью при сжатии обладает кладка из крупных блоков, а наименьшей - из кирпича. Более высокие камни имеют и больший момент сопротивления, что значительно увеличивает их сопротивление при изгибе. Сопротивление камня растяжению и срезу пропорционально площадки его сечения. Кладка из бутового рваного камня неправильной формы отличается наиболее низкой прочностью.

Рис.2. Сетчатое (поперечное)
армирование кладки:
1 - прямоугольная сетка;
2 - сетка "зигзаг"

Прочность вибрированной кирпичной кладки при оптимальных условиях вибрирования примерно вдвое выше прочности ручной кладки и приближается к прочности кирпича. Это объясняется лучшим заполнением и уплотнением растворного шва и обеспечением лучшего контакта раствора с кирпичом. Повышение температуры твердения кладки ускоряет процесс ее упрочения на 75…100%. Однако конечная прочность кладки при этом мало изменяется. Твердение при пониженной температуре замедляет нарастание прочности кладки. Кладка, замороженная в процессе возведения, приобретает большую прочность, но после оттаивания возвращается к первоначальной прочности на свежем неотвердевшем растворе. В результате последующего твердения при положительной температуре (15…20°C) прочность оттаявшей кладки возрастает, но конечное ее значение остается ниже, чем у кладки, не подвергавшейся замораживанию, что объясняется разрыхлением раствора под воздействием низкой температуры. В среднем прочность при осевом сжатии отвердевшей после оттаивания кирпичной кладки ниже, чем кладки, полученной в нормальных условиях, на 12%, если замораживание произошло при температуре до -20°C, и на 25%, если температура была ниже -20°C.

Для усиления каменной кладки применяются следующие типы армирования:

• сетчатое (поперечное) армирование кирпичной кладки;
• продольное армирование любой каменной кладки с расположением арматуры внутри кладки или в штрабе (вертикальном и горизонтальном шве);
• армирование железобетоном - включение в кладку железобетона, монолитно с ней работающего (комплексные конструкции);
• армирование обоймами - включение кладки в железобетонные или металлические обоймы.

При сетчатом армировании кирпичной кладки (Рис.2) в горизонтальных швах укладываются стальные сетки из проволоки диаметром 3…6 мм. Размер ячеек сетки и расстояние между сетками по высоте назначаются в зависимости от требуемой прочности кладки. Стальные сетки, обладая более высоким модулем упругости, чем кладка, препятствуют ее поперечному расширению и создают напряжения сжатия в поперечном направлении, а также увеличивают сопротивление кладки на растяжение и срез. Армирование сетками может увеличить прочность кладки при осевом сжатии в 2…3 раза. Совместная работа стальных сеток с кладкой обеспечивается благодаря сцеплению арматуры с раствором и силам трения, возникающим под действием вертикальных сил.

Сетчатое армирование кирпичной кладки применяется при центральном сжатии в сильно нагруженных столбах, простенках и отдельных участках кладки при гибкости элементов не более 15. При малых эксцентрицитетах (не выходящих за пределы ядра сечения) эффективность сетчатого армирования снижается, что следует учитывать умножением на коэффициент (I - 2e₀/y), в котором e₀ - эксцентрицитет продольной силы относительно центра тяжести сечения; у - расстояние от центра тяжести до края сечения в сторону эксцентрицитета. При больших эксцентрицитетах сетчатое армирование не повышает прочности кладки.

Рис.3. Продольное армирование кладки:
а - внутреннее расположение арматуры;
б - расположение арматуры в штрабе кладки;
1 - хомуты; 2 - вертикальная арматура;
3 - раствор.

Продольное армирование (Рис.3) и армирование железобетоном (комплексные конструкции, Рис.4) применяются:

• для повышения несущей способности конструкций, когда в сечении возникают растягивающие усилия, превышающие расчетное сопротивление кладки при растяжении;
• в гибких элементах при гибкости более 15;
• в тонких стенах и перегородках для повышения их устойчивости и прочности при действии поперечных нагрузок;
• в стенах и столбах, подвергающихся значительной вибрации, для придания кладке большей монолитности, трещиноустойчивости и сейсмостойкости.

При центральном сжатии армокаменных конструкций с продольным армированием предел текучести арматуры в чисто армокаменном сечении и разрушение железобетона в комплексном сечении наступают раньше, чем предел прочности кладки. В результате, как в комплексном, так и в армокирпичном элементе, коэффициент использования кладки не превышает 0,85. В связи с этим продольное армирование кладки в сжатой зоне мало эффективно. Для обеспечения лучшей совместной работы кладки с продольной арматурой или железобетоном рекомендуется применять сетчатое армирование.

Рис.4. Усиление каменной кладки
железобетоном (комплексные конструкции):
а - с внутренним расположением железобетона;
б - с расположением железобетона в открытом канале;
1 - хомуты; 2 - вертикальная арматура;
3 - бетон.

Повышение прочности столбов и простенков путем включения кладки в обоймы из металлических уголков или железобетона необходимо, когда в кладке напряжение превышает допустимые нормы или имеются дефекты расслоения, недостаточная перевязка, трещины и пр. Металлическая обойма выполняется из вертикальной арматуры в виде стальных уголков, поставленных на растворе по углам усиливаемого столба или простенков, и поперечной арматуры в виде планок из полосового железа, которые привариваются к уголкам и затем покрываются слоем цементного раствора по сетке. Расстояние между планками по вертикали принимается не более толщины усиливаемого элемента. Возможно повышение прочности кладки железобетонной обоймой, осуществляемой путем бетонирования арматурного каркаса, состоящего из хомутов и вертикальных прутьев. Основную роль в обойме играет поперечная арматура (хомуты), которая препятствует поперечному расширению кладки под действием вертикальной силы и тем самым вызывает всестороннее сжатие кладки, увеличивая несущую способность конструкций. Штукатурная армированная обойма выполняется аналогично железобетонной, но взамен бетонирования арматурный каркас покрывается слоем штукатурки из прочного цементного раствора.

Повышение несущей способности кирпичных столбов, простенков эффективно достигается при выполнении предварительного натяжения хомутов или поперечных планок. В этом случае повышение несущей способности столбов, колонн, простенков может быть достигнуто в четыре раза.

Для утепления тонких каменных стен применяются легкие термоизоляционные материалы: плиты и камни из ячеистых бетонов, ячеистой керамики, минераловатные плиты, фибролит, камышит и т. п. Пустоты в облегченных кладках заполняют легкими бетонами и минеральной засыпкой (шлаки топливные, доменные гранулированные, минеральная вата и т. п.). Использование сыпучих утеплителей не допускается в зданиях выше двух этажей, а также при динамических воздействиях, которые могут вызвать большую осадку засыпки. В нижних этажах многоэтажных зданий для обеспечения необходимой прочности применяются сплошные стены из кирпича, камней и блоков. Вместо утолщения стен отдельные участки кладки можно усиливать сетчатым армированием или железобетонными элементами.

См. также Тычковый ряд, Ложковый ряд, Кладка вприсык, Кладка вприжим, Кладка впустошовку