Магазин

Материалы сайта

Пластическая деформация

Искривление или прогибание каменных деталей проявляется преимущественно на мраморных плитах, имеющих сравнительно малую толщину при значительных линейных размерах, и представляет собой частный случай дислокационной пластической деформации камня (скольжения кристаллов породы по кристаллографическим плоскостям) под действием внутренних напряжений. В свою очередь, возникновение напряжений в камне может быть обусловлено весовой нагрузкой, воспринимаемой деталью в конструкции, нагревом (от солнечных лучей либо от искусственного источника тепла), а также гидростатическим давлением (набуханием от влаги).

Чаще всего имеет место одновременное действие нескольких перечисленных факторов. Учитывая длительность протекания подобных процессов, данный вид пластической деформации камня может быть квалифицирован как ползучесть.

Замечено, что ползучесть ускоряется при наличии в камне хорошо развитого кливажа. Как показывают исследования, существует корреляция между модулем упругости породы и коэффициентом ползучести: так называемые квазиэластичные (упругие) виды камня (базальты, алевриты и др.), обладающие модулем упругости порядка 8-12 х 100000 кг/см2, характеризуются значением коэффициента ползучести до 0,000076 кг/см2/10 лет; упруго-хрупких пород (мраморы, мраморизованные известняки, песчаники и др.)> имеющих модуль упругости 4-6 х 10000 кг/см2, коэффициент ползучести равен 0,000021-0,00004 кг/см2/10 лет, а у неэластичных (хрупких) пород (кристаллические сланцы, граниты и др.) с модулем упругости 0,5-2 х 1000 кг/см2 параметр ползучести составляет от 0,0000011 до 0,0000089 кг/см2/10 лет. Таким образом, чем выше у породы модуль упругости, тем ниже параметр ползучести.

И. А. Ковельман наблюдал рассматриваемый дефект на мраморных досках памятника М. Лазареву в Москве: эти детали размером 1120 х 760 х 20 мм, жёстко закреплённые на чугунном постаменте, за 80 лет существования памятника выгнулись без обнаружения трещин, причём прогиб в центральной части составил 50 мм. Подобные явления мы наблюдали на некоторых мемориальных досках в Санкт-Петербурге, а также на мраморных деталях каминов. Значительные прогибы мраморных плит на старых надгробиях в Германии были в своё время зафиксированы С. Зигесмундом.

В современной архитектуре самый примечательный случай выгибания плит мраморной облицовки связан с Дворцом Конгрессов в Хельсинки архитектора Алвара Аалто (построен в 1962-1975 гг.). Фасады Дворца облицованы плитами каррарского белого мрамора двух размеров: 850 х 1500 и 450 х 1500 мм при толщине 30 мм. Каждая плита крепилась к стене при помощи четырех стальных анкеров. Обследование фасадов в 1995-98 годах показало, что значительная часть облицовочных плит деформировалась с прогибом до 30-40 мм. Обследованиями установлено, что наибольшим деформациям подверглись плиты на юго-восточной стороне дворца, а наименьшим — на северной стороне.

Аналогичные случаи деформации деталей облицовки наблюдались на фасаде небоскрёба в Чикаго, некоторых зданий в Загребе, Варшаве и других городах.

Одной из основных причин появления прогибания каменных деталей, как уже ранее отмечалось, является односторонний нагрев камня: поверхность детали, обращённая к источнику тепла, нагревается больше противоположной поверхности (в связи со слабой теплопроводностью мрамора). В результате в теле камня возникают напряжения, под действием которых кристаллы кальцита начинают скользить относительно друг друга, плита выгибается в сторону источника тепла. Указанный процесс протекает в течение длительного времени: по данным некоторых исследователей, он составляет не менее 10-15 лет и зависит от ряда факторов (климатических условий, размеров детали, способа её крепления и т. п.). Значительная роль в этих процессах отводится увлажнению мрамора. Установлено, что кристаллические мраморы, расширяющиеся при нагревании, после охлаждения не возвращаются к первоначальным размерам.

Интересно, что на плитах мраморной облицовки, установленных на раствор, никаких искривлений не происходит, что объясняется закреплённостью всей тыльной поверхности плит. Долговременное действие на деталь собственных конструкционных нагрузок также играет важную роль в пластических деформациях камня (так называемых «хронических деформациях»). Такие деформации наблюдал Б. П. Беликов на кладбищах в Гаване и Сантьяго-де-Куба, где прогиб массивных деталей из каррарского мрамора на некоторых надгробиях достигал 100 мм. Возможно, здесь сыграли свою роль и температурные напряжения от нагрева мрамора солнечными лучами.

Весьма серьёзные последствия прогибания каменных плит могут иметь место в современных конструкциях облицовок с вентилируемым фасадом, где каждая плита жёстко крепится к несущему каркасу по своим краям: в этих случаях помимо искривления облицовки возможно и её разрушение (подобные явления, например, зафиксированы на мраморных плитах фасадов высотного дома в Варшаве). К серьёзным последствиям может привести изменение объёма камня при его комбинации с материалами, обладающими другими коэффициентами температурного расширения (например, в сэндвич-панелях).

Устранить дефект прогибания плит невозможно, искривлённую деталь необходимо заменить. В то же время указанная деформация камня может быть предотвращена, если в конструкции облицовки плиты крепить не только по краям, но и в центре либо предусмотреть возможность их некоторого смещения в пазах, направляющих и т.п., позволяющую «гасить» изгибающие деформации.