چسب اپوکسی چیست؟ دوام و طول عمر چسب اپوکسی سازه ای

چسب‌ها به عنوان یک روش اتصال در صنعت ساختمان به شدت رواج دارند. استفاده از چسب به جای روش‌های سنتی اتصال نظیر پیچ و مهره، جوش و یا میخ‌کوبی به دلیل ویژگی‌هایی که دارد، بسیار مورد توجه واقع شده است. یکی از مزایای استفاده از چسب در صنعت ساختمان، کاهش زمان و هزینه نصب و اتصال قطعات است. همچنین، چسب‌ها از نظر خواص مکانیکی و  عایق‌بندی اتصال نسبت به سایر روش‌ها ویژگی‌های بهتری دارند. با وجود تمام مزایایی که چسب‌ها دارند، انتخاب چسب مناسب با توجه به ویژگی‌های مورد انتظار و شرایط محیطی، بسیار مهم است. طراحی دقیق اتصال و اجرای مناسب چسب نیز در عملکرد مناسب چسب بسیار مؤثر است.

چسب‌های اپوکسی یکی از پرکاربردترین انواع چسب در صنعت ساختمان هستند. این چسب‌ها به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی بسیار مناسبی که دارند به عنوان یک روش مطمئن برای اتصال انواع مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند. از ویژگی‌های مهم چسب اپوکسی می‌توان به مقاومت بسیار بالا، سازگاری با اکثر مصالح ساختمانی و دوام بالا اشاره کرد. کاربرد چسب‌های اپوکسی در صنعت ساختمان تا حدی گسترش یافته که مؤسسه بتن آمریکا به عنوان یک مرجع معتبر منتشرکننده استانداردهای صنعت ساختمان، ضوابط استفاده از چسب‌های اپوکسی را در گزارش ACI 503 منتشر کرده است

چسب اپوکسی چیست؟

چسب اپوکسی نوعی چسب دو جزئی است که از یک جزء رزین اپوکسی و یک جزء سخت‌کننده (هاردنر) تشکیل شده است. هنگامی که این دو جزء به نسبت صحیح با هم مخلوط شوند، یک واکنش شیمیایی رخ می‌دهد که منجر به سخت شدن چسب شده و یک پیوند قوی و بادوام تشکیل می‌دهد.

چسب‌های اپوکسی به دلیل استحکام، دوام و مقاومت فوق‌العاده‌ای که در برابر حرارت، مواد شیمیایی و رطوبت دارند به عنوان یک چسب همه کاره شناخته شده و در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از رایج‌ترین کاربردهای اپوکسی در صنعت ساختمان است که برای چسباندن موادی مانند بتن، چوب و فولاد به یکدیگر به کار می‌رود. سایر انواع چسب اپوکسی بسته به کاربردشان به نام چسب اپوکسی آهن یا چسب اپوکسی سنگ نیز شناخته می‌شوند.

اپوکسی همچنین در صنایع خودروسازی و هوافضا برای چسباندن فلزات، پلاستیک‌ها و کامپوزیت‌ها و در صنعت الکترونیک به عنوان درزگیر و محصورکننده برای محافظت و عایق‌کاری قطعات الکترونیکی کاربرد دارد. اپوکسی همچنین در صنایع دریایی برای محافظت از قایق‌ها و کشتی‌ها در برابر محیط مرطوب و نمکی آب دریا استفاده می‌شود.

ویژگی‌های چسب‌های اپوکسی

ویژگی‌های چسب‌های اپوکسی به طور کامل در فصل سوم ACI 503 آمده است. با این حال به طور کلی می‌توان ویژگی‌های زیر را برای اپوکسی‌ها برشمرد:

• چسبندگی: چسب‌های اپوکسی کیفیت و استحکام چسبندگی بسیار خوبی دارند و تقریباً با تمام مصالح ساختمانی از جمله بتن و فولاد سازگارند. البته تعدادی از ترموپلاستیک‌ها مانند پلی‌اتیلن در این زمینه استثنا هستند.
• تطبیق‌پذیری: با ایجاد تغییر در فرمولاسیون اپوکسی‌ها می‌توان به چسب‌هایی با طیف گسترده‌ای از خواص فیزیکی و شیمیایی دست یافت. به همین دلیل اپوکسی‌ها در تعمیرات، پوشش‌دهی، عایق‌بندی و بسیاری دیگر از انواع کاربردها استفاده می‌شوند.
• مقاومت شیمیایی: اپوکسی‌ها در برابر حمله اسید، روغن، قلیا و انواع حلال مقاومند.
• گیرش سریع: در دمای محیطی عادی، رزین ترکیب شده با سخت‌کننده می‌تواند در عرض چند دقیقه از حالت روان به چسبی سخت شده تغییر حالت دهد. البته با تغییر در فرمولاسیون چسب این زمان را می‌توان تغییر داد و تا چند ساعت افزایش داد.
• نفوذناپذیری: یکی از ویژگی‌های بارز چسب‌های اپوکسی، مقاومت آن‌ها در برابر رطوبت است. یک لایه نازک از پوشش اپوکسی مناسب می‌تواند سطح زیرینش را به طور کامل نفوذناپذیر کند حتی اگر سطح مورد نظر به طور مداوم در تماس با آب باشد. البته برخی از ترکیبات اپوکسی هستند که در محیط‌های مرطوب جذب آب بالایی دارند. باید توجه داشت تا اپوکسی با ترکیب متناسب انتخاب شود.
• انعطاف‌پذیری: چسب‌های اپوکسی نسبت به سایر اتصالات انعطاف‌پذیری بیشتری دارند. این چسب‌ها می‌توانند در برابر بارهای وارده تغییرشکل داده و دوباره به حالت اولیه خود بازگردند.

مزایا و معایب چسب اپوکسی

به طور خلاصه مزایا و معایب چسب اپوکسی به شرح زیر است:

مزایا

• خصوصیات مکانیکی عالی و استحکام چسبندگی بالا
• مقاوم و بادوام در برابر ضربه، رطوبت، حمله مواد شیمیایی و شرایط دمایی مختلف
• سازگاری با تقریباً تمامی مصالح ساختمانی از جمله بتن، فولاد، چوب و …
• هزینه کمتر و سرعت اجرای بیشتر نسبت به روش‌های اتصال سنتی
• قابلیت انطباق‌پذیری بالا با تغییر در فرمولاسیون چسب

معایب

• اپوکسی‌ها پس از ترکیب دو جزء و در زمان پخت، نسبت به دما و رطوبت حساس هستند که این مسئله ممکن است بر چسبندگی و دوام آن‌ها اثر گذارد.
• اپوکسی‌ها پس از آن که دو جزءشان ترکیب شد، شروع به گیرش می‌کنند بنابراین بلافاصله پس از ترکیب باید اجرا شوند. البته با تغییر در فرمولاسیون می‌توان این مسئله را بهبود بخشید.
• اپوکسی‌ها پیش از اجرا نیازمند آماده‌سازی سطوح زیرینشان هستند در غیر این صورت چسبندگی و دوام کافی را نخواهند داشت.

میزان دوام چسب اپوکسی سازه‌ای

اگرچه دستیابی به مقاومت اولیه بالای چسب مسئله‌ای مهم است، اما حفظ مقاومت چسبندگی در طول زمان و در برابر عوامل محیطی مختلف، بسیار اهمیت بیشتری دارد. مهم‌ترین عاملی که منجر به افت چسبندگی می‌شود رطوبت است. رطوبت، مستقل از مقدار آن، تقریباً در هر محیطی وجود دارد و عامل اصلی افت کیفیت چسبندگی بین مصالح مختلف است.
میزان اهمیت دوام چسب‌ها به کاربرد آن‌ها و محیطی که مورد استفاده قرار می‌گیرند بستگی دارد. به عنوان مثال، چسب ممکن است در هواپیماهای نظامی و غیرنظامی که در مناطق استوایی و ساحلی هستند به کار رود یا در ادوات داخلی ساختمان‌ها در دمای معمول و به دور از عوامل شیمیایی استفاده شود. واضح است در شرایط اول، موضوع دوام چسب‌ها از اهمیت بسیار بیشتری برخوردار است.

میزان کاهش مقاومت چسبندگی در چسب‌ها به عوامل مختلفی بستگی دارد که به طور کلی در 3 بخش دسته‌بندی می‌شوند: شرایط محیطی، مصالح مصرفی و تنش وارد بر چسب. شرایط محیطی بیشتر با دما، میزان رطوبت و حضور مواد شیمیایی تهاجمی مانند یون کلرید تعریف می‌شود. مصالح مصرفی شامل مواد تشکیل دهنده چسب و سطحی است که چسب روی آن اعمال می‌شود. کیفیت مواد مصرفی در چسب و نحوه اندرکنش میان چسب و سطح زیرین آن بر عملکرد طولانی مدت چسب تأثیر مستقیم دارد. همچنین نیرو و تنش‌هایی که به چسب وارد می‌شود نیز مهم است. چسب ممکن است تحت بارگذاری دائم یا چرخه‌ای باشد و تنش‌های زیاد یا کم را تحمل کند.

به طور کلی چسب‌های اپوکسی به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و ترکیبات شیمیایی که دارند به عنوان محصولی بسیار مقاوم، با دوام و با طول عمر زیاد شناخته می‌شوند. ACI 503 در بسیاری از بخش‌های خود از جمله بند 1.1.1.3 و 3.2.1 اپوکسی‌ها را بسیار با دوام و مقاوم در برابر عوامل از بین برنده معرفی کرده است. از جمله این عوامل که اپوکسی‌ها در برابر آن‌ها مقاوم هستند می‌توان به رطوبت، حمله اسیدها، روغن‌ها، عناصر قلیایی و بسیاری دیگر از عوامل محیطی اشاره کرد.

راهکارهای افزایش طول عمر چسب

با وجود آن که افت مقاومت چسب در طول زمان امری اجتناب ناپذیر است، راهکارهایی وجود دارد که سرعت این روند را کاهش می‌دهد. این راهکارها را می‌توان در 3 بخش دسته‌بندی نمود: شرایط محیطی، مصالح مصرفی و طراحی.
تغییر شرایط محیطی که چسب در معرض آن قرار گرفته، احتمالاً مؤثرترین راهکار برای افزایش طول عمر چسب است. چسب در محیطی با دمای معمولی و رطوبت کم، افت مقاومت چندانی از خود نشان نمی‌دهد. با این حال این راه معمولاً عملی نیست و نمی‌توان شرایط محیطی چسب را به طور کامل عوض کرد ولی می‌شود از چسب در برابر شرایط محیطی که دارد محافظت نمود.
اصلاح مواد تشکیل‌دهنده چسب و یا تغییر جنس سطح زیرین چسب نسبت به تغییر شرایط محیطی راهکاری عملی‌تر است. هرچند ممکن است در برخی موارد از نظر اقتصادی به صرفه نباشد. انتخاب موادی که نفوذپذیری کمی دارند و در برابر خوردگی مقاومند به افزایش دوام چسب کمک می‌کند.

آماده‌سازی سطوح یکی از مؤثرترین و عملی‌ترین راهکارها در افزایش دوام اتصال است. مطالعات نشان داده اگر چسب روی یک سطح کمی زبر اجرا شود نسبت به وقتی که آن را روی یک سطح صیقلی اجرا می‌کنیم دوام و چسبندگی بسیار بیشتری دارد. بنابراین ساییدن سطوح زیرین به خصوص زمانی که قصد اجرای چسب روی سطحی مانند بتن را داریم در افزایش کیفیت اتصال مؤثر است. همچنین پاکسازی سطوح از آلودگی‌ها و گرد و غبار نیز امری ضروری است که باید قبل از اجرای چسب انجام شود.
طراحی مناسب اتصال برای افزایش دوام چسب ضروری است. اگرچه نمی‌توان به طور کامل از رسیدن رطوبت به اتصال جلوگیری کرد ولی می‌توان با طراحی مناسب آن را محدود کرد. به عنوان مثال هندسه اتصال باید به گونه‌ای طراحی شود که از تجمع و انباشت آب جلوگیری کند. تعبیه سوراخ به عنوان زهکش و مسیر خروج رطوبت نیز می‌تواند کمک کند. همچنین می‌توان اطراف اتصال را به کمک درزگیرهای عایق پوشاند تا از رسیدن رطوبت به چسب جلوگیری کند.

راهکار دیگر در افزایش طول عمر چسب، بیش‌طراحی یا Over-Designing اتصال است. به این معنی که طراحی با ضریب اطمینان بیشتر از آنچه که لازم است انجام شود و ظرفیت اتصال بیش از حد مورد نیاز در نظر گرفته شود. در این حالت تنش‌های واقعی تجربه شده، کسر کوچکی از تنش‌هایی است که اتصال می‌تواند تحمل کند. به این ترتیب، حتی اگر رطوبت بخشی از اتصال را با اختلال مواجه کند، مشکلی در تحمل بارهای وارده به وجود نمی‌آید. البته باید در نظر داشت این رویکرد از نظر هزینه و طراحی بهینه نیست.

سنجش دوام چسب‌ اپوکسی

آیین‌نامه‌های مختلفی در زمینه استفاده از چسب‌های اپوکسی و سنجش عملکرد آن‌ها منتشر شده است. یکی از این استانداردها که مرتبط با کاربرد چسب اپوکسی در صنعت ساخت و ساز و درباره استفاده از آن در محصولات بتنی است، گزارش ACI 503 است که توسط مؤسسه بتن آمریکا نوشته شده است. در پیوست اول این آیین‌نامه، روش‌های سنجش چسبندگی و مطلوب بودن سطوح برای اعمال چسب آورده شده است.

با این حال، استاندارد ASTM روش‌های سنجش کامل‌تری را معرفی کرده است. ASTM C 881 مشخصات مختلف چسب از جمله زمان کاربری، گرانروی، جذب آب، مقاومت چسبندگی، سازگاری حرارتی، مقاومت کششی و سایر مشخصات مکانیکی و شیمیایی را به همراه روش سنجش آن‌ها مورد بررسی قرار داده است.

استاندارد معتبری که به طور مشخص روش سنجش دوام چسب اپوکسی و عملکرد طولانی مدت آن را بررسی کند وجود ندارد. با این حال هم در صنعت و هم در پژوهش‌های علمی روش‌هایی برای بررسی دوام چسب‌ها استفاده شده است. در یک پژوهش که در سال 2007 میلادی در این زمینه انجام شده است، نمونه‌های اپوکسی در معرض شرایط محیطی مختلف از جمله محیط نمکی، محیط قلیایی، آب و شرایط محیطی عادی قرار گرفتند. خصوصیات مکانیکی این نمونه‌ها در بازه‌های زمانی مختلف بررسی شده و میزان افت خصوصیات مکانیکی در شرایط تشدید شده بررسی شدند.

پژوهشی دیگر در سال 2018 میلادی نیز نمونه‌های اپوکسی را به مدت 24 ماه در شرایط محیطی مختلف قرار داده و در زمان‌های مختلف مورد آزمایش قرار داده است. بیشترین میزان افت در استحکام خمشی در این آزمایش 24 درصد بوده است. در یک مطالعه در سال 2021 میلادی، اپوکسی‌ها به مدت دو سال در معرض شرایط محیطی تشدیدکننده قرار گرفتند و در بازه‌های زمانی مختلف آزمایش شدند. سپس روند افت خصوصیات مکانیکی این نمونه‌ها با نمونه‌هایی که در شرایط محیطی عادی قرار داشتند مقایسه گردید.

سنجش دوام چسب اپوکسی وال‌مش

چسب استفاده شده در اتصال نبشی‌های والمش، چسب اپوکسی شرکت والمش است. این محصول یک چسب دو جزئی برای اتصال قطعات وال مش به سطوح بتنی و فولادی است. استفاده از چسب به جای پیچ و رولپلاک یا میخ، علاوه بر عدم آسیب  به سطح بتن، موجب افزایش سرعت نصب قطعات می‌شود. همچنین چسب اپوکسی والمش طبق آزمایش‌های انجام شده در آزمایشگاه ملی سازه دانشگاه صنعتی امیرکبیر، از مقاومت کافی برای اتصال نبشی برخوردار است. گزارش این آزمایش تحت عنوان “عملکرد اپوکسی وال مش در اتصال نبشی” موجود است.
همانطور که پیشتر اشاره شد، مسئله دوام چسب‌های اپوکسی بیشتر زمانی موضوعیت پیدا می‌کند که چسب تحت شرایط محیطی تشدیدکننده نظیر رطوبت بالا، دمای بالا، محیط‌های شیمیایی و یا بارگذاری مداوم یا چرخه‌ای شدید قرار گیرد. چسب اپوکسی والمش برای اتصال نبشی به زیر سقف، تیر یا تیرچه استفاده می‌شود و پس از آن زیر پوششی از نازک‌کاری در دل دیوارهای ساختمان قرار می‌گیرد.
در چنین شرایطی، اتصال چسب همواره در دمای معمول، به دور از حمله هرگونه مواد شیمیایی و در معرض رطوبت بسیار ناچیز است. از طرف دیگر اتصال نبشی در طول عمر خود تحت هیچ باری قرار نداشته و تنها در هنگام وقوع زلزله است که به چسب نیرو وارد می‌گردد. با توجه به توضیحات فوق، چسب اپوکسی والمش عملاً در شرایطی از هر نظر محافظت‌شده قرار دارد و عاملی که تأثیر منفی بر دوام آن بگذارد وجود ندارد.
با توجه به توضیحات فوق، مشخص است که دوام چسب اپوکسی وال مش تحت شرایط مختلف به خوبی حفظ می‌شود و نیازی به نگرانی بابت آن وجود ندارد. با این حال، برای شرکت وال‌ مش، تضمین دوام محصولات در کنار کیفیت و استحکام کافی، اهمیت ویژه‌ای دارد. به همین منظور، شرکت وال‌مش با انجام آزمایشاتی که شرح آن‌ها در ادامه آمده است، دوام چسب اپوکسی والمش را به دقت سنجیده و به اطمینان کامل از عملکرد بهینه و پایدار محصولات خود دست یافته است.
مطابق سایر پژوهش‌های صورت گرفته در زمینه سنجش عملکرد چسب اپوکسی در طولانی مدت، جهت بررسی دوام چسب اپوکسی والمش، باید نمونه‌های چسب در شرایط محیطی تشدیدکننده قرار گیرد و خصوصیات مکانیکی آن در بازه‌های زمانی  مختلف اندازه‌گیری شود. برای ساخت نمونه‌های چسب و انجام تست‌های مکانیکی، از دستورالعمل‌های آیین‌نامه ASTM C882 استفاده شده است.
ASTM C882 یک روش تست استاندارد است که استحکام برشی چسب را تعیین می‌کند. این آزمایش شامل اتصال دو قطعه سیمانی به کمک چسب است که پس از عمل‌آوری کامل چسب، نمونه‌ها در جهت خاصی بارگذاری می‌شوند که به آن حالت برشی مایل (Slant Shear) می‌گویند. یک نیروی برشی تا زمانی که اتصال شکسته شود به ناحیه پیوند اعمال می‌شود و بیشترین نیرویی که چسب تحمل کرده است ثبت می‌گردد.
از نتایج این آزمایش می توان برای ارزیابی مقاومت چسب برای کاربردی خاص استفاده کرد و اطمینان حاصل نمود که چسب دارای استحکام کافی برای مقاومت در برابر بارهای پیش ‌بینی شده است. ASTM C882 به عنوان یک روش استاندارد برای ارزیابی مقاومت چسب‌های اپوکسی سازه‌ای به طور گسترده در صنعت ساختمان پذیرفته شده است.

نمونه‌هایی از چسب اپوکسی والمش طبق استاندارد تهیه شدند و برای ایجاد شرایط محیطی تشدیدکننده، نمونه‌ها در آب غوطه‌ور شدند. سپس در بازه‌های زمانی مختلف، شامل 7 روز، 1 ماه، 2 ماه الی 18 ماه، استحکام برشی چسب مطابق با استاندارد اندازه‌گیری شد. با استفاده از داده‌های بدست آمده از آزمایش‌ها، نمودار استحکام برشی بر حسب زمان رسم شد. این نمودار، روند کاهش استحکام برشی چسب در طول زمان را نشان می‌دهد. با استفاده از این نمودار و اعمال روش رگرسیون خطی، می‌توان میزان کاهش مقاومت چسب پس از گذشت زمان طولانی را محاسبه کرد.

رگرسیون خطی یکی از روش‌های تحلیلی است که برای پیش‌بینی مقادیر یک متغیر (مثلاً استحکام برشی چسب) از متغیری دیگر (مثلاً زمان) استفاده می‌شود. در واقع در این روش، رابطه بین دو متغیر استحکام برشی چسب و زمان بدست می‌آید و به کمک این رابطه می‌توان استحکام برشی چسب پس از گذشت مدت زمان‌های مختلف را به طور دقیقی پیش‌بینی کرد. استحکام برشی چسب اپوکسی والمش در ابتدا حدود ۱۳ مگاپاسکال است.

با تحلیل نمودار استحکام برشی چسب در طول زمان و با استفاده از رگرسیون خطی، میانگین نرخ افت مقاومت چسب در بازه زمانی ۵۰ ساله پیش‌بینی شد. پس از انجام محاسبات مربوطه مشخص شد که استحکام برشی چسب اپوکسی والمش پس از گذشت ۵۰ سال حدود ۵۰ درصد کاهش می‌یابد و به حدود ۶ مگاپاسکال می‌رسد. این مقدار از استحکام برشی برای حفظ اتصال نبشی کافی است، زیرا مقاومت برشی سطح بتن کمتر از ۴ مگاپاسکال بوده و در صورت اعمال نیروی بیش از حد، اتصال چسب تا زمان شکست سطح بتن حفظ می‌شود.

سخن پایانی

علاوه بر مقاومت المان‌های ساختمان در برابر بارهای وارده، حفظ این مقاومت در طول زمان از اهمیت بسیاری برخوردار است. این مسئله در کشور ما کمتر مورد توجه قرار گرفته و عمر مفید ساختمان‌ها در مقایسه با سایر کشورها کمتر است. شرکت وال‌ مش علاوه بر اطمینان از کفایت استحکام چسب اپوکسی خود، دوام این محصول را سنجیده و نسبت به حفظ این استحکام در طول عمر ساختمان اطمینان حاصل نموده است.