Russian Federation
Russian Federation
Don State Technical University (Department of Engineering Geology and Foundations, postgraduate student)
Russian Federation
The article deals with the problem of defects in load-bearing exterior brick walls. In many facilities with brick walls, after several years of operation, defects such as vertical cracks in the masonry and the destruction of the bricks of the front layer begin to appear. These defects reduce the bearing capacity of the building and can lead to the collapse of individual sections of the brick cladding layer, worsen the aesthetic appearance of the building, as well as reduce the thermal characteristics of the exterior walls. This problem is considered on the example of the building of a warm parking lot for cars of the administrative complex of Gazprom Dobycha Yamburg LLC, located in the Far North, in Novy Urengoy. The building was put into operation in 2005. As of 2023, non-penetrating cracks were found in the front layer of the brickwork in some areas, which is recorded in the technical report based on the results of the technical condition survey. The article presents the data obtained during the survey carried out in 2023. The main defects of the outer lining layer of load-bearing walls are described, among which are non-penetrating cracks in the front layer of masonry in the humidification areas, shrinkage non-penetrating cracks in the front layer of masonry, efflorescence, hollowing (incomplete filling of the masonry seam), individual destroyed bricks of the front layer. The main reasons for the formation of cracks in the outer brick walls and the destruction of individual bricks of the front layer are the wetting of the wall surface in the corners of the masonry, water penetration at the junctions of the parapet slats, as well as shrinkage of the building. The article considers two possible methods of repairing the above defects, which formed the basis of the working documentation – the traditional method, as well as an alternative method of structural repair, which allows performing the necessary work in conditions of negative temperatures, based on the use of a system of spiral anchors.
brickwork, cracks in brickwork, masonry destruction, conditions of the far north, spiral anchors, structural repairs, shrinkage cracks
Введение
Одной из основных причин образования трещин в наружных стенах здания является просадка фундамента [1]. В регионах Крайнего Севера снижение несущей способности основания чаще всего происходит при морозном пучении грунта. Появление трещин в наружных стенах значительно снижает теплоизоляционные характеристики здания. Около 35 процентов теплопотерь приходится на наружные стены [2,3]. За полярным кругом энергоэффективность здания имеет решающие значение. Таким образом, повышение тепловой защиты здания значительно повышает качество его эксплуатации [4].
Объекты и методы исследования
Проблема ремонта трещин облицовочного слоя наружных несущих кирпичных стен рассмотрена на примере двухэтажного здания тёплой стоянки на 24 легковых автомобиля 2005 года постройки, расположенного в г. Новый Уренгой (Рис. 1).
В данной статье будут рассмотрены конструкция и текущее состояние фундамента и стен здания.
Рис. 1. Здание. Общий вид
По результатам обследования технического состояния здание имеет следующую конструкцию:
Фундамент
Учитывая, что подземные части здания скрыты грунтом и конструкцией пола, обследование фундаментов проводилось по косвенным признакам. По результатам визуального обследования обнаружены неравномерные осадки конструкций свидетельствующих о снижении несущей способности фундаментов ниже проектной отметки [5]. В отдельных локальных участках в стенах наблюдаются трещины осадочного характера. Усадка кладки основного пристроя в отмеченных участках ранее была зарегистрирована в 2019 году. По результатам мониторинга с 2019 по 2023 год развитие трещин не отмечено.
Для устранения просадок основания был произведен монтаж термостабилизаторов грунта.
Стены
Наружные стены основного здания являются несущими. Стены здания представляют собой кладку из керамических кирпичей. Толщина наружных стен составляет 640 мм, внутренних – 250 мм. Кирпичная кладка выполнена из полнотелых и лицевых пустотелых кирпичей. На отдельных участках стен основного пристроя имеются несквозные трещины на лицевом слое кладки (Рис. 2, 3). Ранее в 2019 году указанные дефекты были зафиксированы при обследовании наружных стен пристроя. По результатам проведённого обследования назначено наблюдение за развитием трещин. На поверхности наружных стен с наветренной стороны наблюдаются высолы. Техническое состояние стен в целом оценивается как работоспособное.
Рис. 2. Трещины в наружных стенах
Рис. 3. Трещины и разрушения лицевого слоя, вызванные увлажнением
Перейдём к рассмотрению методов устранения вышеуказанных дефектов наружных кирпичных стен – традиционному и альтернативному. Перед тем как приступить к ремонтным работам, необходимо определить причины, приводящие к трещинообразованию, и предусмотреть мероприятия, исключающие их. Развитие усадочных трещин не происходит. В отношении трещин, вызванных намоканием, с целью отвода влаги рабочей документацией предусмотрены необходимые мероприятия в рамках ремонта кровли [6]. Значительным фактором развития уже существующих трещин и появления новых являются неблагоприятные климатические условия эксплуатации объекта. Климат района континентальный, для него характерна суровая продолжительная зима, короткое, достаточно прохладное лето, поздние весенние и ранние осенние заморозки, непродолжительный безморозный период. Продолжительность периода со среднесуточной температурой воздуха ниже нуля составляет более 230 суток в году [7,8].
С учетом изложенного, целесообразным является применение технологии, компенсирующей сезонные колебания величины раскрытия трещин (Рис. 4) [9].
Рис. 4. Пример раскрытия условной трещины
Традиционный метод ремонта трещин
Первоначально для ремонта трещин, разрушений поверхности лицевых кирпичей, пустошовки, высолов предполагалось использование традиционных методов.
Для обеспечения надёжности и механической безопасности здания проектной организацией рекомендовалось выполнить следующие мероприятия по устранению повреждений и дефектов наружных стен:
- устранить подтекание осадков в примыканиях парапетных планок, в углах кладки парапета;
- выполнить замену разрушенных кирпичей в облицовочном слое кладки;
- несквозные трещины в облицовочном слое кладки заделать полимерцементным раствором;
- пустошовки заделать полимерцементным раствором;
- высолы на поверхности стен смыть, облицовочный слой обработать гидрофобным составом;
- выполнить защиту поверхности стен от атмосферных осадков.
Предложенный метод заделки трещин полимерцементным составом имел ряд соответствующих преимуществ: простота технологии, экономичность, более короткий период работ, обусловленный простотой технологии. Но также данный метод имел существенный недостаток, при раскрытии трещины вследствие температурных колебаний полимерцементный состав не работает на растяжение, такая система не может функционировать в области упругой деформации, то есть после некоторого числа циклов раскрытия/закрытия трещины произошло бы разрушение полимерцементного состава [10,11].
Альтернативный метод ремонта трещин
В качестве технологии ремонта несквозных трещин в облицовочном слое кладки специалистами ООО «Газпром добыча Ямбург» был предложен более эффективный метод с использованием спиральных анкеров системы.
Основной компонент системы — спиральный анкер — рекомендован к применению Союзом архитекторов России, прошёл аккредитацию в Комитете по государственному контролю, использованию и охране памятников истории и культуры г. Санкт-Петербург и одобрен для применения на Объектах Культурного Наследия.
Система состоит из следующих компонентов:
- спиральных анкеров,
- монтажного состава, обеспечивающего их работу в кирпичной кладке.
Спиральный анкер (Рис. 5) — винтовая арматура, изготовленная методом холодной прокатки стержня из нержавеющей, стали круглого поперечного сечения. В ходе данного процесса на первом этапе происходит формирование центрального сердечника и прилегающих «крыльев», на втором этапе формируется винтовая линия. Поверхность раскатанных «крыльев» становится чрезвычайно твердой, при этом сердечник остаётся относительно эластичным. Последующая скрутка придает «крыльям» предварительное напряжение, а сердечник, благодаря отличающейся структуре, данному воздействию не подвергается, благодаря чему прочность при растяжении увеличивается более чем в два раза. Спиральный анкер выпускается отрезками длиной 10 м в трех диаметрах: Ø 6 мм, Ø 8 мм и Ø 10 мм. Они устанавливаются в кладочные швы, параллельно полю стены, перпендикулярно трещине, на специальном монтажном составе.
Рис. 5. Спиральный анкер
Основные области применения спирального анкера:
- ремонт трещин и усиление всех видов исторических и современных, несущих и внутренних стен из каменных кладок (включая здания из полнотелого и пустотелого кирпича, ракушечника и известняка, ячеистого и пористого бетона, восстановление сплошности кладок из разных материалов). Предлагаемые нами решения особенно идеальны для всех типов Многоквартирных жилых домов, так как монтаж спиральных анкеров и спиральной арматуры носит скрытый характер, а большая часть операций по ремонту трещин и усилению кирпичной кладки предлагаемой системой осуществляется с наружной стороны зданий.
- Ремонт трещин и усиление ограждающих конструкций в зданиях с многослойными фасадами (ремонт трещин облицовочного слоя кладки, ремонт и создание новых деформационных швов, закрепление ремонтируемого облицовочного слоя кладки к существующей несущей кирпичной, бетонной стене, или стене из ячеистого бетона, закрепления нового участка стены, где разрушенная кладка снята и восстановлена, к существующей несущей стене).
Принцип действия
Стратегия применения системы спиральных анкеров основывается на том, что после устранения причины деформации фундаментов, их укрепления, производится ремонт трещин в кирпичных стенах. В нашем случае усадочные явления в здании завершились и развитие трещин больше не происходит.
Благодаря особой конструкции спиральных анкеров и свойствам монтажного состава, система стабилизирует и надежно соединяет элементы кладки, обеспечивает эластичность и способность воспринимать и передавать естественные (в основном температурные) деформации. Применение спиральных анкеров препятствует слишком сильному раскрытию трещин при охлаждении конструкции (зимой трещина имеет максимальное раскрытие), при повышении температуры «стягивая» конструкцию обратно. При раскрытии трещины спиральные анкеры растягиваются, как стальные пружины, и испытывают растягивающие напряжения. До тех пор, пока растягивающие напряжения меньше, чем предел текучести стали, система работает в области упругой деформации.
Спиральные анкеры применяют с целью восстановления способности имеющейся трещины и отремонтированной каменной кладки к восприятию растягивающих усилий. Упругое скрепление краев трещины спиральными анкерами способствует при разгрузке полному закрытию трещины. Это значит, что при разгрузке (в данном случае – при повторном нагревании) трещина полностью закрывается за счет теплового расширения материала кладки и напряженного состояния анкеров (рис. 6).
Рис. 6. Пружинная модель анкера
Основные преимущества
Использование данной системы при ремонте несущих и стен кирпичных зданий имеет ряд преимуществ:
- Спиральный анкер изготавливается из нержавеющей стали AISI 304 и не подвержен коррозии (известковые кладки, морская вода и т/д). Срок его работы в конструкции практически не ограничен.
- Позволяет ремонтировать кладки на фасадах с большим количеством декоративных элементов.
- Имеет малый вес и не нагружает конструкцию.
- Спиральный анкер может быть вырезан и сформирован на месте в любую форму с целью точного следования контурам и углам здания.
- Простая технология монтажа не требует специальных навыков.
- Большая площадь поверхности при сочетании с небольшим диаметром обеспечивает высокую адгезию с монтажным составом и соответственно с кладкой.
Монтажный состав для спиральных анкеров
При производстве работ с применением спиральных анкеров производители рекомендовали монтажный состав на основе высокомарочного цемента, микронаполнителя, фракционного песка и активных добавок модификаторов.
Главным недостатком данного состава является отсутствие возможности его использования при производстве работ в зимний период. Монтажный состав эффективно работает при температуре от +5 С.
Специалистами ООО «Газпром добыча Ямбург» была предложена замена, рекомендованного производителем монтажного состава. На объекте был использован состав на основе зимнего химического анкера. Зимние химические анкера – это составы и смеси, применяемые для фиксации элементов конструкций в зимний период при температуре материала основания до -20 С, они разрабатываются на основе многокомпонентных синтетических смол, обладают способностью дополнительно увеличивать несущую способность и прочность основания, поэтому может использоваться при производстве сложных и ответственных строительных работ.
Данное техническое решение впервые использовалось для ремонта каменных кладок в условия Крайнего Севера. Предложенное решение легло в основу рабочей документации, в соответствии с которой были произведены ремонтные работы.
Состав обеспечивает идеальный баланс механических свойств спирального анкера, необходимой адгезии к поверхности спирального анкера и адгезии к поверхности основания. Так же обладает повышенной прочностью на растяжение, изгиб, водостойкостью и химической стойкостью, сдерживанием распространения микротрещин, обладает свойствами безусадочности, быстросхватываемости, тиксотропности (Табл. 1).
Пара — спиральный анкер и монтажный состав - подобрана, исходя из пружинного принципа работы системы в каменной кладке.
Таблица 1
Характеристики монтажного состава
|
Температура смолы (°C) |
Температура основания (°C) |
Рабочее время (мин) |
Время отвердения (ч) |
|
5 |
-20 |
45 |
24 |
В случае монтажа в мокром бетоне или залитом водой отверстии время отвердения следует удвоить.
Методика подбора спиральных анкеров
Разберем алгоритм подбора спиральных анкеров для ремонтируемого объекта.
Расчет ведем согласно методике из Альбома технических решений системы конструкционного ремонта каменных кладок RSA 2024 (Табл. 2, 3).
Расчет несущей способности кладки
Принято:
Кирпич размером 250х120х65 мм;
Марка кирпича М75 Rp=1,4 кг/см2=13,72 Н/см2;
Высота рассматриваемого сечения кладки h=1000 мм;
Ширина кирпичной кладки b=800 мм;
Рассматриваемая толщина 1 кирпича 250 мм.
Sl=h*b=100*25=2500 см2;
Усилие, воспринимаемое сечением кладки не более усилия в кирпиче:
N=Rp*Sl=13.72*2500=34.3 кН;
Таблица 2
Подбор спиральных анкеров
Таблица 3
Физико-механические характеристики спиральных анкеров
Используем спиральный анкер диаметром 10 мм;
Площадь поперечного сечения Аs=12,9 мм2;
Предел текучести Rs=0,945 кН/мм2;
Усилие, воспринимаемое спиральным анкером в рассматриваемом сечении:
Ns=Rs*As*n=Nls*n, где Nls=1124.03*12.9=14499.9H=14,9 kH — прочность на растяжение одного спирального анкера;
n — количество стержней;
Определим количество стержней: n=N/Nls=34,3/14,9=2,3 шт;
Подберем шаг стержней z: z=1000/2,3=434,78 мм;
При указанных размерах кирпича 250х120х65 и высоте шва 10 мм расстояние между швами принимаем 75 мм;
Шаг анкеров z/75=434,78/75=5,79 рядов; принимаем 5 рядов;
Z=5*75=375 мм;
Вывод: при установке монтаж спиральных анкеров вести с шагом 375 мм, то есть в каждый пятый шов. Длину спиральных анкеров принять не менее 1,0 м, то есть не менее 0,5 м с каждой стороны пересекаемой трещины.
Диаметр спиральных анкеров принять 10 мм.
Технологическая последовательность ремонта трещин на примере рассматриваемого объекта
- Произвести ремонт трещин. Поверхность трещины очистить от разрушенного и ослабленного материала, мусора, загрязнений. Продуть сжатым воздухом, увлажнить.
- Заполнить очищенную и подготовленную трещину монтажным составом для спиральных анкеров, по всей длине с заходом на прилегающую поверхность стены не менее 100 мм, зачеканить.
- Вырезать штрабу перпендикулярно ремонтируемой вертикальной (диагональной) трещине (Рис. 7) либо горизонтальной трещине (Рис. 8). Глубина 40 мм, ширина 10 мм. Очистить штрабу от пыли, увлажнить. Общая длина штрабы должны быть не менее 1000 мм, то есть по 500 мм в обе стороны от ремонтируемой трещины. Шаг анкеров – через три ряда кладки (Рис. 7).
- Заполнить штрабу монтажным составом в один слой на половину глубины – 20 мм.
- Установить спиральный анкер в штрабу, вдавить в уложенный монтажный состав (Рис. 7).
- Заполнить штрабу полностью монтажным составом заподлицо с поверхностью стены.
Рис. 7. Установка анкера при ремонте вертикальной(диагональной) трещины
Рис. 8. Установка анкера при ремонте горизонтальной трещины
Результаты исследований
Оценим плюсы и минусы рассмотренных методов ремонта кирпичной кладки наружных несущих стен (Табл. 4).
Таблица 4
Сравнение методов ремонта трещин
|
Выполняемые мероприятия |
Достигаемый эффект |
Традиционный метод |
Спиральный анкер |
|
Заполнение трещины ремонтным составом |
Герметизация полости трещины |
+ |
+ |
|
Установка армирующих элементов |
Компенсация деформаций |
- |
+ |
Очевидно, что метод спиральных анкеров обладает решающим преимуществом в виде возможности компенсации периодических, главным образом, температурных деформаций и препятствует росту трещины в течении всего срока эксплуатации здания.
Выводы
- Во время эксплуатации зданий с несущими кирпичными стенами при неравномерной осадке образуются трещины наружных и внутренних стен.
- Наиболее опасными дефектами являются вертикальные трещины и разрушение лицевого слоя кирпичной кладки.
- Одним из современных способов усиления участков стен, ослабленных трещинами, является установка спиральных анкеров системы.
- В условиях Крайнего Севера при установке спиральных анкеров необходимо применять морозостойкий монтажный состав.
Стабильное качество достигается посредством применения эффективных, современных технологий и последних разработок в области строительных материалов и конструкций. Долговечность, энергетическая эффективность, эстетика здания имеют значительное значение в архитектуре городов и создают комфортную среду обитания для человека.
1. Serikhaliev S.B., Zimin S.S., Orlovich R.B. Defects of protective and decorative brick cladding of facades of frame buildings // Construction of unique buildings and structures. 2014. No. 5. Pp. 28-38.
2. Malakhova A.N. Constructive solutions of exterior walls of brick buildings // Construction materials, equipment, technologies of the XXI century. 2009. № 1. Pp. 22–23.
3. Granovsky A.V. Investigation of the strength and deformability of ceramic brick walls in the area of sealing metal anchors // Industrial and civil engineering. 2001. No. 10. Pp. 17-18.
4. Orlovich R.B. et al. Repair of the brick front layer in modern frame-monolithic houses / R.B. Orlovich, S.S. Zimin, P.A. Nachkina, A.A. Trusova // Construction of unique buildings and structures. 2014. № 8 (23). Pp. 136-153.
5. Ananyev, A. I. Ceramic brick and its place in modern construction / A. I. Ananyev, O. I. Lobov. -Building materials and technologies // Industrial and civil engineering. 2014. No. 10. Pp. 62-65.
6. Obozov V.I., Davidyuk A.A. Analysis of damage to brick cladding of facades of multi-storey frame buildings // Earthquake-resistant construction. Safety of structures. 2010. No. 3. Pp. 51-56.
7. Muriy M. A. Temperature deformations of wet brickwork // Bulletin of the Tomsk State University of Architecture and Civil Engineering. 2008. No. 1. Pp. 79-85
8. Lobov O. I., Ananyev A. I. Durability of cladding layers of exterior walls of multi-storey buildings with an increased level of thermal insulation // Building materials. 2008. No. 4. Pp. 56-59.
9. Shapiro G. I., Korovkin V. S. On the issue of the stress-strain state of residential and public buildings under temperature influences // Industrial and civil engineering. 2008. № 12. Pp.5-7.
10. Ishchuk M.K. The causes of defects in exterior walls with a front layer of brickwork // Housing construction. 2008. No. 3. Pp. 28-31.
11. Pangaev V.V., Savchenko A.Yu. On the influence of bending on the destruction of bricks of compressed masonry // Izvestiya higher educational institutions. Construction. 2008. No. 7. Pp. 137-141.
