автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и деформативность кирпичной кладки памятников архитектуры Казахстана и разработка методов ее усиления

ГОССТРОЙ РОССИИ

ГПиНИЦ (СТРОИТЕЛЬСТВО) ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИИ им. В.А.КУЧЕРЕНКО" (ТУП ЦНИИСК им. КУЧЕРЕНКО)

На правах рукописи ДУБРОВСКАЯ Людмила Владимировна

УДК

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ КИРПИЧНОЙ КЛАДКИ ПАМЯТНИКОВ АРХИТЕКТУРЫ КАЗАХСТАНА И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЕЕ УСИЛЕНИЯ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2004

Работа вьшолнена в РГП НИПИ памятников материальной культуры Республики Казахстан.

Научный руководитель - доктор технических наук

П. Г. Лабозин

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ведущая организация - Республиканское Государственное Предприятие Научно-Исследовательский Проектный Институт памятников материальной культуры

на заседании специализированного Совета Д.303.005.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при ГУП ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко Госстроя России по специальности 05.23.01 - "Строительные конструкции, здания и сооружения" по адресу: 109389, Москва, Ж-389,2-я Институтская ул., д.б.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИСК им. Кучеренко,

Автореферат разослан " 200^т".

Ю. Д.Черепинский - кандидат технических наук О. И. Пономарев

Защита состоится

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук

Назаров Ю.П.

1ШМ

149(62-5'

. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. На территории Казахстана выявлено более тридцати тысяч памятников истории и культуры. Датируются памятники Казахстана IX - XIX в.в. Это гражданские и культовые сооружения. К первым относятся жилые дома, дворцы, рынки, бани, караван-сараи, хранилища для воды. Ко вторым - мечети, медресе, мавзолеи, минареты. Конструкции этих сооружений весьма разнообразны: мощные стены, стрельчатые-арки и своды, своды "балхи", балочные и арочные паруса, конические и сфероконические купола, винтовые лестницы. •

Одной из конструктивных особенностей старых сооружений в Средней Азии и Казахстане является то, что возводились они из материалов (кирпича, раствора), которые по своим геометрическим, механическим свойствам и составам существенно отличаются от европейских. Характерным-отличием этих кладок является использование в качестве вяжущего гипса в сочетании с лессом и другими добавками в разных пропорциях, а также использование квадратного (плитного) кирпича.

В настоящее время такие материалы в обычном строительстве не используются. Поэтому прочностные и деформативные свойства старых кладок ранее не изучались и до настоящего времени были не исследованы.

В сложном процессе реставрации оценка технического состояния конструкций памятников архитектуры - наиболее важный аспект, определяющий степень инженерного вмешательства в сложившуюся конструктив-• ную схему древних зданий. Отдельные архитектурные памятники представляют собой лишь фрагменты сооружений - стены с арочными проемами, минареты, порталы. Чаще всего в памятниках архитектуры Казахстана разрушены конструкции покрытия - купола, арки, своды. Сохранение сооружений и восстановление поврежденных конструкций связано с усилением кирпичной кладки отдельных элементов.

При анализе состояния сохранившихся конструкций памятников архитектуры необходимо оценить фактическую несущую способность кладки. Прочностные и деформативные характеристики старой кладки необходимо знать при решении вопроса об усилении конструкций.

Прочность обычной кирпичной кладки можно определить по СНиП Н-22-81, учитывая прочность кирпича и раствора. Поскольку материалы старой кладки существенно отличаются от материалов обычной кладки, то для оценки прочности старой кладки по нормам необходимо проведение как теоретических, так и экспериментальных исследований.

В настоящее время многие памятники архитектуры в Казахстане продолжают разрушаться. Попытки выполнить усиление старой кладки инъекцией цементных растворов не дали желаемого эффекта. В связи с этим изучение прочности и деформативности кладки из квадратного кирпича и разработка методов ее усиления являются актуальными и имеют большое практическое значение.

Целью диссертационной работы является исследование прочностных и деформативных характеристик кладки памятников архитектуры Казахстана и разработка методов ее усиления.

Задачами проведения исследований являются:

- исследование прочности и деформативности двух типов кладки из квадратного кирпича; <

- разработка методов усиления двух типов кладки га квадратного кирпича;

- исследование прочностных и деформативных характеристик усиленной кладки;

- исследование влияния влажности кладочных растворов на их прочность.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- впервые исследованы прочностные и деформативные характеристики двух типов кладки из квадратного кирпича;

- разработаны методы усиления кладки из квадратного кирпича;

-4- получены экспериментальные данные прочностных и деформативных характеристик усиленной кладки.

Практическое значение работы:

- на основании экспериментальных данных получены коэффициенты к формуле ЛИ.Онищика, что позволяет оценить несущую способность кладки из квадратного кирпича по нормам;

- предложены методы усиления кладки, которые позволяют повысить несущую способность кладки и предотвратить разрушение конструкций памятников архитектуры.

Внедрение результатов работы

Предложенная методика усиления кладки применена при разработке проектов реставрации мавзолеев:

- Алаша-Хан (конец XV начало XVI века) и Джучи-Хан (ХГУвека) в Карагандинской области;

■!-Беке1>Ата (XVIII века) и Караман-Ата (XVI века) Мангистауской области;

- Калка-Ишан (ХЕХ век) Кзылординской области.

С 1999 по 2002 г.г. выполнено усиление конструкций этих мавзолеев методом инъекции.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформатив-ности кладки двух типов;

методы усиления кладки из квадратного кирпича;

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформатив-ности усиленной кладки.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на семинаре - совещании министерства культуры в г.-¡Ярославле и на Международной научно-практической конференции в Алма-Ате.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 120 наименований; всего 171 страница, в том числе 52 рисунка и 41 таблица.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование и актуальность направления исследований.

Первая глава посвящена рассмотрению современного состояния вопроса, определению цели и задач исследования.

Строительные материалы и конструкции памятников архитектуры Казахстана своеобразны и изучение их представляет практический интерес в деле реставрации памятников. На территории Казахстана с Х-XII в,в. почти все монументальные постройки возводят из обожженного лессового кирпича. Кирпичи имеют квадратную форму с размерами от 24x24 до 30x30 см и толщину от 3 до 8 см. Квадратные кирпичи с такими же размерами применялись в постройках Средней Азии. Византийские мастера строили на Руси каменные сооружения, применяя квадратные кирпичи толщиной около 3 см. Греки для сооружений также применяли квадратный кирпич со стороной 31 или 39 сантиметров. В Казахстане для растворов в старой кладке в качестве вяжущих служили лесс и местный гипс с различными добавками. Из квадратного кирпича на таких растворах возводили достаточно большие сооружения с куполами диаметром 18-22 метра, арками и сводами с пролетами 18 и более метров.

В большинстве сооружений нижние участки стен выложены на лессе, а вышерасположенные части - арки, своды, купола - на гипсе. Конструкции стен памятников архитектуры Казахстана выполнены сплошными и трехслойными. Толщина стен составляет от 0,8 до 3 метров. Конструкции покрытия памятников - своды, купола и арки имеют стрельчатое очертание. В сводах и арках больших пролетов применяется кладка двух типов:

кладка, в которой кирпич работает на сжатие на ребро; кладка, в которой кирпич работает на сжатие плашмя. Эти типы кладки часто применяются в одной конструкции. Так, нижний слой кладки арки или свода выполняется кладкой на ребро, а верхний слой или два-три слоя - кладкой плашмя. Кладка на ребро выполняет роль кружал для кладки плашмя. Деформации в таких арках и сводах вначале проявляются в нижних рядах кладки - в кладке на ребро появляются трещины вдоль швов - то есть нарушается

сцепление кирпича и раствора. При дальнейшем нарастании деформаций

*

-отдельные кирпичи выпадают из кладки, на ребро. Разрушение арок и сводов такого типа наступает не ранее, чем' разрушится нижний слой кладки на ребро.

В результате воздействия различных факторов на многих из сохранившихся памятников можно наблюдать деформации, которые не встречаются в современной кладке. Кирпичная кладка на гипсовом и лессовом растворах, имеет жесткость, отличную от жесткости кладки на известковом или цементном растворах. Гипсовый и лессовый растворы при увлажнении становятся более пластичными. Вследствие этого конструкции (купола, арки) иногда не разрушаются, а изменяют свое первоначальное очертание. Такие деформации в кладке стали возможны из-за пластических свойств раствора.

Наиболее характерные разрушения в памятниках архитектуры вьь званы просадками лессового основания, неуравновешенными нагрузками (распоры), строительными дефектами, раздавливанием кладки из-за ее перегрузки, процессами выветривания и естественного старения материалов.

Известно, что в ранние периоды существования памятников усиле-.ниелсонструкций производили перекладкой раздавленной кладки. В настоящее время одним из наиболее эффективных способов усиления каменных конструкций является заключение кладки в обойму. Для памятников архи-

тектуры такой способ не всегда приемлем, так как при усилении не должен искажаться внешний вид конструкций, С этой точки зрения для усиления конструкций перспективным был бы метод инъекции. Но так как старая кладка сложена на лессовом и гипсовом растворах, которые при увлажнении значительно снижают свою прочность, то для усиления таких кладок инъецированием нужны специальные исследования.

В бывшем СССР проведен большой объем экспериментальных и теоретических исследований каменной кладки. Исследованию прочности и деформативности каменных конструкций посвящены работы А. С. Дмитриева, А. А. Емельянова, В. А. Камейко, И. Т. Котова, Н. И. Кравчени, Н. В. Морозова, М. Я. Пильдиша, С. В. Полякова, Н. А. Попова, А. И. Рабиновича, С. А. Семенцова, А. А. Шишкина. Исследования каменных конструкций проведены в основном в ЦНИПСе и ЦНИИСКе под руководством профессора Л. И. Онищика.

В результате исследований получены качественная и количественная оценка влияния различных факторов на прочность кладки. Прочностные характеристики в СНиП П-22-81 приводятся для кладки из обыкновенного кирпича с толщиной швов 12 мм.

Толщина растворных швов в кладке из квадратного кирпича на лессовом и гипсовом растворах часто достигает толщины кирпича. В современной кладке раствор занимает около 23 % ее объема, тогда как в старой кладке с толстыми швами раствор занимает до 40 % объема, а иногда и более.

При анализе состояния конструкций памятников архитектуры Казахстана и решении вопроса об их усилении необходимо знать фактическую прочность кладки сохранившихся конструкций. Прочностные характеристики квадратного кирпича и кладочных растворов можно определить по известным методикам. Для оценки прочности старой кладки по суще-

ствующим нормам необходимо проведение как теоретических, так и экспериментальных исследований.

В.А.Камейко и С,А.Семенцов, намечая основные направления исследований прочности каменных конструкций, отмечали, что в связи с увеличивающимися объемами работ по восстановлению архитектурных памятников старины необходимы новые данные о работе армока-менных и усиленных каменных конструкций. Должны быть изучены новые методы усиления каменных конструкций, особенно применяемые для реставрации кладки в старинных зданиях и сооружениях.

На основании анализа имеющихся данных сформулированы задачи диссертационной работы по исследованию прочности и деформативности кладки из квадратного кирпича и разработке методов ее усиления.

Во второй главе .приведены характеристики используемых материалов, методика испытания и результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности двух типов кладки го кирпича квадратной формы.

Для исследования прочностных и деформативных характеристик кладки использовано два вида кирпича: старый кирпич марки 100, изготовленный в XIV веке и кирпич для реставрации (современный кирпич) марки 200, выпускаемый реставрационной мастерской г.Туркестана Чимкентской области. Размеры кирпича обоих видов 25 х 25 х 5 см, Для кладочных растворов применялись лесс Саурановского месторождения Чимкентской области, гипс Зареченского гипсового завода Алма-Атинской области, кирпичная крошка из современного кирпича крупностью до 1 мм.

Испытание кирпича XIV века и современного кирпича производилось на сжатие, изгиб, осевое растяжение и срез. Определение прочности кирпича при сжатии выполнялось по ГОСТ 8462-85. Образцы изготавливались из четвертинок целого кирпича, размеры в плане 12,5 х 12,5 см. Прочность при сжатии кирпича обоих видов определялась также на куби-

ках размером 5 х 5 х 5 см в сухом и водонасыщенном состоянии. Получены коэффициенты перехода к стандартной прочности: для кирпича XTV века -0,67, для современного кирпича - 0,52. Коэффициент размягчения (отношение прочности кирпича при сжатии в водонасыщенном состоянии к прочности кирпича при сжатии в оухом состоянии) для кирпича XIV века равен 0,78, для современного кирпича равен 0,93. Испытание на изгиб проводилось для половинок целого кирпича 25 х 12,5 х 5 см и для целого кирпича 25x25x5 см.

Прочность при изгибе половинок кирпича XIV века составила 0,27 % Rl и равна 2,65 МПа, что на 21 % больше, чем принято в ГОСТ 530-95. Прочность при изгибе половинок современного кирпича составила 0,29 % Rl и равна 5,99 МПА, что на 76 % больше, чем принято в ГОСТ5ЭО-95. Прочность целого кирпича при изгибе составила для кирпича XIV века 5,32 МПа, что составило 0,53 % Rl.

Средний предел прочности при осевом растяжении для кирпича XIV века равен 1,23 МПа и составляет 0,12 % Rl. Для современного кирпича средний предел прочности при осевом растяжении равен 3,64 МПа и составляет 0,18 % Rl. Средний предел прочности кирпича XIV века при срезе равен 1,78 МПа, что составляет 0jl65Rl, современного кирпича - 1,92 МПа, что составляет 0,095 Rl.

В результате испытаний кирпича квадратной формы установлено, что такой кирпич имеет на 21-76% большую прочность на изгиб и в 2-3 раза большую прочность на растяжение, чем обычный кирпич. Прочность на срез кирпича XIV века на 17,5 %, а современного на 52,5 % менЫпе прочности на срез обычного кирпича.

Повышенную прочность кирпича из лессового сырья на-изгиб и растяжение можно объяснить минералогическим составом кирпича. Основным минералом в лессовых породах является карбонат кальция в виде каль-циита и доломита, которые цементируют породообразующие минералы.

ГГородообразующим минералом в лессе является кварц. Содержание его в лессе составляет 50-70 %. При обжиге лессового кирпича-сырца образуются соединения муллита 3 А1гОз • 2Si03, которые "прошивают" кирпич, как бы цементируют его.

Для исследования свойств кладочных растворов приняты составы, применявшиеся при возведении памятников архитектуры в XTV веке: лессовый раствор применялся для кладки нижних участков стен и фундаментов, смесь гипса и лесса в соотношении 1:1, а также смесь гипса, кирпичной крошки, и лесса в соотношении 1:0,7:0,3 - для кладки стен, смесь гипса и кирпичной крошки в соотношении 1 ¡0,33 и 1:0,18 - для кладки арок, сводов, куполов.

При исследовании свойств кладочных растворов определялись характеристики растворных смесей и прочностные характеристики в соответствии с ГОСТ5802-86. "Растворы строительные. Методы испытаний". Для растворных смесей с содержанием гипса испытания проводились по ГОСТ 23789-79. "Вяжущие гипсовые. Методы испытаний". Для растворных смесей определялись подвижность, плотность, водоудерживающая способность-, сроки, схватывания. Подвижность кладочных растворов подбиралась из условий формирования шва определенной толщины в кладке. Сроки схватывания регулировались замедлителями, Плотность растворов изменяется от 1,205г/см3 (гипс) до 1,876 г/см3 (лесс). При изучении характеристик . растворов определялись прочность на сжатие, прочность на растяжение при изгибе, водопоглощение, объемное расширение, водостойкость (по коэффициенту размягчения), морозостойкость. Испытания растворов показали, что все растворы, кроме лессового, обладают объемным расширением. Прочность растворов при сжатии изменяется от 10,5 МПа (гипс) до 3,46 МПа -(лесс). Прочность при сжатии после испытания на морозостойкость (кроме лессового) снижается на 25-35 %. Прочность на растяжение, при изгибе равна от 2,93 МПа (гипс) до 1,27 МПа (лесс). Водопоглощение растворов

составляет от 24,9% (гипс) до 30,7 % (гипс:кирпичная крошка:лесс 1:0,7:0,3). Водостойкость растворов изменяется от 0,23 (гипс) до 0,11 (гипс: кирпичная крошка: лесс 1:0,7:0,3). Зависимость прочности растворов от влажности исследовалась на образцах-1субах размером 7,07x7,07x7,07 см, По результатам испытаний построены графики зависимости прочности растворов от их влажности. При уменьшении влажности лессового раствора от 40 до 2 % прочность раствора повысилась от 0,3 до 2,93 МПа. Для гипсового раствора при изменении влажности от 29 до 0,16 % прочность раствора повысилась от 3,79 до 10,5 МПа. При определении предела прочности кладки, сложенной на гипсовых и лессовом растворах, необходимо учитывать снижение прочности раствора в зависимости от влажности по предлагаемым графикам.

Исследование прочности и деформативности кладки из квадратного кирпича проводилось на образцах двух типов. Образцы первого типа представляли собой столбы с размерами 120x52x40 см из двух видов квадратного кирпича - кирпича XIV века и современного. В этих образцах кирпич работает на сжатие плашмя. Образцы второго типа представляли собой столбы с размерами 120x52x40 см из современного кирпича. Кирпич здесь работает на сжатие на ребро. Из-за ограниченного количества квадратного кирпича для кладки образцов-столбов выбрано три состава кладочных растворов, которые наиболее часто применялись в старой кладке: лессовый раствор; растворы составов (по массе) - гипс: лесс 1:1; гипс: кирпичная крошка 1: 0,18. Образцы первого типа из кирпича ХГУвека и современного изготавливались на трех составах растворов, образцы второго типа изготавливались на растворе гипс: кирпичная крошка 1: 0,18. Толщина швов в кладке принята по результатам многочисленных замеров 2,5 см. Образцы-столбы испытывались на центральное сжатие в гидравлическом прессе через 28 суток естественного твердения. При испытании образцов -

сголбов продольные и поперечные деформации по всем четырем сторонам измерялись индикаторами часового типа с точностью до 0,01 мм.

Прочность нормального сцепления кирпича и раствора определялась на образцах - двойках, выполненных из двух половинок квадратного кирпича XIV века и современного. Испытание образцов производилось по методике, приведенной в ГОСТ 24992-81. "Конструкции каменные. Метод определения прочности сцепления в каменной кладке". Прочность касательного сцепления определялась испытанием образцов-^гроек с приложением усилия параллельно плоскости шва.

Исследования показали, что экспериментальные значения прочности нормального и касательного сцепления образцов аз кирпича обоих видов повышаются с увеличением предела прочности растворов при сжатии. Наивысшие показатели прочности нормального и касательного сцепления получены для образцов из кирпича ХГ/века на растворе состава гипс: кирпичная крошка 1:0,18, которые превышают нормативные соответственно в 3,6 и 4,6 раза. Для современного кирпича на таком же растворе прочность нормального и касательного сцепления превышает нормативную величину^ 1,9 и 3,8 раза. Для кирпича XIV века иг современного кирпича на растворе гипс: лесс 1:1 прочность нормального сцепления превышает-нормативные значения соответственно в 4,6 и 3,8 раза, прочность касательного сцепления превышает нормативные значения в 1,9 и 2,4 раза. Для обоих видов кирпича на лессовом растворе прочность нормального и касательного сцепления ниже нормативной величины в 3-5 раз.

Исследование прочности кладки из квадратного кирпича при центральном сжатии выполнено с целью определения предела прочности кладки для оценки ее несущей способности. Всего испытано 20 образцов-стол, бов. .В кладке первого типа в образцах из кирпича XIV века на лессовом растворе (112=3,25 мпа) появление первых трещин отмечено при №гс/Ыи = 0,29 - 0,31, на растворе гипс: лесс 1:1 (112=4,56 МПа) - при №гс/Ыи = 0,38-

-130,45, на растворе гипс: кирпичная крошка 1: 0,18 (112=6,93 МПа) - при

Мсгс/Ыи = 0,57-0,76. Предел прочности кладки равен соответственно в

среднем 1,21 МПа (0,11 Ш), 1,73 МПа (0,16 ТИ), 1,71МПа (0,158 Ш).

В кладке из современного реставрационного кирпича на лессовом растворе первые трещины появились при Ысгс/Ыи = 0,29 - 0,50, на растворе гипс: лесс 1:1 при Исгс/Ыи = 0,48-0,58, на растворе гипс: кирпичная крошка 1: 0,18 при №гс/№1 = 0,63-0,75. Предел прочности кладки на лессовом растворе равен 1,93 МПа (0,096 Ш), на растворе гипс: лесс 1:1 - 2,89 МПа(0,14 Ш), на растворе гипс: кирпичная крошка 1:0,18 - 2,05 МПа (0,1 Б.1). Работа кладки на растворах из лесса и смеси гипса и лесса под нагрузкой характеризуется тем, что перед появлением трещин происходит смятие раствора в швах. Испытания кладки на центральное сжатие показали, что из образцов первого типа наибольший предел прочности при сжатии имеет кладка, сложенная из кирпича XIV века и современного реставрационного кирпича на растворе состава гипс: лесс 1: 1. В этой кладке раньше появляются первые трещины, чем в кладке на гипсовом растворе, но разрушается эта кладка при большей нагрузке, чем кладка на более прочном растворе. Раствор состава гипс : лесс 1 : 1 является более пластичным, чем раствор из гипса и более равномерно передает давление через швы,

В кладке второго типа кирпич работает на сжатие на ребро. При испытании на центральное сжатие разрушение такой кладки происходит по вертикальным швам. В этой кладке отсутствует перевязка швов в направлении действия сжимающих усилий и прочность кладки зависит от нормального сцепления кирпича и раствора. Первые трещины появляются при №гс/Ыи = 0,41 - 0,50. Прочность кладки при появлении первой трещины составляет в среднем 1,17 МПа, предел прочности кладки равен в среднем 2,65 МПа (0,13 Ы1).

Предел прочности сжатию кладки из обычного кирпича определяют по формуле Л.И.Онищика

а

Ru = A-Rl (1--) 7 (1)

b+ R2/2R1

где: Ru - предел прочности кладки при сжатии, МПа;

Ri - предел прочности кирпича при сжатии, МПа;

R2 - предел прочности раствора, МПа

А - конструктивный коэффициент, определяемый по формуле:

100+R1

А =- . (2)

lOOm+nRl

шип- коэффициенты, зависящие от вида кладки, а и b - эмпирические коэффициенты, зависящие от вида кладки у - коэффициент, который применяют при определении прочности кладки на растворах низких марок (25 и ниже).

При определении предела прочности кладки из квадратного кирпича по этой формуле получены результаты, которые более чем в два раза превышают экспериментальные данные. При расчете конструктивного коэффициента кладки с учетом прочности кладки полученной в эксперименте, получены значения А в 1,5-2,5 раза меньшие, чем по формуле (2). ; . Наиболее близкие значения конструктивного коэффициента к, экспериментальным данным получаем из формулы Л.И.Оншцика: , Rub

А = 0,15+ 0,8-^- (4) Ro

где - Rub - прочность кирпича при изгибе;

Ro - прочность кирпича при сжатии, определяемая на образца'х-кубиках.

Конструкгавный коэффициент для кладки из квадратного кирпича, вычисленный по формуле (4) мало отличается от опытных данных (0,36-14 %).

В настоящей работе ставилась задача исследования деформаций кладки двух типов из кирпича XIV века и современного кирпича, а также определения начального модуля деформаций Ео и упругой характеристики кладки а

Исследования показали, что в кладке первого типа из кирпича XIV .века первые трещины появляются при ЫсгсДЯи - 0,3 на лессовом: растворе (Я2 -3,25 МПа); при ]Ясгс/№1 = 0,38-0,45 на растворе гипс:лесс 1:1 (Яг =4,56 МПа) ; при ИсгсЛЯи = 0,57-0,76 на растворе гипс:кирпячная крошка 1:0,18 (Д2 =6,93 МПа). В кладке из современного кирпича первые трещины появляются при больших нагрузках, соответственно при Ысгс/Ми - 0,29-0,50 ; при ИсгоЖи ~ 0,48-0,58; при Исгс/Ми = 0,63-0,75, В целом для кладки первого типа характерно раннее появление первых трещин - при меньших нагрузках, чем в обычной кладке. Графики относительных продольных деформаций до появления первых трещин имеют прямолинейную зависимость. При увеличении нагрузки, праисходит нарастание лродольных деформаций и зависимость между напряжениями и деформациями становится нелинейной. Характерной особенностью графиков является резкий перелом кривых до нагрузки 0,8 №. Максимальные относительные продольные деформации отмечены в кладке на лессовом растворе при нагрузке 0,8 N11: из современного кирпича е =13 МО"4; и в кладке из кирпича XIV века е =111'10"4. Минимальные относительные продольные деформации отмечены в кладке из современного кирпича на растворе гипс: кирпичная крошка 1:0,18 е =15,4*10"4 при той же нагрузке. Относительные продольные .деформации в кладке на лессовом раствора на порядок больше, чем в обычной кладке на цементном растворе.

Поперечные деформации в кладке первого типа из двух видов кирпича начинают развиваться при уровнях нагрузки, предшествующих появлению первых трещин: на растворах с содержанием лесса при 0,22-0,29, на гипсе - при 0,43 - 0,6 N11. Интенсивный рост поперечных деформаций отмечен при нагрузках 0,7 - 0,8 N11. Максимальные относительные поперечные деформации отмечены в кладке из кирпича XIV века на лессовом растворе 8 = 36,0'10"4' В кладке из современного кирпича на таком же растворе поперечные деформации в 1,5 раза меньше. В целом поперечные деформации в кладке из современного кирпича меньше поперечных деформаций в кладке из кирпича XIV века. Минимальные относительные поперечные деформации отмечены в кладке из современного кирпича на раство-ре гипс: лесс 1:1 е = 6,7'Ю-4.

Относительные продольные деформации в кладке второго типа в 5 раз меньше, чем в кладке первого типа, графики продольных деформаций имеют прямолинейное очертание до уровня нагрузщ 0,6 - 0,8 N11. Поперечные деформации начинают интенсивно нарастать от уровня нагрузки 0,6№. Величины поперечных деформаций в 1,6 раза больше, чем в кладке первого типа.

Таким образом, деформативность кладки второго типа в продольном направлении в 5 раз меньше, чем кладки первого типа на таком же растворе. На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что применение кладки двух типов при возведении арок больших пролетов носит закономерный характер. Нижний слой кладки в таких арках менее деформа-тивен. Продольные деформации в этой кладке в несколько раз меньше, чем в верхнем слое кладки арки. Деформации в верхнем слое кладки начинают развиваться при больших нагрузках, чем в однослойной кладке. То есть, кладка второго типа защищает кладку первого типа от чрезмерного развития деформаций, а следовательно, от разрушения.

Экспериментальным путем получены данные для определения упругой характеристики а и начального модуля деформаций Ео. Величины деформативных характеристик кладки определялись обработкой экспери-менталыШх данных по методике, разработанной С.А.Семенцовым.

Установлено, что величины упругой характеристики а значительно отличаются от величины а, приведенной в нормах . Этот показатель -для кладки из кирпича XTV века и современного кирпича на лессовом растворе выше нормативного значения соответственно в 1,55 раза и в 1,32 раза. Для кладки из обоих видов кирпича на- растворе гипс : лесо 1 а больше нормативной величины в 1,40 - 2,55 раза; на растворе гипс: кирпичная крошка 1 : 0,18 в 4,33 -6,10 раза. Для кладки второго типа на этом же растворе величина а в нормах отсутствует. Такое отличие эксперименталь-,.ных значений упругой характеристики от нормативной величины можно Объяснить пластическими свойствами растворов. Для практических расчетов следует пользоваться средними значениями упругой характеристики а, далученвымишри обработке экспериментальных данных.

Велййша начального модуля деформаций Ео для кладки из обоих видов кирпича, определенная по экспериментальным данным, также отличается от величин, вычисленных по нормам. Ео для кладки на лессовом растворе составляет 0,7 от вычисленных по нормам значений, на гипсовом растворе в 2-4 раза превышает нормативное значение.

В третьей главе приведены характеристики используемых материалов, методика испытания и результаты экспериментальных исследований инъекционных растворов. В исследованиях применялись следующие материалы: гипс, лесс, известь П сорта в виде теста плотностью 1400кг/сма, кирпич XTV века МЮО, современный кирпич М200, поливинилацетат, этилси-ликат-32, полиметилфенилсиноксановьш лак КО-921, ксилол, -замедлители схватывания для гипса.

Исследование инъекционных растворов проводилось по трем группам свойств: свойства жидких растворов, свойства растворного камня, свойства контактного слоя.

При изучении свойств жидких растворов определялись следующие характеристики: вязкость, водоотделение, сроки схватывания,стабильность, водоудерживающая способность, остаточное водовяжущее отношение. Для изучения свойств растворного камня определялись прочность раствора при сжатии, усадка раствора, весовое водопоглогцение, морозостойкость, паро-проницаемость.

По результатам исследований выбран раствор №1 состава (по массе) гипс: ПВА : вода 1:0,15:1. В качестве инъекционного принят тяюрг раствор состава гипс: известь 1: 0,5, который часто применялся для заполнения трещин при выполнении реставрационных работ.

Свойства контактного слоя исследовались на образцах с инъекционным швом. Определялась адгезия материалов контактного слоя и производился петрографический анализ области контакта. Так как в старой кладке объем раствора составляет 40 % и более от объема кладки, то Адгезионная способность инъекционных растворов определялась по отношению к кирпичу и кладочным растворам. Образцы с инъекционным швом изготавливались из кладочных растворов, кирпича XIV века и современного кирпича. Для предотвращения размокания кладочных растворов в период инъецирования грани образцов пропитывались кремнийорганическими составами: этилсиликатом Э-32 и 5%-ным раствором КО-921 в ксилоле. Кинетика поглощения кремнийорганических составов и воды изучалась на пластинах из материалов кладки. Адгезия инъекционного раствора и материалов кладки исследовалась на образцах с инъекционным швом. Толщина шва составляла 1 см. Через 28 дней образцы с инъекционным швом испытыва-лись на растяжение.

Исследования показали, что материалы кладки после обработки их кремнийорганическими составами снижают водопоглощение. Водопогло-щение кирпича обоих видов снижается до 15 %, всшопоглощение растворов снижается до 5-10 %. При испытании на растяжение образцы с инъекционным швом разрушались по материалу, контактному слою и по шву. Наибольшую прочность на растяжение имеют образцы с инъекционным швом из раствора гипс:ПВА:вода 1:0,15:1, грани которых пропитаны 5%-ным составом КО-921: 0,375 МПа - материал - лесс; 1,036 МПа - материал -гипс: лесс 1:1; 1,550 МПа - материал - кирпич XIV века; 1,190 - материал -кирпич современный. При пропитке 5%-ным составом КО-921 граней образцов из гипса прочность на растяжение снижается и составляет 0,190 МПа.-

Петрографический анализ показал, что химического взаимодействия мевду инъекционным раствором и материалами кладки не обнаружено. Следовательно, область контакта не будет подвержена разрушению с течением времени.

В четвертой главе изложены методы усиления кладки из квадратного кирпича и результаты экспериментальных-исследований прочности и де-формативности усиленной кладки.

Предварительным испытанием кирпичных образцов были установлена®« несущая способность и деформативность, зафиксирован момент Появления первых трещин. После испытания кладки на центральное сжатие образцы-столбы первого типа были усилены методом инъекции. Для предотвращения чрезмерного увлажнения кладки в период инъецирования предложена новая методика. Для защиты кладочного раствора с содержанием лесса от размокания в период инъецирования, в трещины кладки-вначале нагнетался полиметилфенилсилоксановый лак КО-921 (5%-ный раствор в ксилоле). Затем производилась инъекция кладки гипсо-полимер-ным раствором состава 1:0,15:1 (птс: ПВА: вода). В раствор добавляли

замедлитель схватывания 0,01 % от вяжущего, Водовяжущее отношеше равно 1. Инъецирование образцов-столбов на кладочном растворе из гипса выполнялось без обработки трещин в кладке раствором КО-921. Для сравнения по одному образцу кладки на трех видах растворов ( лесс, лесс: гипс 1:1, гипс: кирпичная крошка 1:0,18) было усилено инъекцией известково-гипсового раствора.

Образцы второго типа после испытания на центральное сжатие были усилены отдельными стержнями арматуры класса All диаметром 10 мм с последующим инъецированием. После установки стержней каналы заполнялись гипсовым раствором. Инъецирование кладки выполнялось раствором состава 1:0,15:1 (гипс: ПВА: вода). При инъецировании образцов первого и второго типов прочность при сжатии инъекционных растворов определялась испытанием кубов 7x7x7 см. Кубы готовились на отсасывающем кирпичном основании. Раствор в кладку нагнетался ручным насосом, давление контролировалось манометром. Усиленные образцы подвергались испытанию на центральное сжатие в 28-суточном возрасте. При испытании образцов расположение измерительных приборов до и после усиления одинаковое. В усиленных образцах измерялись продольные и поперечные деформации с точностью до 0,01 мм. Всего испытано 14 образцов-столбов после усиления. i . • //

В результате испытания образцов первого типа, сложенных на трех видах растворов, усиленных инъецированием известково-пшсового раствора установлено, что относительные продольные деформации усиленной кладки уменьшились в 2-6 раз.

Поперечные деформации в кладке на лессовом растворе и растворе гипс: лесс 1: 1 начинают развиваться раньше, чем в образцах до усиления. Нарастание поперечных деформаций происходит интенсивно, и при нагрузке 0,4 от разрушающей поперечные деформации превышают продольные. Трещиностойкость кладки не увеличилась, появление первых трещин отме-

чено при напряжениях меньших, чем до усиления. Таким образом, извест-ково-гипсовый раствор не обеспечивает достаточного сцепления материалов в трещинах кладки. Уменьшение продольных деформаций в усиленных образцах происходит за счет деформаций смятия и уплотнения раствора в швах кладки при испытании образца до усиления. Коэффициент усиления кладки равен соответственно 1,04 и 0,98. В кладке на растворе гипс: лесс 1: 0,18, усиленной инъецированием известково-гипсового раствора, первые трещины появляются при больших нагрузках, чем до усиления. Трещинно-стойкость кладки повысилась в 1,7 раза. Коэффициент, усиления кладки равен 1,3.

В кладке из кирпича XIV века на лессовом растворе, на растворах состава гипс : лесс 1 : 1 и гипс ¡ кирпичная крошка 1 : 0,18, усиленной инъецированием гипсо-полимерного раствора, продольные деформации уменьшились соответственно в 2,5 раза, в 3 раза и в 1,6 раза. Поперечные реформации начинают развиваться- при большей нагрузке, чем в неусиленных образцах. Трещиностойкость кладки повысилась, первые трещины в усиленной кладке появились при напряжениях в 1,35 раза (кладочный раствор лесс), в 2,5 раза (кладочный раствор гипс: лесс 1: 1),.в 1,7 раза (кладочный раствор гипс: кирпичная крошка 1:0,18) превышающих аналогичные в неусиленной кладке. Коэффициент усиления кладки равен соответственно 1,17; 1,74 и 1,68.

В кладке из современного кирпича на лессовом растворе, усиленной известково-гипсовым раствором, продольные деформации уменьшились в 3 раза. Поперечные деформации развиваются интенсивнее, нем в неусиленной кладке. Трещиностойкость кладки несколько уменьшилась. Коэффициент усиления равен 0,96. В такой же кладке, усиленной гипсо-по-лимерным раствором, продольные-деформации-уменьшились, более чем в. два раза. Появление первых трещин происходит при больших напряжениях, чем в неусиленных образцах. Коэффициент усиления равен 1,3.

-22В кладке образцов второго типа из современного кирпича на

растворе гипс: кирпичная крошка, усиленных гипсо-полимерным

раствором, развитие поперечных деформаций сдерживается арматурными

стержнями. Коэффициент усиления равен в среднем 1,35.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате исследования прочностных характеристик двух типов кладки из квадратного кирпича установлено, что предел прочности кладки при центральном сжатии в среднем в 2 раза меньше по сравнению с определенным по нормам. Такое снижение прочности можно объяснить пластическими свойствами кладочных растворов а также низкой прочностью кирпича на срез.

2. Полученные экспериментальные данные позволяют определять прочность кладки из квадратного кирпича по существующим нормам. При этом конструктивный коэффициент следует определять по формуле профессора Л.И.Оншцика с использованием прочности кирпича на изгиб и кубиковой прочности кирпича. По экспериментальным данным подобраны коэффициенты к формуле Л.И.Онищика для определения конструктивного коэффициента.

3. При определении предела прочности кладки, сложенной на гипсовых и лессовом растворах, следует учитывать снижение прочности растворов .в зависимости от их влажности по предлагаемым графикам.

4. Испытания кладки первого и второго типа на центральное сжатие показали, что наибольшей прочностью обладает кладка первого типа- из кирпича обоих видов на растворе состава гипс: лесс 1:1. " ;. >

5.В кладке из квадратного кирпича обоих видов появлениешервых трещин происходит при меньшей нагрузке, чем в обычной кладке. Наибольшие относительные продольные деформации отмечены в кладке го современного кирпича и кирпича XIV века на лессовом растворе.

Относительные продольные деформации в кладке из квадратного кирпича на растворах с содержанием лесса на порядок больше по сравнению с обычной кладкой на цементном растворе,

6. Продольные деформации кладки второго типа меньше продольных деформаций кладки первого типа на таком же растворе в 5 раз. Таким образом, применение кладки двух типов при возведении арок большого пролета носит закономерный характер. Нижний слой кладки (второй тип) в таких арках менее деформативен. Кладка второго типа защищает кладку первого типа от развития разрушающих деформаций.

7. Величины упругой характеристики а, полученные по экспериментальным данным, больше нормативной величины в 1,32-6,1 раз. Для практических расчетов кладки из квадратного кирпича следует пользоваться значениями упругой характеристики а, полученными по экспериментальным данным.

8.При исследовании свойств материалов кладки из квадратного кирпича установлено, что прочность кирпича при изгибе превышает нормативное значение на 21 - 76 %; прочность при растяжении превышает среднее значение для обычного кирпича в 1,9 - 2,98 раза; прочность кирпича на срез меньше среднего значения для обычного кирпича-на 17,5 - 52,5 %.

9. Нормальное и касательное сцепление с лессовым раствором для обоих видов кирпича в 3-5 раз ниже нормативных значений; с раствором лесс: гипс 1:1 в среднем равно нормативному. Нормальное сцепление с раствором гипс: кирпичная 1фошка 1:0,18 для кирпича XIV века выше нормативного в 1,6 раза, касательное сцепление выше в 2 раза, нормальное сцепление раствора с реставрационным кирпичом ниже нормативного в 1,2 раза, касательное выше нормативного в 1,7 раза.

10. В результате исследования инъекционных растворов подобран состав раствора для усиления кладки из.квадратного кирпича________.. .

И. Для предотвращения чрезмерного увлажнения кладки в период инъецирования предложена новая методика. Перед инъецированием

кладки, сложенной на кладочных растворах с содержанием лесса, грани трещин обрабатываются полиметилфенилсилоксаном (5 %-ный раствор КО-921 в толуоле или ксилоле).

12. Добавка в инъекционный раствор ПВА увеличивает сцепление с кирпичом более чем в два раза. Инъекционный раствор обладает достаточным сцеплением с материалами кладки и соединение в инъекционном шве получается равнопрочным.

13. Петрографический анализ образцов с инъекционным швом показал, что химического взаимодействия между инъекционным раствором и материалами кладки не обнаружено.

14. Экспериментально установлена возможность усиления кладки на лессовом растворе методом инъецирования и кладки второго типа инъецированием и армированием. Предложенные методы усиления кладки позволяют восстановить разрушающиеся памятники архитектуры, используя материалы, аналогичные древним, что обеспечит после восстановления их прочность без изменения внешнего вида.

15. Инъецирование кладки первого типа известково-гипсовым раствором обеспечивает усиление кладки только на гипсовом растворе. Коэффициент усиления равен 1,32.

16. Инъецирование кладки первого типа гипсо-полимерным раствором повышает прочность кладки на всех группах растворов - коэффициент усиления равен в среднем 1,5. Повышается также трещиностойкость кладки - образование первых трещин в усиленной кладке происходит при больших нагрузках, чем в кладке до усиления.

17. Прочность кладки второго типа, усиленной инъецированием и армированием, повышается в среднем в 1,35 раза.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: 1. Мазулевский Д.А, Чарлина Л.Ф., Дубровская Л.В и др. Некоторые вопросы совместимости подлинных и реставрационных материалов в

памятниках архитектуры. Сб.трудов семинара-совещания по проблемам использования реставрационных материалов, их свойств и технологии применения. М.198бг.

2.Брусенцов Г.Н., Дубровская JI.B. Древние строительные материалы и конструкции памятников архитектуры Казахстана. Сб.трудов ЦНИЙСК 1989г.

3.Дубровская JI.B. Проблемы укрепления кирпичной кладки памятников архитектуры Казахстана. Сб.трудов совещания по инженерно-техническим вопросам сохранения и реставрации памятников-истории и культуры. г. Ярославль. 1990 г.

4. Дубровская Л.В. Инженерные вопросы консервации архитектурного комплекса Ахмеда Ясави. Сб.трудов Итало-Казахского симпозиума.

г. Туркестан 2000 г.

5. Dubrovskaya L., Chalina L. Conservation on underground mosques of Western Kazakhstan. Iran. 9 th International Conference on the Study and Conservation of Earthen Architecture. Terra 2003.

6.Дубровская Л.В, Конусбаев А.Б. К вопросу сохранения мавзолея Ходжа Ахмеда Ясави на просадочном грунтовом-основании. Сб.трудов международной конференции по геотехнике, посвященной 300-летию Санкт-Петербурга. г. Санкт-Петербург. 2003 г.

7. Дубровская Л.В. Экспериментальные исследования кирпичной кладки памятников архитектуры Казахстана. Сб.трудов международной научно-практической конференции по теоретическим и экспериментальным исследованиям строительных конструкций, г. Алма-Ата. 2003 г.

ч

РНБ Русский фонд

2007-4 14403

л °

,н f

v g

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИСЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Строительные материалы и конструкции памятников.

1.2. Проблемы усиления конструкций памятников.

1.3. Задачи исследований.

2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ

И ДЕФОРМАТИВНОСТИ КЛАДКИ ИЗ КВАДРАТНОГО КИРПИЧА.

2.1. Материалы, применяемые для изготовления опытных образцов.

2.2. Прочность кирпича при различных видах нагружения.

2.3. Исследование свойств кладочных растворов.

2.3.1. Описание методики испытаний.

2.3.2. Определение характеристик растворных смесей.

2.3.3.Определение прочностных характеристик растворов.

2.4. Описание опытных образцов кладки и методики испытаний.

2.5. Прочность сцепления в кладке.

2.6. Прочность кладки из квадратного кирпича.

2.7. Деформации кладки из квадратного кирпича.

2.8. Сопоставление опытных и теоретических данных.

2.9. Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНЪЕКЦИОННЫХ РАСТВОРОВ.

3.1. Материалы, применяемые в опытах.

3.2. Описание методики испытаний.

3.3. Свойства жидесдо растворов.

3.4. Свойства растворного камня.

3.5. Свойства контактного слоя.

3.6. Выводы.

4 .ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМАТИВНОСТИ УСИЛЕННОЙ КЛАДКИ.

4.1. Материалы, применяемые для усиления кладки.

4.2. Усиление кладки инъецированием.

4.3. Усиление кладки армированием и инъецированием.

4.4. Результаты испытаний усиленной кладки.

4.5. Выводы.

На территории Казахстана сохранилось несколько десятков тысяч памятников истории, культуры и архитектуры. Это гражданские и культовые сооружения. К первым относятся жилые дома, дворцы, рынки, бани, караван-сараи, хранилища для воды. Ко вторым - мечети, медресе, мавзолеи, минареты. Конструкции этих сооружений весьма разнообразны: мощные стены, стрельчатые арки и своды, своды "балхи", балочные и арочные паруса, конические и сфероконические купола, винтовые лестницы.

Датируются памятники Казахстана IX - XIX в в. Наиболее характерные разрушения в памятниках вызваны просадками лессового основания, неуравновешенными нагрузками, строительными дефектами, процессами выветривания и естественного старения материалов.

Одной из конструктивных особенностей памятников Казахстана является то, что сложены они из кирпича квадратной формы на специфических растворах - лессовом, гипсовом и их смесях.

В результате воздействия различных факторов на многих из сохранившихся памятников можно наблюдать деформации, которые не встречаются в кладках на известковом и тем более на цементном растворах. Это существенное изменение первоначального очертания образующих куполов и арок без появления трещин в кладке. Такие деформации в кладке из квадратного кирпича, вероятно, стали возможны из-за пластических свойств раствора.

Многие памятники просуществовали от 100 до 1000 лет и процесс пластических деформаций в кладке должен был стабилизироваться. Однако лессовые и ганчевые растворы при увлажнении (протечки в кровле, подсос грунтовых вод и др.) вновь приобретают пластические свойства, поэтому деформации кладки во времени не ограничены. Напряжения в конструкциях древней кладки обычно составляют 0,5 - 1,0 МПа, однако из-за пластических свойств раствора кладка даже при незначительных напряжениях "течет". Толщина растворных швов в кладке из квадратного кирпича на лессовом и ганчевых растворах часто достигает толщины кирпича. В современной кладке раствор занимает около 23% ее объема, тогда как в старой кладке с толстыми швами раствор занимает до 40% объема, а иногда и более [45,46].

При выполнении реставрационных работ часто возникают вопросы, для решения которых не хватает существующих теоретических знаний, недостаточно и накопленного опыта, поэтому их практические решения порой оказываются несовершенными и часто спорными. Основная масса этих вопросов обусловлена недостаточной изученностью материальной основы памятников, малым знакомством с особенностями и возможностями древних строительных материалов и конструкций [7].

Изучение материалов и конструкций сохранившихся памятников играет важную роль в практическом аспекте - в деле реставрации, усиления и восстановления памятников. Следует отметить, что именно этому вопросу сейчас не уделяется должного внимания. Доказательством этому может служить тог факт, что часто на памятник обращают внимание тогда, когда он приходит в аварийное состояние или уже рушится [6,58,62].

При анализе состояния конструкций памятников из квадратного кирпича возникает ряд вопросов. По формуле профессора Л. И. Оншцика можно определить прочность обычной кирпичной кладки, учитывая прочность кирпича и раствора [77]. Однако эти формулы пригодны для определения прочности кирпичной кладки, возведенной из обыкновенного кирпича и распространять их на кладку из квадратного кирпича без экспериментальной проверки было бы неверно [107].

В бывшем СССР проведен большой объем экспериментальных и теоретических исследований по вопросам прочности и деформативности каменных конструкций. Исследованию прочности и деформативноста каменных конструкций посвящены работы А. С. Дмитриева, А. А. Емельянова,

B. А. Камейко, И. Т. Ксггова, Н. И. Кравчени, Н. В. Морозова, М. Я. Пильдиша,

C. В. Полякова, Н. А. Попова, А. И. Рабиновича, С. А Семенцова, А. А. Шишкина. Исследования каменных конструкций проведены в основном в ЦНИПСе и ЦНИИСКе под руководством профессора Л. И. Онищика.

В результате исследований получены качественная и количественная оценка влияния различных факторов на прочность кладки [77,80]. Так как многие параметры кладки из квадратного кирпича на лессовом и ганчевых растворах значительно отличаются от аналогичных параметров обычной кладки, то и физико-механические характеристики старой кладки могут иметь другие значения. Прочностные характеристики в СНиП Н-22-81 приводятся для кладки из обыкновенного кирпича с толщиной швов 12 мм [96]. Для оценки прочности старой кладки по этим нормам необходимо проведение как теоретических, так и экспериментальных исследований. Прочностные и деформативные характеристики старой кладки необходимо знать при анализе состояния конструкций и решении вопроса об их усилении [74,84,94,106]. Из архивных материалов известно, что в ранние периоды существования памятников их усиление производили перекладкой раздавленной кладки. В настоящее время одним из наиболее эффективных способов усиления каменных конструкций является заключение кладки в обойму [86]. Для памятников архитектуры такой способ не всегда приемлем, так как при усилении не должен искажаться внешний вид конструкций. С этой точки зрения для усиления конструкций перспективным был бы метод инъекции. Но так как старая кладка сложена на лессовом и ганчевых растворах, которые при увлажнении значительно снижают свою прочность, то для инъекции таких кладок нужны специальные исследования.

Так как многие памятники в Казахстане продолжают интенсивно разрушаться, то изучение прочности и деформативности кладки из квадратного кирпича и разработка методов ее усиления имеют большое практическое значение.

Целью настоящей работы является исследование прочностных и деформативных характеристик кладки памятников архитектуры Казахстана и разработка методов ее усиления.

Задачами проведения исследований являются:

- исследование прочности и деформативности двух типов кладки из квадратного кирпича;

- разработка методов усиления кладки двух типов из квадратного кирпича;

- исследование прочностных и деформативных характеристик усиленной кладки;

- исследование влияния влажности кладочных растворов на их прочность.

Автор защищаем:

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности кладки двух типов;

- методы усиления кладки из квадратного кирпича;

- результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности усиленной кладки.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- впервые исследованы прочностные и деформативные характеристики кладки двух типов из квадратного кирпича;

- разработаны методы усиления кладки из квадратного кирпича;

- получены экспериментальные данные прочностных и деформативных характеристик усиленной кладки.

Практическое значение работы:

- на основании экспериментальных данных получены коэффициенты к формуле Л.И.Онщцика, что позволяет оценить несущую способность кладки из квадратного кирпича по нормам;

- предложены методы усиления кладки, которые позволяют повысить несущую способность кладки и предотвратить разрушение памятников архитектуры.

Работа выполнена автором в институте РНИПИ памятников материальной культуры под руководством канд. техн. наук 1Г.Н.Брусенцова1 и доктора техн. наук П. Г. Лабозина. Консультации по проведению экспериментальных работ были получены у канд. техн. наук А. А.Емельянова.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате исследования прочностных характеристик двух типов кладки из квадратного кирпича установлено, что предел прочности кладки при центральном сжатии в среднем в 2 раза меньше по сравнению с вычисленным по нормам.

2. Полученные экспериментальные данные позволяют определять прочность кладки из квадратного кирпича по существующим нормам. При этом конструктивный коэффициент следует определять по формуле профессора Л.И.Оншцика с использованием прочности кирпича на изгиб и кубиковой прочности кирпича.

3. При определении предела прочности кладки, сложенной на гипсовых и лессовом растворах, следует учитывать снижение прочности растворов в зависимости от их влажности по предлагаемым графикам.

4. Испытания кладки первого и второго типа на центральное сжатие показали, что наибольшей прочностью обладает кладка первого типа из кирпича обоих вйдов на растворе состава гйпс: лесс 1:1.

-1605. Наибольшие относительные продольные деформации отмечены в кладке из современного кирпича и кирпича XIV века на лессовом растворе. Наиболее деформативной является кладка из современного кирпича на лессовом растворе. Относительные продольные деформации в кладке из квадратного кирпича на растворах с содержанием лесса на порядок больше по сравнению с обычной кладкой на цементном растворе.

5. Продольные деформации кладки второго типа меньше продольных деформаций кладки первого типа на таком же растворе в 5 раз. Таким образом, применение кладки двух типов при возведении арок большого пролета носит закономерный характер. Нижний слой кладки (второй тип) в таких арках менее деформативен. Кладка второго типа защищает кладку первого типа от развития разрушающих деформаций.

6. Величины упругой характеристики а, полученные по экспериментальным данным, больше нормативной величины в 1,32-6,1 раз. Для практических расчетов кладки из квадратного кирпича следует пользоваться значениями упругой характеристики а, полученными по экспериментальным данным.

7.При исследовании свойств материалов кладки из квадратного кирпича установлено, что прочность кирпича при изгибе превышает нормативное значение на 21 - 76 %; прочность при растяжении превышает среднее значение для обычного кирпича в 1,9 - 2,98 раза; прочность кирпича на срез меньше среднего значения для обычного кирпича на 17,5 - 52,5 %.

8. Нормальное и касательное сцепление с лессовым раствором для обоих видов кирпича в 3-5 раз ниже нормативных значений; с раствором лесс: гипс 1:1 в среднем равно нормативному. Нормальное сцепление с раствором гипс: кирпичная крошка 1:0,18 для кирпича XIV века выше нормативного в 1,6 раза, касательное сцепление выше в 2 раза, нормальное сцепление раствора с реставрационным кирпичом ниже нормативного в1,2 раза» касательное выше нормативного в 1,7 раза.

9. В результате исследования инъекционных растворов подобран состав раствора для усиления кладки из квадратного кирпича.

10. Для предотвращения чрезмерного увлажнения кладки в период инъецирования предложена новая методика. Перед инъецированием кладки, сложенной на кладочных растворах с содержанием лесса, грани трещин обрабатываются полиметилфенилсилоксаном (5 %-ный раствор КО-921 в толуоле или ксилоле).

11. Добавка в инъекционный раствор ПВА увеличивает сцепление с кирпичом более чем в два раза. Инъекционный раствор обладает достаточным сцеплением с материалами кладки (кирпичом и кладочным раствором) и соединение в инъекционном шве получается равнопрочным.

12. Петрографический анализ образцов с инъекционным швом показал, что химического взаимодействия между инъекционным раствором и материалами кладки не обнаружено.

13. Экспериментально установлена возможность усиления кладки на лессовом растворе методом инъецирования и кладки второго типа инъецированием и армированием.

14. Инъецирование кладки первого типа известково-гипсовым раствором обеспечивает усиление кладки только на гипсовом растворе. Коэффициент усиления равен 1,32.

15. Инъецирование кладки первого типа гипсо-полимерным раствором повышает прочность кладки на всех группах растворов - коэффициент усиления равен в среднем 1,5. Повышается также трещиностойкость кладки -образование первых трещин в усиленной кладке происходит при больших нагрузках, чем в кладке до усиления.

16. Прочность кладки второго типа; усиленной инъецированием и армированием, повышается в среднем в 1,35 раза.

1. Айрапетов Д.П., Гинзбург В.П., Смирнов А.В. Кирпич в современном строительстве. М.: Знание, 1984. - 48 с.

2. Аксенова И.В. Влияние водорастворимых солей на долговечность памятников архитектуры. /Сборник научных трудов. Мин. Культуры СССР. -Инженерно-технические вопросы сохранения памятников истории и культуры. М.: 1989.-179 с.

3. Аксенова И.В., Объедков В.А., Пучков Ю.М. Повышение долговечности каменных конструкций памятников архитектуры, содержащих водорастворимые соли. /Сборник научных трудов. Научно-методический совет по охране памятников культуры. М.: 1988. с. 39-47.

4. Александрян Э.П. Восстановление и усиление бетонных и железобетонных конструкций зданий и сооружений методом инъецирования полимеррастворов. /Жилищное и гражданское строительство. Вып.14. 1983. с.15-18.

5. Алмазов Б.А. Растворы для нагнетания. Метрострой, №9,1938. - с.27.

6. Арефьев А.В., Васильковский С.В. Опыт проектирования и строительства жилого городка в Гурьеве. Гос. издательство Архитектуры и градостроительства. -М.: 1950. — с.122.

7. Асанов А.А. Памятники архитектуры и их конструкции. / Строительство и архитектура Узбекистана, №7,1973. с. 18-21.

8. Балакирев А.А. Основы технологии стеновой керамики из лессового сырья. -Алма-Ата, 1981. с.237.

9. Ю.Батраков В.Г. Повышение долговечности бетона добавкамикремнийорганических полимеров. /Новейшие средства и методы защиты строительных конструкций. Обзор НИИЖБ. М.: Стройиздат, 1986. - 135 с.

10. Бачинский Н.М. Антисейсмика в архитектурных памятниках Средней Азии. Издательство АН СССР. 1949. с.103.

11. Бачинский Н.М. Исследование и освоение материалов и методов старых среднеазиатских зодчих. /Доклады АН СССР, т. XXX, №3,1941. с.278 - 281.

12. Брусенцов Г.Н. О возможных причинах разрушения каменной кладки при осевом сжатии. /ВНИИС, серия 13, вып.8.1981. с. 18 - 24.

13. Вивденко С.В., Апазиди А.И. Влияние полимерных закрепителей на прочность археологических объектов из лесса. /Архитектура и строительство Узбекистана. 1985. №9. - с. 16 - 18.

14. Вивденко С.В., Куманикина А.Н. О полимерных закрепителях сырцовых конструкций. /Архитектура и строительство Узбекистана. -1986.№11.— с.6—8.

15. Воронина В.П. Усиление каменных и бетонных стен методом инъецирования в зимних условиях без прогрева./Труды ЦНИИСК, вып.ЗО-с.182-194.

16. Временная инструкция по составлению проектов и производству работ по цементации бетонных и каменных кладок. ОНТИ. М.: 1937. - 37с.

17. Временное методическое руководство по укреплению каменных памятников архитектуры путем нагнетания в них растворов. М.: 1949. - 41с.

18. Временные технические указания по инъецированию памятников архитектуры. ВПНРК. М.: 1974. - 22с.

19. Гаджилы Р.А., Меркин А.П. Поверхностно-активные вещества встроительстве. Баку. 1981. - с. 131.

20. Гендель Э.М. Инженерные работы при реставрации памятников архитектуры. М.: 1980. - 271с.

21. Гражданкина Н.С. Архитектурно-строительные материалы Средней Азии. Ташкент. 1989. - 208с.

22. Гражданкина Н.С. Древние строительные материалы Туркмении. /Труды ЮТАКЭ. T.VIII. Ашхабад. 1958. - с.207 - 211.

23. Гражданкина Н.С. Исследование строительных материалов комплекса Ходжи Ахмеда Ясави в г. Туркестане. Арх.№ 119. 1954. 48 с.

24. Гражданкина Н.С. К истории керамического производства в Средней Азии. /История материальной культуры Узбекистана. Вып. 5. Ташкент. 1964. - с.75 - 79.

25. Гражданкина Н.С. Строительные материалы мавзолеев Миздахкана. /Архитектурное наследие Узбекистана. Ташкент. Издательство АН Узбекистана.1960. -с.38-59.

26. ГОСТ 23789-79. Вяжущие гипсовые. Методы испытаний. М.: 1980. - 12с.

27. ГОСТ 18992-73. Поливинилацетат. Технические условия. М.: 1974. - 9с.

28. ГОСТ 9179-77. Известь строительная. Технические условия. М.: 1978- 7с.

29. ГОСТ 5781-82. Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия. М.: 1983. - 10с.

30. ГОСТ 26371-84. Этилсиликат 32. Технические условия. - М.: 1985.- 7с.

31. ГОСТ 7025-78. Материалы стеновые и облицовочные. Методы определения водопоглощения и морозостойкости. М.: 1979. - 11с.

32. ГОСТ 8462-85. Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе. М.: 1985. - 8с.

33. ГОСТ 530-80. Кирпич и камни керамические. Технические условия. М.: 1981.-14с. J

34. Гидрофобизирующие составы ГКЖ-10,ГКЖ-11. МРТУ 6-02271-63. М.: 1964. - 12с.

35. ГОСТ 24992-81. Конструкции каменные. Метод определения прочности сцепления в каменной кладке. М.: 1982. - 18с.

36. ГОСТ 10834-76. Полиэтилгидросилоксан ГКЖ-94. -М.: 1977. 12с.

37. ГОСТ 16508-70. Полимегилфенилсилоксановый лак КО-921. -М.: 1971.-9с.

38. ГОСТ 5802-86. Растворы строительные. Методы испытаний М.: 1987—22с.

39. Добролюбов Г.А., Ратинов В.Б., Розенберг Т.И. Прогнозирование долговечности бетона с добавками. -М.: Стройиздат. 1983. - 212с.

40. Долговечность ограждающих и строительных конструкций. НИИСФ. М.: Госстройиздат. - 1963. - с.227.

41. Дмитриев А.С., Семенцов С.А. Каменные и армокаменные конструкции. -М.: 1965.-c.187.

42. Дубровская JI.B. Проблемы укрепления кирпичной кладки памятников архитектуры Казахстана./Семинар совещание. Министерство культуры1. СССР.-Ярославль. 1990.

43. Засыпкин Б.Н. Заметки по строительной культуре Советского Востока. /Строительная промышленность. 1930. №1. - с70.

44. Засыпкин Б.Н. Кирпич в архитектурных сооружениях Средней Азии домонгольского периода (IX-XIII в.в.). /Строительная промышленность. 1928. №4. с.307 - 311.

45. Засыпкин Б.Н. Архитектура Средней Азии. Издательство Академии Архитектуры СССР. М.: 1948. - с. 109 - 112.

46. Зворыкин Н.П. Методика укрепления каменных (кирпичных) кладок памятников архитектуры путем нагнетания растворов в трещины кладки. /Практика реставрационных работ. Сб.1. М.: 1954. - с.29 - 33.

47. Зворыкин Н.П. Повреждение и восстановление портовых гидротехнических сооружений. Военмориздат. 1941. -с.57.

48. Зворыкин Н.П. Растворы для инъекции каменных кладок. /Теория и практика реставрационных работ. Стройиздат. М.: 1972. -с.47 - 58.

49. Зворыкин Н.П. Растворы на основе полимерного связующего для реставрационных работ. /Строительные материалы. 1975. №3.

50. Значко-Яворский И.Л. Очерки истории вяжущих веществ от древнейших времен до середины XIX века М.-Л.: Издательство АН СССР. 1963,—с.407.

51. Иванов Ф.М. Добавки к бетонам и строительным растворам. /Бетон и железобетон. 1974. №6. с.2 - 4.

52. Ильченко Н.Г. некоторые свойства 600-летнего строительного раствора. /Архитектура и строительство Узбекистана. 1976. №10. с.16 - 17.

53. Инструкция по цементации и силикатизации бетонных и каменных кладок гидротехнических сооружений. Стройвоенмориздат. М.: 1947. - с.32.

54. Инструкция по приготовлению и применению строительных растворов. СН-290-74. М.: Стройиздат. 1975. - 72с.

55. Исследование возможности консервации и укрепления засоленных строительных материалов. /Отчет института Казпроектреставрация. Алма-Ата. 1990. - 47с.

56. Исследование деформаций, расчет несущей способности и конструктивное укрепление древних распорных систем. Методические рекомендации. М.: 1989. - 164с.

57. Камейко В.А., Семенцов С.А. Состояние и основные направления исследований прочности каменных конструкций. /Труды ЦНИИСК. Теоретические и экспериментальные исследования каменных конструкций. -М.: Стройиздат. 1978. с.6.

58. Котов И.Т., Котов Ю.И. Прочность летней и зимней кладки, выполненной на растворах со специальными добавками. /Реферативная информация. ЦИНИС. 1978. Серия XIV, вып.6. с.25.

59. Куке Ю.М., Тихомирова А.В. К вопросу о причинах долговечности древнихматериалов из извести и гипса. /Сборник научных трудов. Научно-методический совет по охране памятников культуры. М.: 1988. - с.87 - 93.

60. Лопатто А.Э. Пролеты, материалы, конструкции. М.: Стройиздат. 1982. -196 с.

61. Малярик М.Г. Влияние полимерных добавок к цементным растворам на повышение монолитности и прочности кирпичной кладки. Дис.канд.техн.наук. -М.: 1981.-175с.

62. Малярик М.Г. Прочность и деформации полимерцементных растворов. / Научно-технический реферативный сборник. ВНИИИС. 1980. Сер.14.вып.10. -с.22-25.

63. Маргулан А.Х. Из истории городов и строительного искусства древнего Казахстана. Алма-Ата. 1950. - с.51.

64. Международная хартия по консервации и реставрации памятников и достопримечательных мест. Венеция. 1964. 4 с.

65. Мельникова Е.П., Никитин М.К. Критерии выбора полимеров для реставрации памятников истории и культуры. /Международное совещание. -М.: 1986. 13-19 ноября.

66. Методические указания по инъекционному укреплению (замоноличиванию) кладки памятников архитектуры. Мин.культуры СССР. ВПНРК. - М.:1978. -с.83 -94.

67. Михайловский Е.В., Балдин В.И., Подъяпольский С.С. Методика реставрации памятников архитектуры. М.: Стройиздат. 1977. - с. 168.

68. Никитин М.К. Пути повышения долговечности реставрационных материалов. /Международное совещание. М.: 1986.

69. Николаев Б. Физические начала архитектурных форм. Опыт исследования хронических деформаций зданий. СПб. 1905. с.57.

70. Огульник Я.Р., Юдович Э.З. Элементы производства работ по нагнетанию. М.: Метрострой. 1938. - 61 с.

71. Оншцик Л.И. Каменные конструкции. М.: Стройиздат. 1939. - с.208.

72. Оншцик Л.И. Прочность и устойчивость каменных конструкций. ч.1. Работа элементов каменных конструкций. М.: - Л.: 1937. - 292 с.

73. Поляков С.В. Длительное сжатие кирпичной кладки. М.: Госстройиздат. 1959. -183 с.

74. Поляков С.В. Сцепление в каменной кладке. -М.: Стройиздат. 1959. с.84.

75. Поляков С.В., Фалевич Б.И. Каменные конструкции М.: Стройиздат. 1966. - 307 с.

76. Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкцийк СНиП П-22-81. Каменные и армокаменные конструкции. Нормы проектирования). ЦНИИСК им. Кучеренко. М.: ЦИТПГосстроя СССР. 1989. -152с.

77. Просвирин А. А. О влиянии органических соединений на свойства гипсовыхматериалов. / Архитектура и строительство Узбекистана. 1986.№3 с.25-26.

78. Ростинов В.Б., Розенберг Т.И. Добавки в бетон. -М.: Стройиздат. 1973. -207с.

79. Рекомендации по обследованию и оценке технического состояния крупнопанельных и каменных зданий. ЦНИИСК им. Кучеренко. М.: 1988. -57с.

80. Рекомендации по повышению качества каменной кладки и стыков крупнопанельных зданий инъецированием растворов под давлением. ЦНИИСК. -М.: 1987.-24с.

81. Рекомендации по усилению каменных конструкций зданий и сооружений. ЦНИИСК. М.: 1984. - 36с.

82. Ройтман А.Г. Деформации и повреждения зданий. -М.: Стройиздат. 1987. -211с.

83. Руководство по применению химических добавок в бетоне. М.: Стройиздат. 1980. - 55с.

84. Семенцов С.А. Каменные конструкции. М.: Госстройиздат. 1953. - 176с.

85. Семенцов С.А. Некоторые особенности деформаций кирпичной кладки при сжатии и изгибе. /В кн. Исследования по каменным конструкциям. М.: Стройиздат. 1949. - с.93 - 105.

86. Семенцов С. А. О методе подбора логарифмической зависимости между напряжениями и деформациями по экспериментальным данным ./Труды ЦНИИСК. М.: 1962. вып.15. - с.303 - 309.

87. Семенцов С.А., Камейко В.А. Прочность крупнопанельных и каменных конструкций. М.: 1972. - 307 с.

88. Сизов Б.Т., Горщунова Т.А. и др. Инъекционные растворы для укрепления и консервации каменных кладок. /Разработка рецептур и технологии применения кладочных и инъекционных растворов. ВПНРК. -М.: 1978. с.41 - 82.

89. Смоленская Н.Г., Ройтман А.Г., Кириллов В.Д. и др. Современные методыобследования зданий. М.: Стройиздат. 1979. - с. 149.

90. Столетов А.В. Инженерное укрепление и реставрация Дмитровского собора во Владимире. /Практика реставрационных работ. Сб.2. М.: 1958.-С.25-27.

91. СНиП П-22-81. Каменные и армокаменные конструкции. М.: Стройиздат. 1982.-40 с.

92. Таджиев Ф.К., Коган И.И. Керамические строительные материалы Узбекской ССР. /В кн. Строительные материалы Узбекистана. АН УзССР. Институт сооружений. Ташкент. Издательство АН УзССР. 1951. с.91.

93. Толкачева Т.И., Лизинский В.Г. и др. Исследование физико-механических свойств известково-полимерных составов для применения их в качестве реставрационных составов. / Сборник трудов ВНИИСМ. М.: 1973. - с.92.

94. ТУ-38-103-41-76. Дивинилстирольный латекс (СКС-65ГП " Б").

95. ТУ 6-01-2-46-76. Сополимерный винилиденхлоридный латекс (ВХВД-65ПЦ).101. ТУ 66-09-3846-82. Ксилол.

96. Ферранская А.В., Стамбулко В.И. и др. Гипсовое вяжущее повышенной прочности. /Архитектура и строительство Узбекистана. 1983. №3 с.26-27.

97. Фрейдин А.С., Малярик М.Г. Адгезионное взаимодействие в системах на основе полимерных дисперсий. /Коллоидный журнал. 1979.№5.- с.941.

98. Фрейдин А.С., Малярик М.Г. Адгезионное и когезионное взаимодействие в композиционных материалах на основе полимерных дисперсий. /Физико-химическая механика. София. 1980. с.76-79.

99. Фрейдин А.С., Черкашин А.В., Малярик М.Г., Демин Э.В. Применение кладки на полимерцементных растворах в сейсмостойких зданиях. Обзорная информация. -М.: ВНИИИС. сер.8.вып.6.1984. 53с.

100. Шишкин А.А. Изучение причин аварий и повреждений строительных конструкций. Труды ЦНИИСК. вып. 16.1962.

101. Шишкин А.А., Романова Н.А. Физико-механические свойства кладки стенпамятника древности в Туркестане. /Строительная механика и расчет сооружений. 1978. №6. -с.23-25.

102. Эллинистическая техника. Сборник статей под редакцией академика И.И. Толстого. М.: 1948. - с.222.

103. Юнг В.Н., Принкер Б.Д. Поверхностноактивные вещества и электролиты в бетонах. М.: Стройиздат. 1960. - с.166.

104. Czerski Е. Proba zastosowania generatora impulsow miehanieznuch do zagesze-zania Spousal gipsawego. Cement, Wapno, gips. 1980.1 lc.315-317.

105. Depke F. Wirkungsweise und Anwendung von Betonverflussigern. Beton werk Ferteiltechnik. 1975.-41.3.S.15-17.

106. Domaslowski W., Lukaszewiez J. Badania nad Strukturalnum wtmacnianiem wapienia pincronshiego termoplatycznumi zywicami sztucznumi. Acta Universitatis Nikolai Capernici. Zabytkoznawstwo I konserwatorstwo.t.7-9.cz.l.s.7-21.

107. Domaslowski W. Problematyka badan i metod konserwacji kamienych obiektow zabytkowych. Informator RKZ,1981-1982,s.61-83.

108. Fich J.M. Historic preservations Curatorial management of the built world.N5 etc.l982.p.434.

109. Kahn L.F. Shotcrete retrofit for unreinforced masonry. World conference on engineering. San Francisko.1984.vol. 1 .p.583-590.

110. Kahn L.F. Shotcrete strengthening of brick masonry walles. Concrete Intern. 1984.vol.6.N.7.p.34-40.

111. Kotlik P., Zelinger J. Strucny preklad metod pouzitelnych nasledovanie hlbky penetracie polymernych spevnujeich lator v poroznych kamenoch. Pamiatky -priroda. 1982.N6.S.37-40.

112. Masonry design with Sorabond brand mortar additive.Dow Chemical company. 1970.

113. Ostrowski C. Abfallen der Gipsputze von Betonunterlagen. Baustoffindustrie. v.3.1980.

114. Stambolov Т., van Asperen de Boer I.R.I. The deterioration and conservation of porous building.ICOM.Committee von Conservation 7-th Triennial Meeting. Copenhagen. 10-14 sept.Preprints. 1984.p.23-25.