§ 3. Каменные стены зданий

Климатические условия Крайнего Севера ограничивают возможности применения каменной кладки, рассчитанной на естественное твердение раствора. Продолжительность периода с положительными температурами наружного воздуха измеряется двумя - четырьмя месяцами в году (при средней температуре за наиболее теплый месяц от +3 до +13°С). Выдерживание кладки, при положительных температурах с искусственным подогревом неэкономично и в любой момент может быть нарушено с наступлением пурги, вызывающей прекращение всех открытых работ. Основным способом возведения каменной кладки при этих условиях является замораживание. Кладка при этом имеет особенности, которые должны быть учтены при проектировании:

• значительное понижение прочности, устойчивости и монолитности в период первого оттаивания;
• понижение конечной прочности отвердевшего после оттаивания раствора по сравнению с прочностью такой же марки раствора, твердевшего при положительной температуре;
• понижение сцепления отвердевшего после оттаивания раствора с камнями кладки;
• значительные неравномерные осадки кладки в период ее первого оттаивания.

Величина средней расчетной осадки стен зимней кладки из кирпича и бетонных камней при ее первом оттаивании по нормам не должна превышать 0,5 мм на 1 м высоты. Практически осадки оттаявшей кладки могут быть значительно (большими и зависят от толщины швов, прочности раствора к моменту оттаивания, нагрузок, интенсивности оттаивания и т. п.

Рис. II-64. Осадочные трещины в кладке стен над опорами перекрытий. а - наружная стена; б - внутренняя стена; 1 - трещины, образующиеся при оттаивании кладки

На рис. II-64 показан характер разрушения, вызванного незначительной разницей осадок кладки на уровне опор плит перекрытия. Податливость оттаявшей кладки вне опоры плиты привела к перенапряжению участков над опорой [11].

Рис. II-65. Нарушение сопряжений стен. а - осадка поперечной внутренней стены; б - образование трещины при оттаивании кладки продольной наружной стены; 1 - замерзший раствор; 2 - схватившийся раствор; 3 - оттаявшая внутренняя стена; 4 - трещина

Неравномерные осадки кладки приводят к нарушению сопряжений наружных стен с внутренними (рис. II-65). После включения отопления для производства отделочных работ внутренние стены оттаивают и оседают под действием собственного веса, горизонтальные швы искривляются, но связь с наружной стеной, кладка которой находится в мерзлом состоянии, не нарушается. В таком виде кладка внутренних стен затвердевает. С наступлением летнего периода наружная стена, нагруженная перекрытиями, оттаивает и возникает осадка, сопровождающаяся скалыванием перевязочных рядов кладки.

Одновременно с оттаиванием внутренних стен происходит одностороннее оттаивание и частичное твердение раствора в швах наружной стены. В связи с этим осадка наружной стены протекает также неравномерно и последняя наклоняется наружу (наблюдалось раскрытие трещин в верхних этажах до 10 см). Обычное армирование сопряжений стен, предусмотренное нормами зимней кладки, недостаточно для предотвращения развития трещин. Рабочие стержни арматуры либо разрываются, либо выдергиваются из швов кладки.

Для уменьшения неравномерных осадок не рекомендуется опирать стены одновременно на железобетонные колонны и столбы, сложенные из блоков или кирпича, а также применять неразрезные балки, опирающиеся на внутренние и наружные стены, если не исключена возможность их оттаивания в разное время.

Рис. II-66. Рациональное решение узла опирания плит перекрытия на стену. а - наружная стена; б - внутренняя стена; 1 - анкер; 2 - вкладыш из теплого бетона; 3 - теплоизоляционная прокладка; 4 - бетонный вкладыш

Если стены сложены из кирпича или блоков высотой меньше чем толщина заделываемых в них железобетонных элементов, то применение вкладышей (рис. II-66) позволит избежать местного разрушения кладки.

Качество зимней кладки может быть значительно улучшено при применении растворов, затворенных на водном растворе поташа (углекислого калия). Подобные растворы имеют еле дующие достоинства:

• сохраняют на морозе подвижность в течение сроков, необходимых для выполнения кладки (табл. II-24 и II-25);
  
  Таблица II-24. Влияние плотности затворителя (водного раствора поташа) на подвижность растворов при отрицательных температурах
  
  
  Примечания:
  • Подвижность раствора приведена в мм осадки конуса Стройцнил, измеряемой через 45 мин после затворения.
  • Растворы, смешанные с содержанием по весу: 1 часть портландцемента М-360. 0?1 части извести (в качестве пластификатора) и 4 или 5 частей песка.
  • Начальная подвижность растворов (при водоцементном факторе ^В/_Ц = 0,875) равна 100 мм.
  • Плотности по ареометру 1,04; 1,06 и 1,09 соответствуют 5-, 7- и 10-процентным водным растворам поташа.
  • Сульфитно-спиртовая барда с. с. б. добавляется к воде-затворителю в виде 4-процентного водного раствора в количестве 1 % к весу цемента.
  
  Таблица II-25. Подвижность строительных растворов состава 1:4, приготовленных на водном растворе поташа с добавкой глины и с. с. б. (при температуре - 28 °С)
  
  
  Примечания:
  • Плотность затворителя 1,02 соответствует 3-процентному водному раствору поташа.
  • Сульфитно-спиртовая барда с. с. б. добавляется к воде затворителя. Количество, указанное в табл. II-25, выражено в пересчете на сухое вещество в процентах к весу цемента. О влиянии добавки поташа на сопротивление раствора сжатию можно судить по результатам испытаний образцов, хранившихся в холодильных камерах при температурах от -8 до -30° С и испытанных сразу же после оттаивания во влажной среде при температурах +15 и +18° С (табл. II-26 и II-27).
• твердеют в замороженном состоянии и приобретают -некоторую прочность к моменту первого оттаивания (табл. II-26, II-27).
  
  Таблица II-26. Предел прочности при сжатии подвергавшихся замораживанию цементно-известковых растворов, приготовленных на водном растворе поташа
  
  
  
  Таблица II-27. Предел прочности при сжатии подвергавшихся замораживанию цементно-глиняных растворов, приготовленных на водном растворе поташа
  
  
• достигают прочности, близкой к марочной, при дальнейшем твердении после оттаивания (табл. II-28);
  
  Таблица II-28. Нарастание прочности строительных растворов с добавкой поташа в нормальных условиях после 7-дневного замораживания
  
  
• сохраняют прочность сцепления с камнями кладки; в период первого оттаивания раствор приобретает некоторое промежуточное значение сцепления (табл. II-29);
  
  Таблица II-29. Прочность сцепления с кирпичом оттаявших строительных растворов после выдерживания при температуре -20 °С
  
  
  Примечания:
  • Растворы выполнены на портландцементе марки 360.
  • Испытания на сдвиг производились сразу после оттаивания.
• обладают сжимаемостью, примерно равной ее значению при производстве работ в летних условиях.

При использовании данных табл. II-24 и II-25 следует принимать консистенцию растворов для зимних условий, определяемую осадкой стандартного конуса для кладок [2]:

Из табл. II-24 видно, что введение поташа в воду для затворения цементно-известковых растворов способствует сохранению их подвижности в течение 45 мин при отрицательных температурах. Сохранению подвижности способствует также введение в затворитель сульфитно-спиртовой барды с. с. б. в качестве дополнительного пластификатора.

В табл. II-26 и II-27 берется раствор, выполненный на портландцементе марки 400. Количество пластификаторов (известь, глина) указано по весу в сухом состоянии.

Рис. II-67. График подбора дозировки поташа. 1 - нормальное твердение; 2 - твердение при -8°С; 3 - то же при -22°С; 4 - то же, при -30°С

На графике (рис. II-67) отложены по трем вертикалям (соответственно составом растворов) пределы прочности при сжатии после выдержки растворов на морозе в течение 28 суток; в отдельной колонке для каждого состава раствора эти же данные выражены в процентах от прочности контрольных образцов, изготовленных без поташа и твердевших в нормальных условиях при положительной температуре. Цементные растворы с пластификатором в виде извести, глины и сульфитно-спиртовой барды при затворении их на водном растворе поташа способны набирать прочность <на морозе. Нарастание прочности тем более интенсивно, чем выше содержание поташа в затворителе. Цементно-глиняные растворы при больших морозах быстрее набирают прочность, чем цементно-известковые. Ниже в табл. II-28 и II-29 приводятся данные по прочности строительных растворов в условиях отрицательных температур. Из табл. II-28 видно, что с увеличением плотности затворителя повышается и конечная прочность растворов. В связи с тем, что строительные растворы с поташом способны твердеть при отрицательных температурах, осадка оттаивающей кладки оказывается незначительной. Так, например, осадка кирпичного столбика высотой >750 мм, оттаявшего под нагрузкой после семидневного пребывания при температуре -20 °С, составила 0,01 мм; этот столбик был сложен на растворе 1:0,1:4, приготовленном на водном растворе поташа плотностью 1,09 и толщиной швов 20 мм.

Приготовление растворов с добавкой поташа должно производиться в отапливаемом растворном узле, вмещающем оборотный сменный запас известкового (или глиняного) теста, цемента и песка. К моменту загрузки в растворомешалку компоненты должны быть подогретыми, обеспечивающими температуру готового раствора при выходе из мешалки не ниже +10°. К моменту укладки раствор с поташом может быть охлажден не ниже 0°С. Применение поташа наиболее удобно в виде концентрированного раствора плотностью 1,355-1,476.

Таблица II-30. Количество поташа для приготовления раствора (при температуре 20 °С)

Растворение поташа рекомендуется производить в деревянных сосудах емкостью 0,5-1,0 м³ в воде, нагретой до 35-40° С (табл. II-30).

Таблица II-31. Количество концентрированного водного раствора поташа и воды для приготовления 100 л затворителя

В табл. II-31 приведены данные для определения необходимого количества раствора.

При применении концентрированного раствора в растворомешалку сначала заливают воду, затем концентрированны и раствор поташа (и с. с. б, если она применяется) и после тщательного перемешивания затворителя подают компоненты в следующем порядке: известковое или глиняное тесто, цемент, песок. Если водный раствор поташа применяется в концентрации, соответствующей принятой плотности затворителя, порядок загрузки в растворомешалку обычный (песок, цемент, известковое или глиняное тесто, затворитель).

В отличие от растворов с добавкой хлоридов строительные растворы с поташом не повышают гигроскопичности каменных конструкций и не способствуют появлению высолов на их поверхности. Эффективность применения поташа пока не нашла полного отражения в действующих нормах, которые содержат указания лишь о дозировании раствора для крупноблочных и крупнопанельных стен.

Растворы с добавкой поташа позволяют вести кладку стен в зимнее время одновременно с нанесением тонкослойной штукатурки или с облицовкой фасадных стен бетонными плитками. Для штукатурки и облицовочных работ применяются также растворы с добавкой поташа. Дополнительные затраты при возведении кладки на растворе с добавкой поташа не превышают 60% от сумм, начисляемых на удорожание работ в зимний период.

При расчете каменных стен зданий следует учитывать, что наибольшие напряжения от ветрового напора возникают в сечениях наружных стен на уровне половины высоты первого этажа здания. При проверке в стадии строительства устойчивости незаконченных элементов наружных стен наиболее опасным оказывается свободно стоящий простенок, работающий на ветровую нагрузку (при установленных оконных заполнениях).

В случаях, когда внутренняя продольная несущая стена толщиной менее 380 мм, не обладает достаточной несущей способностью в стадии первого оттаивания, вместо временных креплений целесообразно утолщение ее до 380-400 мм; незначительное утолщение не только увеличивает площадь расчетных сечений и коэффициент продольного изгиба, но и повышает расчетные сопротивления, так как расчетная марка раствора оттаивающей кладки стен толщиной 380 мм и более принимается равной 2, в то время как для стен меньшей толщины марка раствора в стадии первого оттаивания принимается равной 0.

Для поперечных внутренних стен зданий с несущими продольными стенами решающим является расчет на главные растягивающие напряжения на уровне пола первого этажа. Пригрузка поперечных стен только за счет их собственного веса часто приводит к неэкономичным решениям зданий. По условиям сопротивления поперечных стен главным растягивающим напряжениям приходится эти стены утяжелять и резко сокращать расстояния между ними. Поэтому при больших скоростных напорах ветра целесообразно проектировать здания с поперечными несущими стенами.

Учитывая значительный отрицательный ветровой напор, ненадежность заделки металлических стержней в швах между сборными элементами при укладке их в зимнее время а также потерю прочности раствора с наступлением положительных температур, анкеровку перекрытий к стенам проектируют на основании расчетов в стадии оттаивания кладки.