Деформации ползучести каменной кладки

Если кладку сжать до напряжений σ_обж  и оставить последние без изменения в течение более или менее длительного срока не­изменными, то увеличение деформаций кладки, несмотря на отсутствие; роста напряжений, будет продолжаться. Явление увеличения де­формаций кладки во времени при постоянной величине напряже­ний называется ползучестью, а соответствующие деформации — деформациями ползучести ξ_плз . На рис. 1,б показаны кривые деформаций ползучести кирпичной кладки при напряжении и при напряжении σ_обж ˂ σ_тр и при σ_обж    ≈  0,8  ÷ 0,9 R^н.

 Рис. 1. Деформации кладки при повторных нагрузках (а) и при длительном воздействии постоянных нагрузок (б)   

Основные деформации ползучести кладки развиваются в на­чальный период после нагружения. В последующем, если σ_обж ˂ σ_тр,  прирост ξ_плз  заметно затухает и через 3 - 5 лет почти прекращается. При таких напряжениях неупругие деформации кладки вы­званы только ползучестью и, следовательно,

ξ_нy = ξ_плз, (1)

В этом случае величина деформаций ползучести  ξ_плз прямо пропорциональна величине действующих напряжений σ, т. е.

ξ_плз = Аσ, (2)

где А - величина, зависящая от возраста кладки, длительности воздействия  нагрузок, вида материалов, использованных для кладки, и т. д.

При напряжениях σ_обж  > σ_тр начинается заметное нарушение структуры материала и рост неупругих деформаций обгоняет рост напряжений и тем больше, чем больше σ_обж  ˂ σ_тр, линейная зави­симость (2) нарушается - наступает область нелинейной ползучести (рис. 2,а).

При σ_обж ≈ 0,8  ÷ 0,9 R^н, когда кладка находится в третьей ста­дии своей работы, затухания деформаций во времени не происходит, - наоборот, они накладываются на пластические деформации, связанные с постепенным разрушением кладки, и интенсивно воз­растают вплоть до полного ее разрушения.

Свойствами ползучести кладка в основном обязана ползучести раствора и прежде всего его участкам, расположенным в зоне соприкосновения с камнем, где раствор подвергается высоким (местным) напряжениям (и где поэтому, как следует из (2), наиболее высокие деформации ползучести), развивающимся в связи с неполным соприкосновением раствора с камнем. При вибрировании постигается более полное соприкосновение камня с раствором, чем при обычной кладке, и поэтому в контактной прослойке между камнем и раствором местные напряжения значительно меньше, что и приводит к соответствующему сниже­нию деформаций ползучести. Деформации ползучести вибрированной кирпичной кладки примерно вдвое меньше, чем невибрированной (при равных напряже­ниях).

Структура твердеющего вяжущего включает кристаллический сросток и теневую студнеобразную часть, способную к вязкому деформированию, развивающемуся, как известно, во времени. Последняя и является причиной ползучести цементного камня. Кристаллический же сросток, наоборот, препятствует разви­тию ползучести, поэтому, чем больше его по отношению к гелевой части, тем меньше деформации ползучести. Соотношение гелевой части и кристаллического сростка зависит от минералогического состава вяжущего.

По мере твердения в цементном камне кристаллический сросток увеличи­вается за счет геля и поэтому с увеличением возраста цементного камня, а, следовательно, и раствора  его способность к ползучести снижается.

Рис. 2.

(а – деформации кладки (упругие и неупругие) в зависимости от напряжений; б – изменения относительных напряжений в арматуре и кладке в связи с ползучестью)

Деформации ползучести камней, особенно обожженных, меньше, чем раство­ра. С ползучестью обожженных камней (кирпича, керамики) практически можно не считаться. Ползучесть камней, изготовленных с применением вяжущего (бе­тонные и силикатные камни и др.) более ощутима, в частности иногда отмеча­ются значительные деформации ползучести силикатного кирпича и выполненной из него кладки.

Ползучесть кладки в одних случаях благоприятно сказывается на поведе­нии каменных конструкций (например, ранее мы отмечали повышение прочности кладки и связи с ее длительным сжатием), в других — вызывает неприятные послед­ствия. Последнее может иметь место в том случае, когда кладка работает сов­местно с другими материалами, необладающими свойством ползучести (напри­мер, при нормальных температурах — со сталью), или с материалами, деформа­ции ползучести которых малы (например, при сочетании сильно деформирую­щейся во времени кирпичной кладки и мало деформирующейся керамической облицовки). С развитием деформаций ползучести происходит перераспределение установившихся при загружении напряжений — разгружаются материалы с большей ползучестью и догружаются материалы, обладающие меньшей ползучестью. Напряжения в последних могут превысить предел их сопротивления, что и приведет к более или менее серьезным повреждениям конструкций.

Иллюстрацией этого могут служить приведенные на рис. 2,б кривые изменения напряжений в арматуре и кладке продольно армированного столба при осевом сжатии постоянной нагрузкой (σ_{30 а} и σ_{30 к} - обозначены на­пряжения к каменной  кладке и арматуре в момент загружения столба в возрасте 30 суток, а σ_tnaи σ_tnк - напряжения через t_n- 30 суток после загружения).

Кроме деформаций ползучести, кладка во времени деформируется и в связи с ее усадкой. Наибольшей усадкой отличаются кладки на цементных раствоpax и наименьшей — на известковых. Силикатный кирпич и бетонные камин, особенно в молодом возрасте, обладают значительно большей усадкой, чем обож­женные камни, что соответственно отражается и на усадочных свойствах кладки.

При кладке из обожженного кирпича на смешанных или известковых рас­творах деформации усадки составляют примерно ¹/10 деформаций ползучести.