חשיבות חוזק הגזירה בדבקים צמנטיים

מאמר מאת הארכיטקט ריצ’ארד גולדברג \ ארה”ב

עם הפיתוח של דור חדש של דבקים צמנטיים המשופרים ע”י פולימר, הושם דגש גדל והולך על חשיבותה של הגמישות ויכולת העיוות של דבקים אלו. בעוד שתכונה זו הייתה אחת מתכונות המפתח ביישום מוצלח של סוג זה של דבקי בניין, יוזמת התקנים הבינלאומיים להכשיר דבקים צמנטיים משופרים ע”י פולימר בראש ובראשונה לפי תכונות העיוות אינן מתחשבות בתכונות חוזק הגזירה ומודול הגזירה של הדבקים, החשובות בה במידה.

מאמר זה בוחן את תיאורית טכנולוגית הדבקים וניתוח הנדסי להדגמת חשיבותו של חוזק הגזירה בדבקים צמנטיים משופרים ע”י פולימר, ולהדגים את הצורך בשיטות תכנון כמותי עבור הדבקת אריחים ברמה גבוהה, למשל בחזיתות של בניינים.

לדבקים צמנטיים משופרים ע”י פולימר המתוכננים לתת מודול גזירה מאוזן (גמישות בינונית עם חוזק גזירה גבוה), יש היסטוריה מוכחת של 50 שנות יישום מוצלח, וכן בסיס בטכנולוגיית הנדסת דבקים מוכחת שהיא ייחודית לשטח המיוחד של הדבקה ישירה של אריחים ואבן טבעית.

מודול הגזירה של חומרים

כמעט כל אחד היה מרגיש אי נוחות מסוימת אם היה יודע שמהנדס אזרחי ניחש את מידותיהן של קורות פלדה הדרושות לבניית גשר, בהתבסס על העובדה שפלדה היא פשוט חומר חזק ביותר. למרות זאת, מסיבה כלשהי נראה שמקובל לבחור דבקים להדבקת אריחים על חזית בניין לפי תכונות איכות, כגון טווח העיוות או חוזק הגזירה בלבד, מבלי לקבוע אפילו את התנועה הצפויה בתשתית של החיפוי, או אפילו חמור מכך, מבלי לדעת או להעריך את התכונות הפיזיקאליות של האריחים, התשתית או הדבק המשמש להדבקת האריחים. לסוג זה של “משחק ניחושים” עלולות להיות השלכות משמעותיות.

מודול הגזירה הוא אחד מתוך מספר תכונות כמותיות מסוג זה של חוזק החומר. מודול הגזירה של חומר הוא בבסיסו קבוע נומרי המתאר את תכונות העיוות (דפורמציה) האלסטית שלו, או רמת הקשיחות, כאשר מפעילים עליו כוחות רוחביים פנימיים. בבניית מכללי אריחים מורכבים, כוחות כאלו נגרמים בדרך כלל כתוצאה מתנועה הנגרמת מהפרשי טמפרטורות, לחות או תזוזות מבניות בין חומר החיפוי המודבק כגון אריח פורצלן ותשתית אופיינית כמו קורת בטון או קיר בלוקים.

מבחינה פיזיקאלית, אפשר לאפיין עיוותים בעזרת נפח קובייה קטן שמתעוות מעט בצורה כזו ששתיים מדפנותיה מחליקות במקביל זו לזו מרחק קטן, ושתי הדפנות האחרות משתנות מריבוע לצורת יהלום (ציור מס’ 1). מודול הגזירה הוא מידת יכולתו של חומר להתנגד לעיוות רוחבי, אבל הוא מדד תקף להתנהגות אלסטית לעיוותים קטנים בלבד, לאחריהם החומר מסוגל לחזור לצורתו המקורית. חומרים גמישים יותר עם עיוותים גדולים יכולים לעבור ממצב אלסטי למצב פלסטי, הידוע גם בשם “נקודת הכניעה” של החומר, בעקבותיה יהיה עיוות קבוע, או שבר תחת מאמץ גזירה גבוה.

 

חישבו על שני דבקים צמנטיים המשופרים ע”י פולימר שונים, שניהם מתאימים לתקנים הנוכחיים EN12004/ISO 13007-2 של תעשיית האריחים לדבק בר עיוות גבוה בקטגוריה S2, המחייב שהדבק יהיה עמיד לעיוות רוחבי 5³  מ”מ בלי שהדבק ייכשל. לשני הדבקים יכולות להיות אותן תכונות עיוות או מאמצים (למשל, 5 מ”מ). מכל מקום, בלי לדעת מהו מאמץ הגזירה הדרוש כדי ליצור עיוות כזה, או מהו מודול הגזירה של הדבק, אי אפשר לדעת האם יש לדבקים את חוזק הגזירה שתמנע התעייפות ממאמצי גזירה מחזוריים, או כשל פתאומי כתוצאה ממאמץ של עיוות בלתי הפיך אחרי שהדבק הגיע ל”נקודת הכניעה” שלו. במילים אחרות, יתכן ששני הדבקים עומדים בתקן, אבל דבק גמיש יותר עם מודול גזירה נמוך יותר, וכתוצאה מכך –  חוזק גזירה נמוך יותר עלול להיות רגיש יותר לכשל בתנאים גרועים מסוימים. לפיכך, הגמישות של דבקים צמנטיים המשופרים ע”י פולימר לבדה אינה מידה תקפה לביצועי הדבק כאשר הוא חשוף לעיוות רוחבי הנגרם על ידי תזוזה יחסית בין האריח לתשתית.

התאוריה של טכנולוגית הדבקים

בעוד שתקני תעשיית האריחים ותיאורית ההנדסה הבסיסית מכירים בכך שדבקים מבוססי פולימר ברי עיוות גדול יותר מסוגלים לספוג ולבודד תנועות יחסיות הנפוצות ביישומים כגון חזיתות חיצוניות של בניינים, קיימים מצבים רבים בהם דבק גמיש יותר עלול להיות מזיק, או שהחוזק לגזירה של דבק יכול לשלוט בתכנון.

מוכרת התופעה שבדבקים קשיחים, מאמץ הגזירה מחולק בצורה אחידה על פני הדבק בעוד שבדבקים גמישים יותר, בעוד מאמץ הגזירה מרוכז בהיקף של הדבק. נתונים הנדסיים מראים גם שדבק בעל מודול גזירה גבוה יותר מראה גזירה הרבה יותר ליניארית לעומת התנהגות במאמץ בטווח רחב של מאמצים, ושדבקים בעלי מודול נמוך יותר מראים התנהגות לא- ליניארית, ולכן מראים מאמצים גדולים יותר. וכך, בעוד שדבקים מותאמי פולימר גמישים מאוד מסוגלים לספוג טוב יותר תזוזה יחסית בין רכיבי אריחים מורכבים, התנהגותם פחות ניתנת לחיזוי מתמטי. בדבקים מותאמי פולימר גמישים מאד, ככל שמודיפיקציית הפולימר גדלה, עיוות עלול לגרום לעייפות בלתי הפיכה, שבה חוזק הגזירה של הדבק יורד והופך ליותר קריטי.

לפיכך, הכושר לספוג עיוות לבדו אינו אינדיקציה לביצועיו האולטימטיביים של תפקוד של דבק להדבקת אריחים. כתוצאה מכך, בדיקת וקביעת חוזק הגזירה ותכונות מודול הגזירה, יחד עם תכונות הגמישות, יכולים לאפשר הערכה מדויקת יותר של תפקוד דבק צמנטי המשופר ע”י פולימר תחת תנאים קשים.

כמו גם בהנדסה אזרחית של מבנה הבניין, טוב לדעת גם את תכונות החוזק האולטימטיביות של דבק צמנטי המשופר ע”י פולימר עצמו, השונה מחוזק הגזירה שלו כאשר הוא מודבק לחומר אחר. זה מאפשר למתכנן לכמת את מידת מאמצי הגזירה שהדבק עצמו יכול לשאת, וגם האם תכונה זו תשלוט בתכנון בתנאים מסוימים.

עייפות –  העמסה / הפעלת מאמצים מחזורית על דבקים גמישים המסוגלים לעמוד בעיוות גדול, עלולה לגרום להתעייפות בלתי הפיכה, שכתוצאה ממנה הדבק עלול להיכנע למצב פלסטי, מלווה בירידה בחוזק הגזירה שלו. כשהוא נחשף להעמסה מחזורית, המאמצים גדלים ומצטברים, וכתוצאה מכך כשל פנימי בדבק, או כשל בשטח המגע של הדבק.

פלסטיות ואלסטיות – כאשר מופעל מאמץ גזירה על שטח ההדבקה של דבק צמנטי המשופר ע”י פולימר גמיש בר עיוות, בתחילה  הדבק מתנהג בצורה אלסטית. מאמץ גזירה מלווה בגדילה יחסית של העיוות, וכאשר עומס מאמץ הגזירה מוסר, הדבק חוזר לצורתו / גודלו המקורי. אבל, אחרי שהעומס עובר ערך סף מסוים, הנקרא “חוזק הכניעה”, העיוות גדל מהר יותר מאשר בתחום האלסטי של הדבק, כך שכאשר עומס הגזירה מוסר, חלק מסוים מהעיוות נשאר ולא יחזור.

פלסטיות מתארת את התנהגות החומרים העוברים עיוות בלתי הפיך מבלי שייגרם כשל או נזק. אבל – אפילו דבקים צמנטיים משופרים ע”י פולימר המסוגלים לסבול עיוותים גדולים אינם יכולים לשאת התנהגות פלסטית משמעותית לפני סדק פנימי או כשל גזירה. אלא שחשוב לדעת שעיוות אלסטי ניתן לחיזוי תלוי במסגרת זמן ומהירות ההעמסה, ושהעמסה מהירה, כמו זו הנגרמת באירוע סיסמי או שוק תרמי, עלולה גם היא להסתיים בכשל הדבקה פתאומי.

משך ההעמסה – משך העמסת מאמץ גזירה על דבק צמנטי המשופר ע”י פולימר הוא גורם נוסף המדאיג בנוגע לדבק גמיש יותר ובעל כושר דפורמציה גדול. מחקרים הראו שדבקים קשיחים יותר מתנהגים טוב יותר מדבקים גמישים תחת עומס מתמשך. דבקים גמישים מגלים יותר זחילה התחלתית.

עמידות של פולימרים גמישים – הבעיה המדאיגה ביותר בנוגע לביצועי דבקים צמנטיים משופרים ע”י פולימר ברי עיוות היא התפקוד ארוך הטווח שלהם בתנאי טמפרטורה ולחות. מחקר עדכני מצביע על כך שלחשיפה מתמשכת ללחות יש השפעה משמעותית על תכונות העיוות של הרכבים מסוימים של דבקים צמנטיים משופרים ע”י פולימר בהשוואה לדוגמאות מעבדה מאותו סוג וגיל. ירידה בחוזק ההדבקה נראית כבעיה פחות משמעותית.

אסכולה אחת בנושא זה היא שגמישות של דבקים להדבקת אריחים היא קריטית יותר בתחילת בניית הבניין, מפני שרוב התנועות היחסיות המיוחסות להתכווצות וזחילה יורדות עם הגיל, ומערכת אריחים ותשתית יציבים יותר דורשים פחות גמישות עם התקדמות גיל הבניין. אף על פי כן, מחקרים מראים שחוזק הגזירה נשאר תכונה חשובה ומוכחת של דבק צמנטי המשופר ע”י פולימר, כמו גם הצורך לעמוד בדרישות האיכות ולכמת את הביצועים ארוכי הטווח של הרכבי דבק ברי עיוות.

מסקנות

בעוד שהדור החדש של דבקים צמנטיים משופרים ע”י פולימר גמישים וברי עיוות הוא התפתחות חיובית בכיוון יישומי הדבקה ישירה של אריחים ואבנים, הצורך במחקר נוסף וניסויים נשארים בעדיפות עליונה.

צרו עמנו קשר