Арка й склепіння з шамотної цегли: який клин обрати під радіус і скільки цеглин у кільці

Арка над топкою каміна, склепіння хлібної печі чи печі для піци — єдине місце в пічній кладці, де пряма цегла не працює: якщо викласти дугу з прямих ША-5, шов між ними розкривається клином: усередині лишається 2–3 мм, а ззовні виходить 15–30 мм розчину, який слабший за цеглу й першим кришиться. Для цього й існують клинові формати. Але в розділі вогнетривкої цегли їх чотири — ША-22, ША-23, ША-44 і ША-45 — і різниця між ними не в якості, а в геометрії: кожен клин розрахований на свій радіус і свою товщину кільця. Нижче — як прочитати цю геометрію, підібрати клин під ваш проліт, чому арку підганяють під цеглу, а не навпаки, і скільки цеглин іде на кільце, з кресленнями двох типових конструкцій.

Два типи клина — і чому їх не можна плутати

Усі чотири клини шамотної цегли Запоріжвогнетрив мають ті самі габарити 230×114 мм і ту саму висоту 65 мм на широкому боці; відрізняються вони тим, у якому напрямку цегла звужується. У торцевого клина різну висоту мають торці — 65 мм на одному кінці й 55 або 45 на другому, тобто звуження йде вздовж довжини 230 мм. У ребрового клина різну висоту мають довгі грані — 65 і 55 чи 45 мм, звуження йде впоперек ширини 114 мм.

Від цього залежить, як цегла лягає в кільце. Торцевий клин працює в арці «в цеглину»: 230 мм іде радіально й задає товщину кільця, 114 мм — уздовж осі склепіння, а грані 65 і 45 дивляться назовні й усередину дуги. Ребровий клин працює в арці «в півцеглини на ребро»: радіально йде 114 мм, 230 мм — уздовж осі, і саме тому він дає крутіший радіус при тому самому звуженні. Поставити торцевий клин на ребро не вийде — звуження опиниться не в тій площині, і шов знову піде клином.

Мінімальний радіус кожного клина — одна формула

Клин — це сектор кільця: його широка грань лежить на зовнішній дузі, вузька — на внутрішній. Із подібності трикутників внутрішній радіус, при якому кільце складається з самих клинів і шви між ними однакові по всій глибині, дорівнює товщині кільця, помноженій на вузьку грань і поділеній на різницю граней: R = t × a / (65 − a), де t — 230 мм для торцевого клина і 114 мм для ребрового, a — вузька грань (55 або 45).

Кут одного клина — це різниця граней, поділена на товщину кільця, у градусах: у ША-45 це 20/114 радіана, тобто 10°, тому півколо з нього замикається вісімнадцятьма цеглинами; у ША-22 лише 10/230 — 2,5°, і на те саме півколо піде 72 цеглини, зате радіус вийде понад метр. Шов усередині дуги теж «займає» частину вузької грані, тому радіус для шва 2,5 мм трохи більший — остання колонка.

Це не жорстка межа. Трохи менші радіуси теж бувають, але шов ззовні тоді розкривається клином: ША-23 у півколі радіусом 400–450 мм ще замикається, а ззовні шви сягають 6–8 мм; нижче ця цегла вже не дотягує. Радіус більший за мінімальний теж не проблема, але тоді росте шов на гарячій грані: ША-45 при радіусі 300 мм — на 17 % більшому за мінімальні 257 — дає шов усередині вже 4,4 мм. Що з цим робити, — нижче.

Як замикається кільце: цегла ціла, тому розмір підганяють

Спершу з прольоту й стріли підйому знаходять радіус: для півциркульної арки R = s/2, для сегментної R = (s²/4 + f²) / 2f, де s — проліт, f — стріла в замку. Кут розкриття дуги θ = 2·arcsin(s / 2R) — для півкола це 180°.

Далі — головне. У кільці ціле непарне число цеглин n: посередині замок, який забивають останнім. Для кільця з самих клинів шов на гарячій грані виходить (θ·R − n·a) / (n + 1), а ззовні — (θ·(R + t) − 65·n) / (n + 1), де a — вузька грань клина, а кут θ — у радіанах. Підставляють кілька непарних n і беруть те, де обидва шви в межах: усередині 2–3 мм, ззовні до 6. Оскільки n — ціле, «чисто» кільце замикається лише при певних розмірах, і мурувальники підганяють проліт чи стрілу на кілька міліметрів під цеглу, а не навпаки.

Коли радіус набагато більший за мінімальний для клина, шви на гарячій грані виходять товстими, і частину клинів замінюють прямою ША-5, чергуючи її з клинами. Ручною арифметикою такі розкладки не розібрати: біля кожної прямої цеглини шов ззовні розкривається клином до 6–10 мм, і склад залежить від кута дуги. Їх підбирає калькулятор арки з шамотної цегли — він перебирає клини вашого кільця, показує шви в кожній парі цеглин і підказує найближчі розміри з ідеальними швами.

Не кожен розмір лягає в цеглу так само гладко. Проліт 1200 мм зі стрілою 200 мм — той самий радіус 1 м, але коротка дуга — жодним клином добре не викладається: ША-23 виходить лише впереміш із прямими й зі швом усередині 1,1 мм. Проліт підганяють до 1215–1225 мм і беруть ША-22: 23 клини, шви 1,5–1,9 мм усередині. Так само 600-міліметровий портал із таблиці: 585 мм дають ті самі 19 клинів, але вже зі швом 2,7–3,2 мм.

Приклад 1: арка каміна на ребро з ША-45

Проліт порталу 520 мм, арка півциркульна — радіус 260 мм, кільце в півцеглини на ребро (114 мм). Радіус лише на кілька міліметрів більший за мінімум ША-45 (257 мм), тож підходить кільце з самих клинів: 180° / 10° ≈ 18, а число має бути непарним — беремо 17. Шов усередині (π·260 − 17·45) / 18 = 2,9 мм, ззовні (π·374 − 17·65) / 18 = 3,9 мм — обидва в межах, це і є розкладка на кресленні: 17 клинів ША-45, замок посередині.

Портал 600 мм (R = 300 мм) — розмір звичний, але для цієї цегли незручний: 19 клинів дають шов усередині 4,1–4,4 мм, товстіше за рекомендовані 2–3, а прямі цеглини не рятують — біля них шов ззовні розкрився б понад 10 мм. Тому проліт підганяють: 585 мм — шов усередині 2,7–3,2 мм, 580 мм — 2,3–2,9 мм.

Приклад 2: склепіння хлібної печі в цеглину з ША-23

Камера завширшки 1000 мм, стріла підйому склепіння 300 мм: дуга сегментна, R = (250 000 + 90 000) / 600 = 567 мм, кут розкриття 124°. Це кільце «в цеглину» завтовшки 230 мм, і радіус лягає в діапазон ША-23 (мінімум 518 мм). Клинів: 124° / 5° ≈ 25 — непарне число, замок тринадцятий. Шов усередині (θ·R − 25·45) / 26 = 3,9 мм, ззовні 3,8 мм — трохи товстіше за ідеальні 2–3, але в межах. Щоб утонити шов усередині до 3 мм, проліт підганяють до 980 мм: шви 3,1–3,2 мм. Пряма цегла тут не допоможе: одна ША-5 замість клина розкриває шов ззовні понад 15 мм.

Склепіння — це низка таких кілець уздовж камери, кожне завширшки 114 мм плюс шов 3 мм: на довжину 1200 мм піде 11 кілець (10,3 округлюють угору, останнє підрізають) — 11 × 25 = 275 клинів ША-23, з запасом 5–10 % близько 290–300. Сусідні кільця зсувають на півцеглини одне відносно одного, щоб поперечні шви не збігалися, а крайні добирають половинками. І окреме про фізику: сегментний звід тисне на стінки не лише вниз, а й назовні, і чим положистіша дуга, тим сильніший цей розпір — тому стінки камери роблять масивними або стягують сталевими тяжами поза зоною нагріву.

Піч зі склепінням цілком — з подиною, стінками, тильною стінкою й кільцями «на ребро» із клинів ША-44 чи ША-45 — разом із порядовкою та розрізами рахує калькулятор печі для піци й хліба.

Кружало і порядок кладки

1. Кружало — за внутрішнім радіусом. Два ребра з фанери або дошки випилюють по дузі з радіусом R, з'єднують поперечними брусками на ширину кільця й ставлять на стійки. Під стійки кладуть пари дерев'яних клинів — після схоплювання розчину їх підбивають, і кружало опускається рівно, без удару по дузі.
2. Розкладка насухо. Усі цеглини кільця виставляють на кружало без розчину, від обох п'ят до замка, і дивляться на шви: вони мають бути однакові й сходитися до центра кола. Це момент, коли ще можна підігнати розмір, не розбираючи кладку.
3. Кладка від п'ят до замка — симетрично. Ведуть одночасно з обох боків, шов усередині 2–3 мм, розчин — шамотний мертель або готова жаростійка суміш для печей і камінів; цементно-піщаний у зоні понад 500 °C не живе. Кожен шов перевіряють шнуром, натягнутим від центра кола.
4. Замок — останнім і щільно. Його вганяють зверху кіянкою через дерев'яну прокладку, поки розчин у сусідніх швах не видавиться. Слабо посаджений замок — головна причина, чому арка «сідає» після зняття кружала.
5. Кружало знімають після схоплювання розчину — для жаростійких сумішей це зазвичай наступного дня, точний час є в інструкції суміші. Повне сушіння й перше протоплювання — окрема тема, вона розібрана в гайді «Чим класти піч і камін».

Типові помилки

• Підрізати пряму цеглу замість клина. Шамот важко різати рівно, а шов усе одно виходить клиноподібним — до 15–30 мм ззовні, і товстий розчин слабший за цеглу.
• Ребровий клин у кільці «в цеглину» або торцевий на ребро. Звуження опиняється не в тій площині, і кільце не замикається.
• Клин, що не підходить під радіус. Нижче мінімуму шви ззовні розкриваються до 10 мм і більше; значно вище — товстішає шов усередині. Підбирайте клин під радіус і підганяйте проліт.
• Пряма цегла замість клина «для підгонки». Біля неї шов ззовні розкривається клином до 10–15 мм — простіше змінити проліт на кілька міліметрів.
• Парна кількість цеглин. Замість замка посередині опиняється шов — найслабше місце дуги.
• Кружало вибивають, а не опускають. Удар по свіжій дузі зрушує замок, і арка тріскає ще до першого протоплювання.
• Жорстка перев'язка зводу зі стінками масиву. Шамот розширюється при нагріві сильніше за керамічну цеглу; між ними лишають зазор 5–10 мм з базальтовим картоном.

Часті запитання

Який клин потрібен для арки над дверцятами топки?

Проріз дверцят зазвичай 250–400 мм, півциркульна арка над ним має радіус 0,13–0,2 м — це менше за межу ША-45 (близько 0,22 м): клин просто не дає такого звуження. Тому над дверцятами роблять пологу сегментну арку: проріз 400 мм зі стрілою 80 мм (R = 290 мм) — це 9 клинів ША-45 на ребро, шов усередині 3,4–3,7 мм. Для прорізу до 300 мм простіше перекрити його прямою ША-5 як перемичкою.

Чи можна викласти арку з самих прямих ША-5, роблячи клиноподібний шов?

Технічно можна при дуже великих радіусах, коли шов ззовні виходить не товстішим за 5–6 мм. У побутових арках радіусом 0,3–0,6 м зовнішній шов між двома прямими цеглинами сягає 15–30 мм, а розчин у такому шві слабший за шамот і першим кришиться. Клин переносить роботу з розчину на цеглу.

Скільки клинів потрібно на склепіння печі для піци?

Залежить від форми зводу. Для циліндричного склепіння рахують одне кільце й множать на кількість кілець по глибині: на камеру 1000×1200 мм зі стрілою 300 мм — 11 кілець по 25 клинів ША-23, тобто 275, з запасом близько 290–300. Купольний звід із подвійною кривизною клинами одного формату не викладається: там ряди звужуються до верху й цеглу підрізають окремо в кожному ряду.

ША-22 чи ША-23 — що взяти, якщо радіус приблизно 1 метр?

Залежить від дуги, а не лише від радіуса. Для півкола радіусом 1 м (проліт 2 м) добре підходить ША-22: 55 клинів, шов усередині 2,1 мм. А ось сегмент із тим самим радіусом при прольоті 1,2 м і стрілі 0,2 м жоден клин добре не викладає: ША-23 виходить лише впереміш із прямими й зі швом усередині 1,1 мм. Проліт підганяють до 1215–1225 мм і беруть ША-22. Точну розкладку для вашого розміру покаже калькулятор.

Чи потрібен клин для мангала або барбекю?

Лише якщо над жаровнею роблять арку порталу чи склепіння коптильні. Сама жаровня — прямокутник із прямої цегли, і клини там не потрібні; що куди класти в мангалі, печі й каміні, порівняно по конструкціях у гайді «Яка вогнетривка цегла для печі, каміна й мангала».