Трещины в каменной кладке, особенно в газобетонной, являются важной темой для обсуждения. Мы рассмотрим допустимость возникновения трещин, начиная с нормирования. Во-первых, нужно понять, насколько они допустимы, и стоит ли эксплуатировать конструкции с такими дефектами. Далее остановимся на типологии трещин: разберем причины их появления и классификацию. Также следует обсудить методы предотвращения трещин на этапе проектирования и строительства. Мы начнем с анализа причин трещинообразования, а затем перейдем к мерам, направленным на повышение трещиностойкости конструкций.
Типология трещин
Существует пять основных факторов, способствующих образованию трещин. Прежде всего, это влияние температурных изменений и усадка из-за влажности — два ключевых аспекта, значимые для бетонных конструкций. Во-вторых, локальные напряжения, которые чаще всего наблюдаются в тонких кирпичных облицовках; также трещины могут проявляться и в газобетонных стенах, где они могут достигать высоты в 1-3 блока. Далее, в перегородках и ненесущих стенах деформации, вызванные изменением форм каркаса, провоцируют появление трещин. Например, если фундаментная плита прогибается, это может привести к трещинам в кладке. Это, в свою очередь, относится к категории деформаций основания и перекосам каркаса, что требует более детального анализа.
Допустимость трещин
Рассмотрим нормирование трещин в контексте российского законодательства. В СП 50.13330 «Тепловая защита зданий» установлены требования к сопротивлению воздухопроницания ограждающих конструкций. Это означает, что наличие трещин в стенах из каменной кладки может привести к повышению их воздухопроницаемости и снижению общего сопротивления, что считается их главным недостатком для наружных стен. В то же время, в СП 15.13330 «Каменные и армокаменные конструкции» ширина раскрытия трещин регулируется только для кладок, служащих основанием для кислотостойких облицовок резервуаров. То есть сам факт наличия трещин не становится препятствием для нормальной эксплуатации каменной кладки. Также существует пособие к СНиП II-22 (приложение 11), в котором детально описываются допустимые и недопустимые виды трещин. В частности, для неармированной кладки установлен допустимый размер раскрытия сквозной трещины до 1,5 мм, что считается приемлемым для наружных стен отапливаемых зданий.
В СП 15.13330.2012 «Каменные и армокаменные конструкции» говорится, что расчёт элементов конструкций по предельным состояниям второй группы (по образованию и раскрытию трещин и по деформациям) должны подвергаться определённые виды каменных кладок:
а) внецентренно сжатые неармированные элементы при е₀ > 0,7у;
б) смежные, работающие совместно конструктивные элементы кладки из материалов различной деформативности (с различными модулями упругости, ползучестью, усадкой) или при значительной разнице в напряжениях, возникающих в этих элементах;
в) самонесущие стены, связанные с каркасами и работающие на поперечный изгиб, если несущая способность стен недостаточна для самостоятельного (без каркаса) восприятия нагрузок;
г) стеновые заполнения каркасов – на перекос в плоскости стен;
д) продольно армированные изгибаемые, внецентренно сжатые и растянутые элементы, эксплуатируемые в условиях среды, агрессивной для арматуры;
е) продольно армированные емкости при наличии требований непроницаемости штукатурных или плиточных изоляционных покрытий;
ж) другие элементы зданий и сооружений, в которых образование трещин не допускается или же раскрытие трещин должно быть ограничено по условиям эксплуатации.
Рисунок 1 – Нормирование трещин (Пособие по проектированию каменных и армокаменных конструкций к СНиП II-22-81. Приложение 11)
Трещина в стене не всегда является серьезной проблемой. Согласно рекомендациям, сплошные (без проемов) участки стен длиной более 3 метров, межоконные пояса, цоколи и фронтоны могут иметь разные допустимые размеры трещин в зависимости от конструкции. Для неармированных конструкций допустимая ширина раскрытия трещин составляет от 1 до 2 мм. В случае армированных конструкций этот показатель значительно меньше — всего 0,4 мм для сквозных трещин. Важно отметить, что речь идет именно о сквозных трещинах, а не о поверхностных, которые могут возникать по причинам, связанным с усадкой, перегревом или переохлаждением.
Температурно-влажностные деформации
Нормативные деформации кладки из автоклавных ячеистых бетонов (по В СП 15.13330 «СНиП II-22 Каменные и армокаменные»):
- Нормативные влажностные 0,4 мм/м (0,6 мм/м);
- Нормативные температурные 0,000008 1/0С (∆Т = 60 0С → ∆I = 0,5 мм/м).
Нормативные влажностные деформации газобетонной кладки составляют 0,4 мм/м, в то время как нормативное значение деформации для кладки из силикатных кирпичей, камней и блоков равно 0,3 мм/м. Влажностная усадка для кладок из керамического кирпича при расчетах принимается за 0, хотя на практике она всё же составляет около 0,2 мм/м. Кладка из бетонных камней примерно совпадает с усадкой, наблюдаемой у кладок из силикатных кирпичей и ячеистобетонных блоков.
Нормативные температурные деформации при перепаде температур между самыми холодными и самыми теплыми сутками составляют примерно 0,5 мм на погонный метр. Это означает, что в нормах указывается: конструкция, обладающая средней температурой самых холодных суток, и конструкция с средней температурой самых теплых суток изменяют свою длину, соответственно увеличиваясь или уменьшаясь на 0,5 мм на каждый метр. Это не столь значительное изменение.
Абсолютная величина температурно-влажностных деформаций кладки может достигать:
- в среднем по сечению кладки
ε = α‧∆t + εsh =8‧10-6 х 58 + 4х10-4 = 0,9 мм/м;
- поверхностных слоях
ε = α‧∆t + εsh =8‧10-6 х 250 + 20х10-4 = 4 мм/м.
Расчет демонстрирует, что происходит в среднем по сечению кладки при суммировании влажностных и температурных деформаций. Если влажность кладки понизилась до средних по сечению стены 5 % по массе, а температура в среднем по сечению кладки изменилась на 60 градусов от момента укладки до замерзания в зимний период, мы наблюдаем деформацию, равную 0,9 мм/м.
Влажностная усадка
Влажностная усадка автоклавного ячеистого бетона составляет 0,5 мм/м, а при использовании золы в качестве кремнеземистого компонента — 0,7 мм/м.
Фактически, средняя усадка по сечению стены у современных бетонов меньше. Их кристаллическая структура более устойчива, что приводит к усадке в диапазоне от 0,3 мм/м до 0,46 мм/м.
Рисунок 2 – Примерная кривая усадки при высыхании образцов бетона по ГОСТ 25485-89
При этом уровень высыхания верхних слоев значительно ниже 5 % от установленных норм. Когда материал достигает полного высыхания, его влажностная усадка составляет около 2 мм/м. Это означает, что верхние слои, подвергающиеся солнечному воздействию или находящиеся в сухом помещении, могут сжиматься значительно больше по сравнению со средней толщиной кладки. Это может вызвать либо растягивающие напряжения в поверхностных слоях, либо появление поверхностных усадочных трещин, что в общем не является серьезной проблемой.
Температурные изменения поверхностных слоев могут вызвать деформации, если предположить, что при высыхании кладки полная усадка составляет 0 % по массе. Учитывая, что температурные колебания могут достигать 250 градусов, можно отметить, что зимой температура может опуститься до -40 градусов, а летом вблизи источников тепла, таких как печь в бане, может подняться до 200 градусов. В результате мы можем наблюдать максимальную температурную деформацию в 4 мм на погонный метр. Это значение соответствует теоретически возможным максимумам в наиболее нагреваемых участках стен. Важно отметить, что диапазон деформаций варьируется от 0,9 мм в среднем по сечению стены до 3 мм в поверхностных слоях.
Температурные воздействия
Рисунок 3 – Наружные ограждающие конструкции
Данная схема иллюстрирует, как функционирует наружная ограждающая конструкция, поддерживая в помещении стабильную температуру около 20-30 градусов как зимой, так и летом. В зимний период, когда наружные слои кладки подвергаются охлаждению, они уменьшаются в объёме, что вызывает растягивающие напряжения в этих слоях и сжимающие напряжения во внутренних. В результате наблюдается небольшое искривление стены внутрь помещения. Летом ситуация меняется: солнечное тепловое воздействие вызывает расширение внешних слоев, что приводит к возникновению сжимающих напряжений и, как следствие, выгибанию стены наружу.
Рисунок 4 – Напряжения в кладке, возникающие при комплексном воздействии деформации основания (прогиб перекрытия), температурных воздействиях и влажностной усадке
На рисунке представлены результаты расчета температурных напряжений, возникающих в кирпичной облицовке. Эта облицовка является тонкой конструкцией, которая может достаточно быстро нагреваться на солнце в течение нескольких часов за день. В результате температурные деформации оказываются значительно выше.
Из графика видно, что в ситуациях, когда облицовка жестко смонтирована к основаниям (чаще всего к бетонной плите, которая нагревается и деформируется в меньшей степени), максимальные напряжения сосредотачиваются в нижней части кладки из-за ограничений, создаваемых температурными деформациями. Летнее время может вызывать трещины, формирующиеся в соответствии с характером напряжений, тогда как зимой наблюдаются мелкие вертикальные трещины в центральной области, где происходит растяжение.
Рисунок 5 – Примеры трещин при температурных воздействиях и влажностной усадке (при стеснении деформаций прочным основанием)
При объединении температурных и влажностных деформаций в кладках наблюдаются определенные эффекты. Это особенно заметно на кирпичных облицовках, однако на изображении представлено ограждение балкона, выполненное из газобетонных блоков на основе цементного клея. В данном случае образование трещины произошло быстрее, чем в кирпичной кладке, поскольку работа велась в летний период, когда температура была высокой, что способствовало быстрому высыханию материала и суммированию влажностных и температурных деформаций. Нижняя часть кладки надежно закреплена к балконной плите, что привело к образованию характерной серповидной трещины. Интересно, что эта трещина наблюдается и на других ограждениях балконов на данном объекте, замеченном на фотографии. Тем не менее, данная трещина не создаст препятствий для дальнейшей эксплуатации конструкции.
Перегородки и заполняющие стены. Деформации несущего каркаса
Рисунок 6 – Деформации несущего каркаса
Трещины, которые образуются в перегородках и ненесущих стенах многоэтажных сооружений, являются следствием деформаций и напряжений. Эти проблемы возникают преимущественно из-за деформаций в несущем каркасе здания.
В большинстве случаев перегородки располагаются на плитах перекрытия в пролетах, которые могут проявлять прогибы. Согласно нашим нормам, допустимый прогиб составляет 1/250 длины пролета, что означает, что для пролета в 5 метров максимальный прогиб составляет 2 см. Если плита прогибается подобным образом, мы можем наблюдать наличие короткой трещины, принимающей арочную форму. В случае, когда консольная часть плиты провисает, появляется наклонная трещина параболического характера. Тип трещин хорошо проиллюстрирован на данных изображениях, которые демонстрируют, что происходит при прогибе плиты под низкой длинной перегородкой по сравнению с высокой короткой.
Эти иллюстрации содержат не только схемы, но и фотографии реальных объектов, показывающие динамику трещинообразования: встречаются как горизонтальные, так и наклонные трещины в зависимости от типа деформации основания и способа закрепления перегородки к обрамляющим конструкциям (рисунок 5, 6).
Рисунок 7 – Характер трещин в сплошных перегородках (по R. Orlowicz): а) при L/H ≤ 1.2; б) при консольных плитах; в) при 1.2 ≤ L/H ≤ 2; г) при L/H > 2.
Рисунок 8 – Примеры трещин в сплошных перегородках, вызванных прогибом диска перекрытия
Следующие схемы показывают изменения, происходящие с перегородками, имеющими проемы. Обычно концентрация напряжения наблюдается в углах этих проемов, соответственно трещины идут от углов проема в тех направлениях, которые позволяют снять напряжение (рисунок 7, 8).
Рисунок 9 – Характер трещин в перегородках с проемами: а) при одном дверном проеме; б) при проеме на всю высоту перегородки; в) при двух дверных проемах.
Рисунок 10 – Примеры трещин в перегородках с дверными проемами:
а) наклонная трещина при одном проеме; б) горизонтальная трещина между двумя проемами.
На левой иллюстрации мы видим трещину, появившуюся в углу одного из проемов, в то время как правая иллюстрация демонстрирует горизонтальную трещину, находящуюся между двумя проемами, расположенными в одной перегородке.
В ситуации, когда перекрытие, размещенное выше, оказывает давление на стену, происходит ее сжатие. По расчетам, перегородка вверху не подвергается нагрузке и функционирует исключительно под действием собственного веса. Если между перегородкой и перекрытием не предусмотрен деформационный шов, то плита перекрытия начинает передавать нагрузки на перегородку. В результате это приводит к образованию трещин, поскольку нижняя часть перегородки оказывается в состоянии растяжения, а верхняя — в состоянии сжатия (рисунок 9, 10).
Рисунок 11 – Характер трещин в перегородках при передаче на них нагрузки от вышележащего перекрытия
Рисунок 12 – Примеры трещин вызванных передачей нагрузки на перегородки от вышележащего перекрытия
Рисунок 13 – Напряжения в кладке, возникающие при комплексном воздействии деформации основания (прогиб перекрытия), температурных воздействиях и влажностной усадке, СТО НААГ 3.1-2013.
На рисунке 11 показаны участки газобетонной кладки, где наблюдаются наиболее высокие растягивающие напряжения. Основная проблемная зона возникает в местах соединения с перекрытиями снизу. Как правило, нижняя часть кладки оказывается под сильным растяжением, что приводит к значительным растягивающим напряжениям, и именно здесь с наибольшей вероятностью могут возникать трещины.
Способы повышения трещиностойкости
Прежде всего, необходимо сосредоточиться на увеличении жесткости опорных участков. Уменьшая фактический прогиб, мы снижаем деформацию и создаем условия, при которых нагрузки, воздействующие на конструкцию, оказывают меньшее влияние, что, в свою очередь, снижает риск трещинообразования. Второй важный аспект заключается в уменьшении сдвиговой жесткости и увеличении сдвиговой податливости кладки. Если в качестве материала для шва между перегородками использовать не жесткие цементные растворы, а более деформируемые полиуретановые или другие полимерные составы, что в настоящее время становится все более популярным в кладочных работах, то это приведет к уменьшению сдвиговой жесткости и повышению трещиностойкости перегородок.
Рисунок 14 – График зависимости прогиба от заполнения ua от прогиба плиты u (1 – заполнение на минеральных клеевых швах с заполненными вертикальными швами; 2 – на минеральных клеевых швах без заполнения вертикальных швов; 3 – на полиуретановых швах)
На трех графиках показано влияние уменьшения степени связанности между блоками. Линия 1 демонстрирует прогибы перегородки, у которой все швы кладки заполнены цементным клеем, в то время как линия 2 представляет перегородку, в которой лишь горизонтальные швы заделаны этим клеем. Линия 3 отражает перегородку, построенную с использованием полиуретанового клея, где не так важно, заполнены ли вертикальные швы; главное заключается в том, что горизонтальные швы обеспечивают заметную деформативность самих швов.
Армирование
Основные методы борьбы с трещинами в подобных перегородках заключаются в увеличении прочности кладки на растяжение. Для этого можно либо применять камни с более высоким уровнем прочности, либо использовать гибкие растворы. Армирование в любом случае способствует повышению устойчивости кладок к появлению трещин.
На рисунках показаны способы армирования ненагруженных стен в зависимости от их конфигурации (рисунок 13), а также арматурные изделия, применяемые для армирования горизонтальных швов каменной кладки в странах ЕС (рисунок 14).
Рисунок 15 – Расположение арматуры в горизонтальных растворных швах кладки в зонах концентрации растягивающих напряжений: в местах дверных (а) и оконных проемов (б, в, г), на участках стен с перепадами высоты (д), в перегородках (е)
Рисунок 16 – Арматурные изделия, применяемые для армирования горизонтальных швов каменной кладки в странах ЕС: а, б) сварные сетки; в) плетеная сетка; г) просечно-вытяжная сетка
Рисунок 17 – Армирование композитными сетками
Данный рисунок демонстрирует, что для повышения трещиностойкости кладки можно использовать армирование с помощью композитных сеток. Они эффективно исполняют свои функции как сетки на основе базальтового волокна, так и на основе углеродного; кроме того, стекловолоконные сетки и даже полностью полимерные, такие как из полипропилена, также довольно успешно справляются с задачей обеспечения трещиностойкости. Ключевым моментом является то, что, несмотря на относительно низкую жесткость, такие композитные и полимерные сетки начинают функционировать в основном только после появления трещин. В этот момент активируется короткий участок сетки, расположенный в непосредственной близости от трещины, и его растяжимость оказывается ограниченной, что предотвращает дальнейшее расширение трещины или делает это в очень узких пределах.
Рисунок 18 – Концентрация напряжения в углах дверных и оконных проемов
Следующий ключевой аспект — это армирование поверхности в зонах, где сосредоточены напряжения. Прежде всего, следует обратить внимание на углы проемов. Здесь стоит подчеркнуть, что использование армированных отделочных слоев помогает исключить возникновение трещин в кладке. Это происходит благодаря тому, что поверхностное армирование увеличивает прочность кладки на растяжение.
Деформации основания
Когда речь заходит о деформации основания, стоит упомянуть о консервации объектов на зиму, так как не все типы фундаментов способны устойчиво пережить морозные месяцы.
Рисунок 19 – Характерные трещины в стенах зданий от осадки основания
Например, схематичное изображение данного дома иллюстрирует последствия схемы номер три, где жесткое включение в грунт находится в центре, а вокруг — достаточно подверженная деформациям зона. Здесь мы видим, как замерзшая водонасыщенная песчаная подушка промерзает до самой основы, а затем оттаивает по периметру здания. В итоге несущая способность фундамента в этой области снижается до нуля, образуя водно-песчаную суспензию. Это приводит к тому, что дом начинает расседаться вокруг замерзшего ядра.
Концентрация напряжений на стыке камней
Следующий вариант показывает локальные трещины, которые появляются в кладке. Это явление более типично для кирпичных конструкций, однако в данном случае представлены изображения, касающиеся несущих стен из газобетона.
Рисунок 20 – Варианты локальных трещин в кладках
В газобетонных несущих стенах могут появляться вертикальные трещины высотой от одного до трех блоков. Эти трещины возникают в тех участках, где поверхность была недостаточно хорошо подготовлена с помощью терки. Однако они не представляют собой серьезную проблему и не служат основанием для претензий к каменщикам. Такие трещины помогают снять местное напряжение в кладке, перераспределяя его на более обширную область. После этого треснувшая часть кладки начинает функционировать более гармонично, что позволяет ей выдерживать большие нагрузки.
Нагрузки, превышающие допустимые
Рисунок 21 – Варианты локализации трещин в местах передачи нагрузок
На рисунке 19 рассмотрены варианты, когда нагрузки превышают допустимые пределы, и показано, как они могут проявляться в зонах передачи нагрузок на кладку от связанных с ней элементов. Это включает нагрузки от кровельных конструкций, столбов и их опор, ферм, а также перемычек.
Если, например, перемычка имеет значительную длину, как в случае с металлической конструкцией с высокими коэффициентами температурного расширения или при наличии обратной засыпки грунта, то могут возникнуть различные локальные трещины, которые являются следствием этих локальных нагрузок. Все возможные виды этих трещин также упоминаются здесь.
Выводы
Подводя итоги, можно выделить две ключевые причины появления трещин:
- Деформация основания или каркасной конструкции.
- Температурно-влажностные деформации.
Эти факторы могут действовать как совместно, так и отдельно, что является существенным элементом, учитываемым в проектных нормах с 30-х годов прошлого века.
Мероприятия по предотвращению трещин:
- Увеличение жесткости каркаса (жесткость опорной зоны под кладку перекрытия).
- Армирование кладки (позволяет передать растягивающее напряжение на волокна арматуры: это может быть стержневая стальная или композитная арматура, либо волокна сеток)
- Уменьшение сдвиговой жесткости кладки (кладка на ППУ-клей).
- Деформационный шов в опорной зоне кладки (скользящая прокладка под кладкой).
Ключевым аспектом является создание деформационного шва между кладкой перегородок и опорными перекрытиями. Это решение устраняет ограничения при деформации и дает возможность перегородкам функционировать автономно, как гибким балкам. Такой подход значительно уменьшает напряжение в перегородках, что также относится к кирпичным облицовкам, включая ограждения балконов и лоджий. Важно предусмотреть деформационные швы между этими конструкциями и плитой, а также железобетонным основанием. Если деформационный шов расположен в зоне опоры кладки, это значительно повышает ее трещиностойкость.
Посмотрите ответ про трещины в газобетоне от технического эксперта компании Bonolit: