Введение
Возведение зданий из мелкоштучных стеновых материалов с использованием специальных видов кладочных растворов всегда представляло интерес с точки зрения повышения несущей способности кладки, архитектурно-художественной выразительности застройки, своеобразия внешних силуэтов и пластики интерьеров [3, 4].
Для обеспечения долговечности возводимых зданий и сооружений необходимо обеспечить надежную совместную работу составляющих кладки [1, 2]. Эта задача актуальна в связи с участившимися в последнее время случаями аварий и разрушений различного характера.
Традиционно используемые цементные кладочные растворы по ряду свойств не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к растворам для каменной кладки повышенной степени надежности [2, 5, 7].
Для повышения эффективности работы кладки следует использовать модификацию кладочных растворов добавками полимеров [6–8].
В настоящее время добавки эмульсий и латексов полимеров вводятся в количестве 10…20 % от массы цемента. Рациональное решение этой проблемы заключается в сокращении расхода дорогостоящих полимеров.
Проведенные ранее исследования [7] показали, что растворы с добавкой водорастворимых неионогенных полимеров при сравнительно небольших дозировках (0,2–0,5 %) обеспечивают достаточно высокие показатели технологических и адгезионных свойств, что имеет важное значение в производстве кладочных работ.
Несущая способность и эффективность работы каменной кладки определяется не только прочностью её составляющих, но и их деформативными характеристиками: величиной и соотношением деформаций кирпича и раствора. Для повышения прочности кладки при центральном сжатии необходимо «улучшить» работу камня за счёт уменьшения деформаций раствора и снижения, тем самым, его внутренних напряжений.
Цель исследования
В связи с этим цель данной работы заключалась в исследовании несущей способности и эффективности работы каменной кладки в условиях центрального сжатия на основе кладочных растворов с добавками водорастворимых полимеров с учетом напряженно-деформормативного состояния кладки.
Материал и методы исследования
В работе [1] приведены результаты исследований влияния эмульсии ПВА в количестве до 20…25 % в составе цементно-песчаного раствора на напряженно-деформормативное состояние кладки. Однако недостатком кирпичной кладки с применением ПВА является повышенный расход дорогостоящей эмульсии и низкая водостойкость кладочного раствора.
В результате проведенных сравнительных исследований, в том числе при выполнении гранта № Б-5/12 в рамках Программы стратегического развития БГТУ им. В. Г. Шухова на 2012–2016 годы (№ 2011-ПР-146), установлено, что взамен 20 % ПВА-эмульсии в состав растворов целесообразнее вводить добавки неионогенных эфиров целлюлозы (например, метилцеллюлозы (МЦ) или оксиэтилцеллюлозы (ОЭЦ)) в количестве 0,5…1 %. Растворы с добавками полимеров МЦ и ОЭЦ сопоставимы по технологическим и физико-механическим характеристикам с растворами, содержащими эмульсию ПВА в указанных дозировках. Преимуществом растворов, модифицированных эфирами целлюлозы, является значительно меньший расход полимера, меньшая усадка, лучшие экологические показатели и водостойкость (за счет снижения расхода полимера в 7…10 раз), большая прочность сцепления раствора с кирпичом, более равномерное заполнение швов кладки раствором.
Для исследования деформативности и несущей способности кладки в условиях ее центрального сжатия были изготовлены образцы-столбы кладки размером 25×25×100 см с использованием модульного силикатного кирпича (
=15,2 МПа, 
=2,7 МПа) и растворов:
1) традиционного цементно-песчаного (=23,8 МПа; =7,2 МПа);
2) цементно-песчаного с добавкой 0,5 % МЦ; (=20,6 МПа, =6,3 МПа).
Соотношение цемент – песок в растворах составляло 1:3. Подвижность цементно-песчаного кладочного раствора без добавки и с добавкой метилцеллюлозы составляла 11 см по конусу СтройЦНИЛ, толщина растворных швов в кладке находилась в пределах 12–15 мм.
Продольные и поперечные деформации образцов-столбов, а также кирпича и раствора при ступенчатом нагружении фиксировали с помощью индикаторов часового типа с ценой деления 0,01 и 0,001 мм с разными базами установки.
Результаты исследования и их обсуждение
На рис. 1 и в таблицах 1, 2 приведены сравнительные результаты экспериментальных исследований деформативных свойств кирпичной кладки на традиционных цементно-песчаных растворах и цементно-полимерных растворах.
Как видно из графиков (рис. 1, а), зависимость между напряжениями и деформациями кладки, выполненной из силикатного полнотелого кирпича на цементно-песчаном растворе, – явно нелинейная. Криволинейность графиков деформаций кладки на традиционном растворе можно объяснить неравномерностью контактных прослоек между кирпичом и жестким раствором.
Высокая пластичность цементно-полимерного раствора обеспечивает более полный контакт с кирпичом и равномерное заполнение швов. Зависимости деформаций кладки от интенсивности нагружения в этом случае приближаются к линейным (рис. 1, б), в связи с чем, кладку на цементно-полимерном растворе можно в целом считать более однородной и упругой.
Рис. 1. Зависимость относительных продольных (а) и поперечных (б) деформаций кладки на цементно-песчаном растворе без добавки и с добавкой 0,5 % МЦ от интенсивности нагружения (eпрод – относительная продольная деформация, eпопер – относительная поперечная деформация, s/Ru – интенсивности нагружения, s – сжимающее напряжение, Ru – прочность кладки)
Отличительной особенностью деформирования кладки на растворе с добавкой 0,5 % метилцеллюлозы является также большее значение модуля упругости: в 1,5–1,8 раз (соответственно для начальной и конечной стадии нагружения кладки) по сравнению с традиционным цементно-песчаным раствором (табл. 1, 2). Коэффициент поперечных деформаций (ν) у кладки на цементно-полимерном растворе снижается с ростом нагрузки, вплоть до появления первых трещин в кладке. Это связано с меньшими поперечными деформациями кладки на растворе с добавкой 0,5 % метилцеллюлозы и довольно высокой адгезией его с силикатным кирпичом.
Таблица 1
Деформативные характеристики кладки на цементно-песчаном растворе
|
σ/Ru |
0,09 |
0,18 |
0,27 |
0,36 |
0,45 |
0,55 |
0,60 |
|
E∙10-3, МПа |
5,33 |
5,71 |
5,33 |
5,93 |
5,97 |
5,15 |
4,86 |
|
ν =eпопер /eпрод |
0,13 |
0,14 |
0,13 |
0,15 |
0,17 |
0,19 |
0,20 |
Таблица 2
Деформативные характеристики кладки на цементно-песчаном растворе с добавкой 0,5 % метилцеллюлозы
|
σ/Ru |
0,06 |
0,21 |
0,27 |
0,34 |
0,48 |
0,55 |
0,62 |
0,73 |
|
E∙10-3, МПа |
8,89 |
10,91 |
10,32 |
10,26 |
9,18 |
8,65 |
8,09 |
9,20 |
|
ν =eпопер /eпрод |
0,22 |
0,18 |
0,17 |
0,16 |
0,14 |
0,14 |
0,15 |
0,17 |
Разрушение кладки начиналось с появления первых трещин в отдельных кирпичах. Как правило, они возникали в центре длины ложка кирпича при нагрузке в среднем 0,45 от разрушающей у кладки на традиционном растворе и при нагрузке 0,62 от разрушающей – на цементно-полимерном растворе.
С ростом интенсивности нагружения локальные трещины объединялись в магистральные с последующим их перерастанием в поверхности разрушения. Появление магистральных трещин в кладке на цементно-песчаном растворе происходило при нагрузке 0,55…0,6, а на цементно-полимерном растворе при нагрузке 0,7…0,75 – от разрушающей.
Несущая способность кладки на цементно-полимерном растворе составила 11,6 МПа, что на 20 % выше несущей способности кладки на традиционном растворе. Коэффициент использования прочности кирпича в кладке возрос с 0,58 (кладка на цементно-песчаном растворе) до 0,77 (кладка на цементно-песчаном растворе с добавкой 0,5 % метилцеллюлозы).
Заключение
Таким образом, проведенные исследования деформативности и несущей способности кладки в условиях ее центрального сжатия подтвердили целесообразность использования добавки метилцеллюлозы в количестве 0,5 % в составе кладочного раствора. Использование разработанных растворов, с низким водоотделением, повышает монолитность кладки, предотвращает разупрочнение и трещинообразование кладки на стыке кирпича и раствора, улучшает физико-механические свойства кирпича и коэффициент использования прочности кирпича в кладке. Благодаря низкому расходу полимера такая кладка обладает повышенной водостойкостью по сравнению с традиционными составами и с добавкой ПВА-эмульсии.
В связи с этим рекомендуется использовать разработанные цементно-полимерные композиции с целью увеличения степени надежности зданий и сооружений в условиях динамических воздействий различного происхождения. Особенно эффективно их использование в целях повышения сейсмостойкости зданий и сооружений.
Рецензенты:
Юрьев Александр Гаврилович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой сопротивления материалов и строительной механики, Министерство образования и науки России, ФГБОУ Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, г. Белгород.
Лесовик Руслан Валерьевич, доктор технических наук, профессор, проректор по международной деятельности, профессор кафедры строительного материаловедения, изделий и конструкций, Министерство образования и науки России, ФГБОУ Белгородский государственный технологический университет им. В. Г. Шухова, г. Белгород.