Ключевые слова: кирпич, исторические здания, модуль упругости, прочность на сжатие.
Keywords: brick, historical buildings, modulus of elasticity, compressive strength.
Модуль упругости материала является фундаментальным свойством, которое имеет решающее значение для характеристики деформационного поведения элементов конструкции, будь то при проектировании новых конструкций или при оценке существующих. Поскольку элементы кирпичной кладки обычно имеют низкую прочность на растяжение, модуль упругости при сжатии является наиболее важным свойством материала, связанным с упругой деформацией.
Определение статического модуля упругости кирпича является трудоемким процессом, поэтому чаще определяют динамический модуль [1]. Динамические методы выполняются намного быстрее и имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они неразрушающие. Кроме того, они не страдают от того же ограничения, связанного с трудностью точного определения репрезентативных деформаций. В результате большая часть разброса экспериментальных результатов таких испытаний обычно может быть связана с неоднородностью выборки, а не с ошибкой эксперимента. Однако для большинства распространенных расчетов конструкций статический модуль предпочтительнее, чем модуль, полученный динамическими методами, поскольку первый более репрезентативен для фактических условий нагрузки.
Для выполнения точных расчетов каменных конструкций гетерогенным способом, требуется задать значения модуля упругости и прочности на растяжения камня и раствора по отдельности. Работ по исследованию модуля упругости кирпича крайне мало [2], а в отечественной литературе вовсе отсутствуют подобные работы. Ввиду этого данная тем является актуальной и практически значимой, в особенности определение упругих и прочностных характеристик дореволюционных кирпичей.
24 января 1847 году (по прошествии 144 лет со дня основания города Санкт-Петербурга) был выпущен указ «О мерах для прочной и правильной выделки кирпича» который регламентировал нормы и правила изготовления кирпича, в том числе, обязывал всех производителей «клеймить» свою продукцию [3,4,5,6].
Тем не менее, практика показывает, что старый кирпич является достаточно пористым материалом, что увеличивает разброс экспериментальных значений при определении его упругих характеристик. Исследования показали, что кирпич начала 20 века, который снаружи не имеет ощутимых дефектов (визуально целый, без видимых пор и прослоек глины) в разрезе (внутри) может иметь множественные поры, сторонние элементы (камни, земля), расслоения, текстура глины не однородна и слои глины уложены не равномерно [7] см. рис 1.
Рис. 1. Примеры образцов с повышенной неоднородной структурой
Таким образом, можно сделать вывод что, несмотря на принятый 24 января 1847 году указ, выпускаемый дореволюционный кирпич сложно назвать однородным даже не смотря на внешние параметры.
В межкафедральной лаборатории строительного факультета СПбГАСУ был проведены экспериментальные исследования упругих и прочностных характеристик дореволюционного кирпича. Кирпичи были получены из наружных стен здания 1912 года постройки.
Испытуемые образцы представляют собой вырезанные из полнотелого кирпича прямоугольные призмы с размерами 50х50х70 мм. Из каждого кирпича вырезается не менее трех образцов, затем каждый образец испытывается не менее трех раз. Для обеспечения равномерного приложения нагрузки, рабочие поверхности образца выравниваются тонким слоем цементного раствора. Поскольку влажность материала может влиять на упругие свойства, все образцы сушились при температуре 120ºС до постоянной массы. Пример подготовленного к испытаниям образца приведен на рис. 2.
Рис. 2. Общий вид испытуемого образца
Нормативных стандартов по определению модуля упругости кирпича не существует, поэтому экспериментальная методика во многом опиралась на стандарты по определению статических модулей упругости бетона и природных камней [8]. Номинальный верхний уровень напряжений для данных испытаний был определен на уровне 30 % от прочности образцов на сжатие. Предварительно были определены прочности на сжатие для каждой группы образцов.
Чтобы устранить некоторые эффекты ползучести и позволить датчикам установиться в фиксированных точках на поверхности образцов, крайне важно подвергнуть каждый образец циклам предварительной нагрузки до номинального верхнего уровня напряжения. Стандарты по определению модуля упругости бетона предлагают проводить три цикла нагружения и определять стабилизированный секущий модуль на основе третьего цикла. Время выдержки составляет 60 секунд.
Рис. 3. Схема нагружения образцов
Нагружение образцов производилось согласно схеме на рис. 3 с параллельным измерением вертикальных деформаций по, трем плоскостям (первый комплекс испытаний) и двум плоскостям (в последующем) с помощью тензодатчиков и экстензометра универсальной испытательной машины. Испытательный стенд в процессе проведения испытаний представлен на рис. 4.
Рис. 4. Испытательный стенд в ходе проведения испытаний
В ходе проведения испытаний, наглядно было выявлено влияние гладкости поверхности испытуемого образца (когда не получается достичь плотного прилегания контактов экстензометра к поверхности образца) см. рис. 5 (образец 1 (красная диаграмма)). Также определено насколько влияет не параллельность рабочих поверхностей, на получаемые диаграммы модуля упругости см. рис. 6.
Рис. 5. Влияние не плотного прилегания контактов тензостанции к поверхности образца в следствии неоднородности структуры образцов
Рис. 6. Влияние непаралельность поверхностей, на которые воздействуют сжимающие усилия, на образец в следствии отсутствия шарниров между образцом и губками испытательной машины
Таким образом, проведенная серия испытаний показала трудоемкость проведения испытаний (подготовительные работы по установке образца в проектное положение, в испытательной машине, подключение необходимого оборудования и последующая серий испытаний, занимает порядка 3 часов) влияние наименьших отклонений процедуры проведения испытаний от требований указанных в нормативных требованиях к испытаниям бетона и природных камней, образцы, графики упругой работы которых при испытаниях (см. рис. 5–6) не отвечали требованиям (при снижении напряжения с образа деформации уменьшались не пропорционально) подвергались повторным испытания с наладкой оборудования и позиционированием образца в испытательной машине по новой. В случае, если при повторном испытании добиться приемлемых результатов не получалось — такие образцы отбраковывались и при определении усредненного модуля упругости не учитывались.
Полученные результаты могут послужить основой для разработки методики определения статического модуля упругости кирпича. Результаты проведенных испытаний будут опубликованы в следующих работах автора.
Литература:
- E. Eissa, A. Kazi, Relation between static and dynamic Young’s moduli of rocks, Int. J. Rock Mech. Mining Sci. Geomech. Abstracts 25 (6) (1988) 479–482, https://doi.org/10.1016/0148–9062(88)90987–4.
- N. Makoond et al. Relationship between the static and dynamic elastic modulus of brick masonry constituents / Construction and Building Materials 259 (2020) 120386;
- П. Н. Столпянский, Старый Петербург. Адмиралтейский остров: Сад трудящихся: Историко-художественный очерк / Москва; Петроград: Государственное издательство, 1923. — с. 192;
- Перевод А. Ф. Бычков, Описание Санктпетербурга и Кроншлота в 1710-м и 1711-м годах: перевод с немецкого с примечаниями / Издание Императорской публичной библиотеки / Санктпетербург, 1860. — с. 132;
- Саноцкий Т. Ф. Кирпичное производство на р. Неве и ее притоках / Т. Ф. Саноцкий. — Санкт-Петербург: А. Э. Винеке, 1904. — с. 103;
- Смирнов В. Н., Ёлшин Д. Д. Очерк истории кирпичной промышленности в Санкт-Петербурге в XVIII — начале XX в. / Бюллетень института истории материальной культуры ран. материальная культура Санкт-Петербурга. Кирпичные клейма Санкт-Петербургской губернии середины XIX — начала XX в. каталог и исследование / Санкт-Петербург, 2017г — с. 214;
- Инчик В. В. Технология изготовления кирпича в Санкт-Петербургской губернии в XVIII веке // Строит. материалы. 2004. № 2. с. 52–55.; СП 15.13330.2020 «Каменные и армокаменные конструкции».
