Состояние камня и раствора в каменной кладке

Камень (кирпич) и раствор в каменной кладке даже при равномерном распределении на нагрузки по всему сечению сжатого элемента постоянно находятся в условиях сложного напряженного состояния. Они подвергаются одновременно местному и внецентренному сжатию, срезу, изгибу и растяжению.

Первая причина таких условий работы камня и раствора – это значительная неоднородность растворной постели камня. Это связано с тем, что при приготовлении раствора на отдельных его участках скапливается большее или меньшее количество пластикификатора, вяжущих элементов, воды и заполнителя, как бы тщательно ни производилось перемешивание ингредиентов.

Неоднородность раствора усугубляется неравномерностью условий его твердения в шве каменной кладки, потому что всасывающая способность камня и водоудерживающая способность раствора неодинаковы на различных участках их соприкосновения. В результате, неодинаковыми оказываются и условия твердения раствора. Количество воды и скорость ее отсасывания камнем зависят как от всасывающей способности камня, так и от водоудерживающей способности раствора (а, значит, и от его состава).

Процесс твердения раствора сопровождается сокращением его объема  (усадкой), которая тем больше, чем больше воды при твердении потеряет раствор. В связи с тем, что потеря воды неравномерна по постели камня, то неравномерной оказывается и усадка.

Свободной усадке раствора препятствует камень, с которым раствор связан трением и сцеплением. Это вызывает появление усадочных напряжений, которые при неблагоприятных условиях могут вызвать отрыв раствора от камня на отдельных участках шва, и тогда камень окажется опертым не по всей постели на раствор, а только на ее отдельных участках.

Неоднородность растворной постели камня связана еще и с условиями кладки. Каменщик, укладывая камень, не может разровнять поверхность раствора так, чтобы она полностью соответствовала нижней поверхности камня. Более того, прижимая камень к раствору, он не может создать равномерное его обжатие, что вызывает образование на растворной постели различных по плотности участков.

Неравномерность состава раствора, условий его твердения в шве и невозможность равномерного по всей постели обжатия каменщиком при кладке приводят к образованию в швах участков раствора, отличающихся друг от друга, не только по прочности, но и по деформационным свойствам, т.е. по жесткости. При сжатии камня и раствора в каменной кладке напряжения концентрируются на участках с большей жесткостью. Схематически (рис. 1,а) это можно представить как работу жесткого тела — камня, покоящегося на многочисленных беспорядочно расположенных и имеющих различную жесткость опорах  и подвергнутого воздействию неравномерно распределенных и сосредоточенных нагрузок. В таком теле возникают поперечные силы, изгибающие моменты и участки с местным сжатием. Изгиб камня обнаружен приборами, фиксирующими деформацию при испытании кладки (рис. 1,б). Опытами обнаружены также неполное опирание камня на раствор и его неравномерная плотность.

 Рис. 1. Напряженное состояние камня в кладке 

а – схема загружения кирпича в кладке; б – деформации изгиба кирпичей в кладке (масштаб деформаций увеличен по сравнению с линейными размерами кирпича); в – горизонтальные усилия, вызванные поперечным расширением камня и раствора; г – схема концентрации напряжений и расклинивания камней в бутовой кладке

(1 – раствор, 2 – кирпич, 3 – воздушная полость, 4 – участок местного сжатия, 5 – участок среза, 6 – прибор для замера деформаций)

Второй причиной возникновения сложного напряженного состояния, в котором находятся камень и раствор в каменной кладке при сжатии, является отличие их деформационных свойств. Как известно, продольным деформациям материалов всегда сопутствуют поперечные деформации, которые оказывают большое влияние на прочность кладки.

Рассмотрим деформации двух сжатых кубиков, имеющих одинаковые размеры, но изготовленные из разных по жесткости материалов: первый кубик - из более жесткого материала, второй — из менее жесткого (например, из стали или резины). При одинаковых напряжениях поперечное расширение у первого сжатого кубика будет меньше, чем у второго. Если из таких, отличающихся по жесткости кубиков, составить столбик и подвергнуть его сжатию, связанные трением кубики будут вынуждены иметь одинаковые поперечные деформации в зоне их соприкосновения. При этом более жесткие первые кубики будут сдерживать деформацию вторых, вторые же, напротив, будут вызывать дополнительное поперечное расширение первых. Таким образом, условия совместной работы кубиков в столбике приведут к появлению горизонтальных растягивающих напряжений в первых и сжимающих напряжений — во вторых.

Камень и раствор, связанные в каменной кладке трением и сцеплением, будут играть роль первого или второго кубика в рассмотренной схеме деформаций столбика в зависимости от соотношения их жесткостей. В том случае, когда жесткость раствора меньше жесткости камня, в последнем возникнут нежелательные для прочности растягивающие напряжения (рис. 1,в). Они суммируются с растягивающими напряжениями, возникающими при изгибе камня, и при достижении нагрузкой определенной величины преодолевают сопротивление камня растяжению (которое, для кирпича минимально в сравнении с сопротивлением его сжатию), в результате чего в камне возникает трещина. Возникновению сложного напряженного состояния камня способствуют также наличие вертикальных швов и отверстий в пустотелых камнях, вблизи которых из-за нарушения сплошности кладки концентрируются напряжения, различие в деформационных свойствах самих камней и другие причины.

В кладке из бутового камня также имеют место описанные причины возникновения сложного напряженного состояния, однако степень их влияния на прочность кладки зависит от того, насколько форма этого камня отклоняется от формы правильного параллелепипеда. При значительном отклонении камня от правильной формы (кладка из рваного бута) большую роль начинают играть расклинивающее влияние камней друг на друга и концентрация напряжений на выступающих частях камня, как это показано на рис. 1,г.