Физико-механические испытания исторического кирпича в рамках реконструкции исторических объектов
Канев Д.В., Каддо К.П., Рыков А.А.
Аннотация: Настоящая статья посвящена проблеме оценки качества и подтверждению соответствия физико-механических параметров исторического (старинного) кирпича конца XIX – первой половины XX веков в рамках реконструкции старинных зданий и объектов культурного наследия.
Ключевые слова: исторический кирпич, керамический кирпич, геометрические параметры, прочность на сжатие, прочность на изгиб
В ходе проведения работ по реконструкции исторических объектов практически всегда возникает вопрос восстановления кирпичной кладки. Для этого требуется использовать тот же строительный материал, из которого выполнена кладка. Насколько возможно повторное применение исторического кирпича?
Прежде всего, необходим небольшой исторический экскурс, чтобы понять, кирпич какого наименования и формы применялся в указанный период времени.
Рис.1 Фасад здания Бадаевской Пивоварни.
В XIX веке началась всеобщая системная работа по стандартизации кирпича. Форма и размер кирпича менялась всю историю этого строительного материала, но всегда оставалась таковой, чтобы строителю-каменщику было удобно работать с единицей изделия, то есть кирпич должен был умещался в одной руке и весил столько, чтобы ей же можно было его поднять. До этого времени все попытки установить единые размеры кирпичных изделий успехом не увенчались. Связано это было с тем, что обожженный кирпич давал усадку 10-15 %, недавно отформованный материал во время процедур сушки и обжига менял свои размеры на 1-2 см даже на одной производственной линии.
В 1847 г. были опубликованы «Правила для единообразной прочной выделки кирпича, долженствующего употребляться как в Санкт-Петербурге, так и в других местах России, на казённых и частных заводах». Этими правилами устанавливался размер готового (т.е. обожжённого) кирпича 6×3×15 вершков (267×133×67 мм). Кирпич таких стандартных размеров именовался «казенным» и был распространен в строительстве с 1847 по 1927 годы.
В СССР стандарт на обыкновенный строительный кирпич (общесоюзный стандарт — ОСТ 101) утверждён Комитетом по Стандартизации при Совете Труда и Обороны 23 июня 1927 г. и с 1 мая 1928 г. стал обязательным. По определению стандарта: «Обыкновенный строительный кирпич представляет собой выработанный из глины искусственный обожженный камень установленной формы и размера». Стандарт регламентировал размеры современного кирпича: одинарный — 250×120×65 мм и утолщенный — 250×120×88 мм.
В Таблице 1 приведены различные виды кирпича, применявшегося на Руси в разные исторические периоды. В рамках данной статьи нас интересуют последние два.
Таблица 1 – Наименования и размеры кирпича в разные исторические периоды
Вид кирпича | Период применения | Размеры, мм |
Русская плинфа | X-XI в.в. | (360…400)×(360…400)×(25…30) |
Староновгородский | XII в. | (330…340)×(330…340)×(40…45) |
Киевский | XII-XIII в.в. | (290…310)×210×(45…50) |
Смоленский Великокняжеский | XII в. | 210×210×35 |
Аристотелев (1475 г.) | XV-XVI в.в. | 289×111×67 |
Китайгородский (1533 г.) | XVI в. | 323×189×106 |
Государев (1584 г.) | XVI-XVII в.в. | 312×134×89 |
Казенный (1847 г.) | XIX-XX в.в. | 267×133×67 |
Стандартный (1927 г.) | XX в. | 250×120×65 |
Целью данной работы является рассмотрение специфики применения методик физико-механических испытаний в рамках действующей нормативной документации для исследования материалов столетней и более давности.
Работа состояла из нескольких этапов:
- отбор образцов исторического кирпича с объекта реконструкции;
- проведение испытаний физико-механических характеристик образцов, изъятых из кирпичной кладки объекта;
- анализ полученных данных и сравнение полученных результатов с требованиями нормативной документации;
- выводы о практическом применении полученных результатов.
Основным нормативным документом, действующим на данный момент, является ГОСТ 530-2012 «Кирпич и камень керамические. Общие технические условия». Соответственно, применялись методики, продиктованные данным нормативным документом, все полученные показатели сравнивались с его требованиями. Главным образом, нас интересовали геометрические размеры и прочности на сжатие и изгиб. Расчетная прочность кирпича, применяемого в строительстве в конце XIX – начале XX веков, в среднем принималась сопоставимой с современной маркой по прочности М50. Подтверждением этих значений являются современные испытания случайным образом отобранных кирпичей дореволюционного производства. В ходе исследования мы также хотели перепроверить данное значение применительно к сделанной нами выборке.
Выемка материалов производилась из кладки ОКН-1 ЖК Бадаевский строение 1 Бадаевской пивоварни (см. рис.1).
Определение предела прочности кирпича на сжатие и изгиб было выполнено в соответствии с ГОСТ Р 58527-2019 (заменяющим более ранний ГОСТ 8462-85). Число образцов в партии принято согласно п. 6.5 ГОСТ 530-2012. Марка кирпича по прочности устанавливалась по значениям пределов прочности при сжатии и изгибе согласно пп. 5.2.3 ГОСТ 530-2012. Для проведения испытаний использовался пресс испытательный ТП-1-1500, заводской номер №1248 свидетельство о поверке №С-ВЭШ/09-04-2024/339126337, действителен до 08.04.2025 г.
Предел прочности при сжатии , МПа (кгс/см) вычисляют по формуле:
где P – наибольшая нагрузка, установленная при испытании образца, МН (кгс);
F – площадь поперечного сечения образца, вычисляемая как среднее арифметическое значение площадей верхней и нижней его поверхностей, м2 (см2).
Предел прочности при сжатии образцов в партии вычисляют с точностью до 0,1 МПа (1 кгс/см) как среднее арифметическое значение результатов испытаний установленного числа образцов.
Предел прочности при изгибе
где P — наибольшая нагрузка, установленная при испытании образца, МН (кгс);
l — расстояние между осями опор, м (см);
b — ширина образца, м (см);
h — высота образца посередине пролета без выравнивающего слоя, м (см).
Предел прочности при изгибе образцов в партии вычисляют с точностью до 0,05 МПа (0,5 кгс/см) как среднее арифметическое значение результатов испытаний установленного числа образцов.
При вычислении предела прочности при изгибе образцов в партии не учитывают образцы, пределы прочности которых имеют отклонение от среднего значения предела прочности всех образцов более чем 50% и не более чем по одному образцу в каждую сторону.
Ниже приведена вырезка из Протокола испытаний № 3 ИНЖ от 30.01.2025 г., проведенных строительной испытательной лабораторией КТБ НИИЖБ.
Таблица 2 – Результаты испытаний образцов исторического кирпича
Таблица 3 – Заключение в соответствии с ГОСТ 530-2012
Характеристики параметров изделий (полнотелого кирпича) | ГОСТ 530-2012 | Фактические результаты | |
1) Средняя прочность изделий при сжатии, МПа | Табл.7 | 10 | 10,7 |
2) Минимальная прочность изделия при сжатии единичного образца, МПа | Табл.7 | 7,5 | 9,6 |
3) Средняя прочность изделий при изгибе, МПа | Табл.7 | 2,2 | 2,2 |
4) Минимальная прочность изделия при изгибе единичного образца, МПа | Табл.7 | 1,1 | 1,4 |
По результатам проведенных работ, приведенных в таблице 2 установлено, что образцы кирпичей 3 партии серии №12 из поддона №1204 ОКН-1 (ФАСАД) согласно ГОСТ 530-2012 соответствуют марке кирпича по прочности М100. | |||
В качестве примера приводится выборка кирпичей кладки фасада, как воспринимающие наиболее разрушительные воздействия со стороны атмосферных осадков и перепадов температур. Геометрические размеры, несмотря на неоднородные нарушения плоскостности и сколы (посечки и отбитости), позволяют соотнести отобранные образцы с эталоном, «казенным» кирпичом 267×133×67 мм, а не с более поздним уже «стандартным» кирпичом советского периода. Тем не менее, неоднородность кирпичей, вызванная внешними воздействиями и воздействием времени, не позволяет применять их повторно без тщательной выбраковки по признакам отклонений от размеров принятого эталона. Таким образом, отобранный исторический кирпич не соответствует требованиям ГОСТ 530-2012 в части допусков по геометрическим размерам и плоскостности.
Касательно прочностных характеристик можно сказать, что показатели, полученные в результате испытаний на изгиб и сжатие, даже превысили ожидаемые и их можно соотнести с маркой М100 согласно ГОСТ 530-2012.
Совокупность результатов испытаний позволяет сделать вывод, что повторное применение кирпича дореволюционных сроков выработки возможно лишь отчасти, например, при восстановлении исторической отделки внутренних помещений. Применение в стенах с внешней стороны с целью реконструкции фасада здания невозможно в связи с прогрессирующими деструктивными процессами материала, особенно, с учетом повреждений, полученных в результате выемки из кладки. Геометрическая неоднородность не позволяет применять их в несущих стенах, даже с учетом полученных результатов по прочности. В других случаях применение исторического кирпича для восстановления несущих стен возможно только по результатам проведения физико-механических испытаний и прочностных расчетов.
При реализации данного проекта, был осуществлен поиск возможных нормативных путей решения в рамках имеющихся отступлений, для возможности сохранения исторического облика здания и его дальнейшее приспособление под современное использование. Для оценки возможности применения старинного кирпича был проведен ряд основных физико-механических испытаний. Значения и отклонения, полученные в результате испытаний, позволили соотнести показатели исторического кирпича с современными требованиями. Результаты работы возможно применить в рамках исследований состояния кирпича схожих объектов, для оценки требований к историческому кирпичу с целью его повторного применения в целях реконструкции, для оценки качества исторических материалов, определения возможности и порядка их сертификации.
Список источников
- Попов К.Н., Каддо М.Б. Строительные материалы: учебник для студентов учреждений высшего профессионального образования. Издательство: Студент, 2019. 440 с.
- Каддо М.Б., Федорова Э.А. Стандартизация кирпича по прочности. Издательство: Индивидуальный предприниматель Клюев Сергей Васильевич. Журнал: Успехи современной науки. Том: 6. Номер: 3. Год: 2017. Страницы: 101-103.