نتایج آزمون دوام بلند مدت چسب اپوکسی وال‌ مش

چسب اپوکسی وال‌ مش یک چسب اپوکسی دو جزئی است که برای اتصال نبشی‌های گالوانیزه به زیر سقف استفاده می‌شود. با وجود مقاومت و استحکام بسیار بالایی که چسب اپوکسی وال‌ مش دارد، همچنان در میان جامعه مهندسی تردیدهایی در مورد دوام این محصول و عملکرد آن در طولانی مدت وجود دارد. چسب‌های اپوکسی در صنعت ساختمان به عنوان یک محصول با دوام و با طول عمر زیاد شناخته شده و برای کاربردهای بسیار متنوعی از جمله کاربردهای سازه‌ای و غیرسازه‌ای استفاده می‌شوند. به طور کلی می‌توان گفت که اگر چسب اپوکسی مطابق استانداردهای معتبر بین‌المللی تولید شده باشد نیازی به نگرانی در خصوص طول عمر آن نیست. با این حال با توجه به دغدغه جامعه مهندسی ساختمان ایران و اهمیت بالای نقش چسب وال‌ مش در مهار لرزه‌ای دیوارهای ساختمان و ایمنی ساکنان، شرکت وال‌ مش تصمیم گرفت مشخصات دوام چسب خود را طی آزمونی مورد سنجش قرار دهد تا از مطابقت آن با استانداردهای معتبر و دوام طولانی مدت آن مطمئن شود. نحوه آزمون و نتایج آن در ادامه بررسی خواهد شد.

انواع روش اتصال نبشی یا ناودانی

در راهکار وال‌ مش، نبشی‌ها یا ناودانی‌های منقطع در تراز زیر سقف باید نصب شوند تا از حرکت برون صفحه دیوار جلوگیری کنند و مانع از واژگونی دیوار شوند. این نبشی‌های در هنگام زلزله تحت نیروی برشی (به دلیل ضربات دیوار به آن‌ها) و لنگرهای خمشی (به دلیل خروج از مرکزیت نیروی وارد از طرف دیوار) قرار می‌گیرند. به طور کلی 3 روش برای اتصال نبشی وال‌ مش در پروژه‌های ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد:

• اتصال نبشی با استفاده از چسب اپوکسی
• اتصال نبشی با پیچ و رولپلاک
• اتصال نبشی با تفنگ میخ‌کوب (میخ و چاشنی)

استفاده از چسب اپوکسی برای اتصال نبشی وال‌ مش علاوه بر آن که مقاومت کافی برای جلوگیری از واژگونی دیوار را فراهم می‌کند، مزایای بسیاری نیز دارد. از مهم‌ترین مزایای این روش، سرعت اجرای بالای آن و عدم آسیب به سطح زیرین نبشی است. این چسب در برابر بسیاری از شرایط محیطی (از جمله رطوبت، تغییرات دمایی و مواد شیمیایی) مقاوم است و با انواع مصالح ساختمانی از جمله فولاد و بتن سازگاری مناسبی دارد. همچنین زمانی که از چسب اپوکسی برای اتصال نبشی وال‌مش به زیر سقف استفاده می‌شود، تمام سطح ساق نبشی به سقف متصل می‌شود و نیروهای وارد شده به نبشی در کل این سطح توزیع می‌شود. (بر خلاف سایر روش‌ها مانند پیچ و میخ که اتصال نبشی به زیر سقف به صورت نقطه‌ای است). این مسئله به عملکرد مناسب چسب در اتصال نبشی بسیار کمک می‌کند. پیش‌تر عملکرد مناسب چسب اپوکسی وال‌مش در اتصال نبشی در آزمایشگاه سازه دانشکده عمران دانشگاه امیرکبیر مورد بررسی قرار گرفت و نتایج آن منتشر شد.

از معایب این روش نیز می‌توان به چالش‌های موجود در هنگام اجرای چسب در هوای بسیار گرم یا بسیار سرد است. البته این چالش‌ها با در نظر گرفتن راهکارهایی قابل حل است. در مواقعی که هوا بسیار سرد (زیر 4 درجه سانتی‌گراد) است می‌توان با از پیش گرم کردن محیط اجرای چسب شرایط را برای اجرا مناسب کرد. در هوای بسیار گرم نیز می‌توان انجام فعالیت‌ها را به گونه‌ای برنامه‌ریزی کرد که اجرای چسب در ساعاتی از روز که هوا خنک‌تر است انجام شود. به طور خلاصه مزایای استفاده از چسب اپوکسی برای اتصال نبشی وال‌مش موارد زیر است:

• سرعت اجرای بالا
• دوام بالا و حفظ قدرت چسبندگی در طول عمر ساختمان
• عدم آسیب به سطح زیرین نبشی
• توزیع تنش بسیار بهتر در کل سطح نبشی بر خلاف روش‌های اتصال نقطه‌ای
• سازگاری بالای چسب اپوکسی با انواع مصالح ساختمانی از جمله بتن و فولاد
• استحکام فشاری و کششی بیشتر از بتن
• مقاومت بالا در برابر عوامل محیطی

در صورت عدم استفاده از چسب اپوکسی، راهکار جایگزین مناسب، استفاده از پیچ و رولپلاک است. در استفاده از این روش باید دقت شود از پیچ مناسبی که نیروی برشی وارد را تحمل کند استفاده کنیم در غیر این صورت در هنگام ضربات پی در پی دیوار به نبشی هنگام زلزله، پیچ نیروی برشی را تحمل نکرده و می‌شکند. جنس پیچ نیز باید به گونه‌ای باشد که به مرور زمان دچار خوردگی نشود. بهتر است از پیچ‌های گالوانیزه که در برابر زنگ زدگی مقاوم هستند استفاده شود در غیر این صورت پس از گذشت زمان پیچ دچار زنگ زدگی شده و مقاومت خود را از دست می‌دهد. این روش در مقایسه با چسب اپوکسی سرعت اجرای پایین‌تری دارد و به واسطه سوراخ‌کاری‌های لازم باعث آسیب به سطح زیرین نبشی می‌شود.

روش سوم که استفاده از میخ و چاشنی است به هیچ وجه پیشنهاد نمی‌گردد و بکارگیری آن از طرف آیین‌نامه‌ها نیز ممنوع شده است. استفاده از این روش باعث آسیب به سطح زیرین نبشی شده و در محل میخ‌کوبی ریزترک‌های در بتن در اطراف میخ به وجود می‌آید. همین ریزترک‌ها به مرور زمان گسترش یافته و باعث شل شدن میخ می‌شود. این مسئله در طولانی مدت باعث می‌شود اتصال سازه‌ای نبشی ضعیف شده و نبشی با ضربات دیوار هنگام زلزله از محل اتصالش جدا شود.

استاندارد چسب اپوکسی سازه‌ای

چسب‌های اپوکسی که در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرند، باید دارای ویژگی‌های مکانیکی مشخصی باشند. مشخصات مکانیکی چسب‌های اپوکسی مورد استفاده در ساخت و ساز و در ارتباط با بتن، در استاندارد ASTM C811 آمده است. این استاندارد تحت عنوان “Standard Specification for Epoxy-Resin-Base Bonding Systems for Concrete” منتشر شده و پس از طبقه‌بندی چسب‌های اپوکسی بر اساس کاربردشان، مشخصات مکانیکی لازم برای هر دسته را تعیین کرده است. بنابراین در صورتی که بخواهیم از چسب اپوکسی برای کاربردهای سازه‌ای در ساختمان استفاده کنیم، چسب مورد نظرمان باید ویژگی‌هایی مطابق این استاندارد داشته باشد. ویژگی‌های فیزیکی چسب‌های اپوکسی در جدول زیر مشخص است.

مهم‌ترین مشخصه‌ای که چسب اپوکسی وال‌مش باید طبق آن سنجیده شود، مقاومت چسبندگی چسب (Bond Strength) است که با برش مایل یا Slant Shear انجام می‌گیرد. مطابق این استاندارد، مقاومت برشی چسب‌های اپوکسی پس از 14 روز عمل‌آوری باید حداقل 10 مگاپاسکال باشد. همچنین طبق گفته استاندارد، روش سنجش مقاومت چسبندگی چسب باید مطابق استاندارد ASTM C882 انجام شود. چسب اپوکسی وال‌مش مطابق همین استاندارد و در پژوهشگاه رازی که از مراکز آزمایشی همکار استاندارد است مورد آزمون قرار گرفت و نتایج نشان داد مقاومت چسبندگی اپوکسی وال‌مش بیش از 13 مگاپاسکال است.

در حال حاضر چسب اپوکسی وال‌مش با همکاری مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی در حال سنجش است. مقاومت چسبندگی و مقاومت کششی (Tensile Strength) چسب اپوکسی وال‌مش در این مرکز در حال آزمون است و نتایج آن به زودی در همین مقاله منتشر خواهد شد.

دیگر آیین‌نامه معتبری که در زمینه استفاده از چسب‌های اپوکسی در صنعت ساختمان منتشر شده، استاندارد ACI 503 از موسسه بتن آمریکا است. این آیین‌نامه شامل 9 بخش از جمله معرفی اپوکسی‌ها، تاریخچه، خصوصیات فیزیکی و شیمیایی و کاربردهای اپوکسی‌ها، نحوه آماده‌سازی سطوح برای اجرای ترکیبات اپوکسی روی آن‌ها، آماده‌سازی ترکیب اپوکسی برای استفاده و اختلاط آن، اجرای اپوکسی‌ها، گیرش و سخت‌شدن و در نهایت نکات ایمنی مربوط به استفاده از اپوکسی‌ها است. از این آیین‌نامه می‌توان به عنوان کامل‌ترین راهنمای بکارگیری چسب‌های اپوکسی در صنعت ساختمان نام برد.

ACI 503 در توصیف مزایای چسب‌های اپوکسی موارد زیر را مطرح کرده است:

• چسبندگی: رزین‌های اپوکسی دارای کیفیت چسبندگی عالی هستند و تقریباً به تمام مصالح ساختمانی می‌چسبند.
• تطبیق پذیری: طیف گسترده خواص فیزیکی و شیمیایی موجود در سیستم‌های اپوکسی، آن‌ها را برای کاربری‌های مختلف قابل استفاده می‌کند. عوامل شیمیایی قابل استفاده در فرمول این چسب‌ها اجازه دستیابی به انواع ویژگی‌های منحصر به فرد برای هر کاربرد خاص را می‌دهد.
• مقاومت شیمیایی: اپوکسی‌ها در برابر حمله اسیدها، روغن‌ها، مواد قلیایی و حلال‌ها مقاوم هستند.
• انقباض کم: اپوکسی‌ها انقباض کمی دارند. فرمول‌بندی‌هایی در دسترس هستند که در آن‌ها انقباض خطی مؤثر به 0.001 درصد می‌رسد.
• گیرش سریع: در دمای معمولی محیط ممکن است که یک سیستم مخلوط رزین و سخت‌کننده در عرض چند دقیقه از حالت مایع به جامد تبدیل شود. همچنین می‌توان با تغییر فرمول، این زمان را تا چندین ساعت افزایش داد.

فصل چهارم این استاندارد کاربردهای رایج سیستم‌های اپوکسی را تشریح می‌کند. ACI 503 در این بخش به ASTM C881 اشاره می‌کند و بیان می‌دارد رزین‌های اپوکسی مطابق با ASTM C881، چسبندگی خوبی به بتن تحت هر شرایطی چه مرطوب و چه خشک دارند و برای کاربردهای متنوعی با بتن قابل استفاده هستند. البته برای بهترین عملکرد تحت هر شرایط، خواص سیستم رزین اپوکسی باید متناسب با نیازهای هر کاربرد باشد. اپوکسی‌ها چسبنده خوبی برای اکثر مصالح مورد استفاده در ساختمان مانند بتن، مصالح بنایی، چوب، شیشه و فلزات هستند. البته برای بسیاری از پلاستیک‌ها مانند پلی‌اتیلن نمی‌توان به عنوان چسبی موثر از آن‌ها استفاده کرد.

فصل پنجم استاندارد ACI 503 که نکات آماده‌سازی سطوح برای اجرای چسب‌های اپوکسی را بیان کرده است، نحوه آماده سازی سطوح برای اتصال گالوانیزه به بتن را نیز مطرح کرده است.

مروری بر پژوهش‌های انجام شده در مورد دوام چسب‌های اپوکسی

با توجه به گسترش چشمگیر استفاده از چسب‌های اپوکسی در صنعت ساختمان، پژوهش‌های بسیاری در زمینه مطالعه دوام چسب‌های اپوکسی انجام شده است. در سال 1997 یک برنامه آزمایشی 5.5 ساله برای سنجش عملکرد چسب‌های اپوکسی در طول زمان انجام شد. در این پژوهش، تعدادی نمونه در آب قرار گرفتند و طی فواصل زمانی مختلف مطابق استاندارد ASTM D3762 آزمایش شدند و انرژی شکست برای هر نمونه ثبت شد. در نتایج این پژوهش، لیستی از عوامل موثر بر دوام چسب مطرح شد که اولین مورد آن نوع و کیفیت آماده‌سازی سطح است.

مطالعه دیگری در سال 2005 رفتار خزش چسب اپوکسی سازه‌ای در طولانی مدت را مدل‌سازی نمود. در این پژوهش از روابط برهم‌نهی زمان-دما و زمان-رطوبت برای مدل‌سازی اثر دما و رطوبت بر رفتار طولانی مدت چسب استفاده شده است. بر این اساس رفتار خزش طولانی‌مدت چسب در دما و رطوبت متعادل، از اندازه‌گیری تغییرشکل چسب در آزمایش‌های شتاب‌زده در دما و رطوبت بالا می‌تواند پیش‌بینی شود. در این پژوهش نمونه‌ها طی یک بازه 5 ماهه در رطوبت نسبی 95 درصد آزمایش شدند.

در سال 2016، با هدف تعیین عملکرد یک رزین اپوکسی تجاری مورد استفاده برای پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف (FRP) در شرایط محیطی مختلف از جمله تغییرات حرارتی، چرخه‌های انجماد- ذوب و مرطوب-خشک و غوطه‌ور شدن در آب، یک برنامه آزمایشی برای دوره‌های قرار گرفتن در معرض شرایط محیطی تا 16 ماه انجام شد. نمونه‌ها در فواصل زمانی مختلف به وسیله میکروسکوپ الکترونی (SEM)، آزمون‌های مکانیکی دینامیکی (DMA)و تست‌های کششی استاندارد بررسی شدند.

پژوهشی در سال 2021 با توجه به نگرانی در مورد دوام اتصالات چسبی، دوام رطوبتی-حرارتی دو رزین اپوکسی مناسب برای کاربردهای مهندسی عمران را با غوطه‌ور کردن آن‌ها در آب لوله کشی و آب دریا به مدت 15 ماه در دمای 30 درجه سانتی‌گراد بررسی کرد.

دوام چسب اپوکسی وال‌مش

موضوع دوام در صنعت ساختمان امری بسیار مهم و قابل توجه است. ساختمان‌ها برای طول عمر حداقل 50 ساله بنا می‌گردند. موضوع دوام و پایداری اجزای ساختمان به خصوص برای مؤسسات معتبر منتشرکننده استانداردهای بین‌المللی امری بسیار حائز اهمیت است. از آن جا که بسیاری از استانداردهای چسب اپوکسی، برای کاربردهای سازه‌ای تهیه شده و همچنین اهمیت بحث دوام در صنعت ساختمان، بدیهی است در صورتی که چسبی مطابق استانداردها تهیه شده باشد، خصوصیات دوام مورد نیاز را دارا بوده و در طول زمان عملکرد مناسب خود را حفظ خواهد کرد. با این حال، اکتفا به این گزاره برای اطمینان از عملکرد مناسب چسب در طول زمان کافی نبوده و لازم است تا بررسی‌های بیشتری در این زمینه صورت گیرد.

با توجه به مطالعه پژوهش‌های صورت گرفته، وجود عوامل شیمیایی، رطوبت، شرایط دمایی نامطلوب و بارگذاری مداوم یا چرخه‌ای از جمله عواملی هستند که موجب افت عملکرد چسب می‌شوند. البته این مسئله طبیعی بوده و بدیهی است چسب اپوکسی نیز مانند هر مصالح دیگری، با گذشت زمان دچار افت مشخصات می‌شود. با این حال، مهم است که در طول عمر مفید ساختمان، عملکرد چسب در محدوده قابل قبول باقی بماند و چسب با وجود افت، همچنان الزامات مورد نظر را رعایت کند. برای بررسی دوام چسب، سنجش مشخصات آن پس از گذشت 50 سال عملی نیست اما می‌توان با استفاده از روش‌های آزمایشگاهی مناسب، مشخصات چسب پس از گذشت هر زمانی را تخمین زد.

البته در زمینه دوام چسب وال‌ مش، اشاره به یک نکته خالی از لطف نیست. همان طور که پیشتر بیان شد، از جمله مهم‌ترین عوامل افت عملکرد چسب وجود عوامل شیمیایی، رطوبت، شرایط دمایی نامطلوب و بارگذاری مداوم یا چرخه‌ای است. چسب اپوکسی وال‌ مش برای اتصال نبشی به تیر بتنی یا فولادی استفاده شده و در دل دیوارهای ساختمان قرار می‌گیرد، بنابراین این اتصال در معرض هیچ گونه عامل شیمیایی، رطوبت یا شرایط دمایی نامطلوب قرار نمی‌گیرد. همچنین چسب در تمام طول عمر خود، بارگذاری خاصی را تحمل نکرده و فقط در هنگام وقوع احتمالی زلزله است که به چسب نیرو وارد می‌شود. بنابراین اپوکسی وال‌مش به جز در پروژه‌های خاص، در معرض هیچ یک از عوامل اصلی افت مقاومت قرار نمی‌گیرد.

تیم تحقیق و توسعه وال‌ مش در راستای سنجش دوام چسب اپوکسی وال‌مش و اطمینان از عملکرد مناسب آن حتی پس از 50 سال، با مطالعه پژوهش‌های پیشین آزمایشی را برای سنجش دوام اپوکسی وال‌ مش طراحی نمود. در این آزمون، تعداد 21 نمونه چسب در طول یک دوره 17 ماهه و با شرایط محیطی مرطوب، تحت بارگذاری مداوم با نیروهای مختلف قرار گرفتند. سپس مطابق ASTM D1002 حداکثر استحکام برشی چسب و نیروی مورد نیاز جهت شکست چسب اندازه‌گیری شد. پس از اتمام این مرحله، نمودار لگاریتمی مقاومت چسب بر حسب زمان به دست می‌آید. با استفاده از روش رگرسیون خطی مطابق ASTM E3080 می‌توان نمودار حاصل را با دقت بالا بسط داد و مقاومت چسب پس از 50 سال را تخمین زد. نمودار لگاریتمی استحکام اپوکسی وال‌مش بر حسب زمان مطابق نمودار زیر رسم می‌شود.

نتایج حاصل از آزمون‌ها در طول دو سال جمع‌آوری شد و در نمودار بالا وارد شد. از روی این نمودار و برون یابی خطی معادله خط به شکل زیر مشخص می‌شود:

در معادله بالا Y مقدار لگاریتمی استحکام برشی بر حسب مگاپاسکال و X مقدار لگاریتمی زمان بر حسب ساعت است. برای تخمین مقاومت چسب بعد از 50 سال، باید در معادله بالا مقدار لگاریتمی زمان 50 سال بر حسب ساعت را وارد کنیم و سپس مقدار استحکام برشی بر حسب مگاپاسکال بعد از 50 سال بدست می‌آید.

ساعت 438000 = (24 ساعت) ´ (365 روز) ´ (50 سال)

با قرار دادن این عدد در معادله بالا لگاریتم استحکام برشی بدست می‌آید:

لگاریتم استحکام برشی برابر 0.97 بدست آمد. بنابراین استحکام برشی چسب اپوکسی وال‌مش پس از گذشت 50 سال مطابق رابطه زیر محاسبه می‌گردد:

log^-1 (0.97) = 9.32

استحکام برشی چسب اپوکسی وال‌مش پس از گذشت 50 سال برابر با 9.32 مگاپاسکال است. عدد بدست آمده نشان می‌دهد حتی پس از گذشت 50 سال چسب اپوکسی وال‌مش مقاومت کافی برای تحمل نیروهای زلزله را حفظ می‌کند.

سخن پایانی

چسب‌های اپوکسی به طور گسترده‌ای در صنعت ساختمان و در کاربردهای مختلف مورد استقبال قرار گرفته‌اند. با این حال، این محصول هنوز در جامعه مهندسی ایران به خوبی شناخته نشده و به اندازه سایر مصالح و روش‌های موجود از جنبه‌های مختلف مورد بررسی قرار نگرفته است. شرکت وال‌ مش با هدف افزایش بهره‌وری و سرعت اجرا، استفاده از چسب اپوکسی را برای اتصال نبشی‌ها پیشنهاد داده است. این پیشنهاد پس از بررسی‌های جامع و کامل و در پی مطالعه استانداردهای بین‌المللی و پژوهش‌های علمی صورت گرفته است. نتایج آزمون‌ها نیز گواه آن است که چسب اپوکسی نه تنها مقاومت و استحکام کافی برای اتصال نبشی‌ها را دارد است بلکه این مقاومت پس از گذشت 50 سال نیز همچنان مناسب و کافی باقی می‌ماند.