ההקדמה: למה זה מה שגורם לעוגן להיכשל

התקנת עוגן כימי בבטון שלא הגיע לחוזק התכנוני היא אחת הטעויות ההנדסיות שגורמות למרבית כשלי העיגון בפרויקטים חדשים. בניגוד לכשל חומרי או לפגם ייצור, כאן העוגן והדבק תקינים לחלוטין – הכשל מקורו במצע הבטון עצמו שאינו עומד בהנחות התכן של יצרן העוגן ושל אישור ה-ETA. במאמר זה נסביר בדיוק מה קורה פיזיקלית וכימית, ולמה ה-ETA מחייב מינימום 21 יום (או חוזק בטון מדוד) לפני התקנת עוגנים כימיים.

נסקור שלושה נושאים מקושרים: (1) עקומת התפתחות חוזק הבטון וכיצד המבנה המיקרוסקופי משתנה עם הזמן; (2) מה קורה כשמקדחים עם פטישון בבטון צעיר – שבירת אזור המעבר הבין-רכיבי (ITZ), התרחבות אזור הנזק (DAZDH) ואיבוד יכולת שאיבה של דבק לתוך המיקרו-סדקים; ו-(3) הכלל שקוטר הקידוח מוגדר במפרט ה-ETA ואינו נתון להחלטת המתקין – לא קטן ולא גדול.

1. התפתחות חוזק הבטון בזמן

חוזק הבטון האופייני (f_ck) מוגדר בגיל 28 יום לפי EN 206. עד הגיל הזה הבטון עובר תהליך הידרציה (Hydration) שבו הצמנט מגיב עם המים ליצירת גבישי C-S-H (Calcium Silicate Hydrate), שהם הרכיב הנושא הראשי של המטריצה. תהליך זה מתקדם בעקומה לוגריתמית:

* הערכים משוערים לצמנט Portland CEM I 42.5N בטמפרטורת 20°C. בטמפרטורה נמוכה יותר או בסוגי צמנט אחרים הקצב יכול להיות איטי יותר משמעותית.

מה שהמספרים לא מספרים – המבנה המיקרוסקופי

חוזק לחיצה של 65% בגיל 7 יום נשמע "מספיק טוב" – אבל מדד החוזק הזה משקף רק את יכולת המטריצה להתנגד ללחיצה חד-צירית של גליל ניסוי. הוא לא משקף את שלושת הפרמטרים שקובעים את כושר האחיזה של עוגן כימי:

• חוזק המתיחה של הבטון (f_ctm) – זה מה שקובע את כשל הקונוס בעוגן. חוזק המתיחה מתפתח לאט יותר מחוזק הלחיצה. בגיל 7 יום חוזק המתיחה יכול להיות רק 50–55% מהערך הסופי, גם כשהלחיצה כבר ב-65%.
• שלמות אזור המעבר הבין-רכיבי (ITZ – Interfacial Transition Zone) – זהו שכבת מעטפת דקה סביב כל אבן גס במצע הבטון. ה-ITZ הוא האזור החלש ביותר בבטון. בבטון צעיר ה-ITZ מכיל עדיין הרבה גבישי אטרינגייט מוארכים ופורטלנדייט (Ca(OH)₂) גדולים במקום גבישי C-S-H צפופים.
• נוכחות מים חופשיים בנימי הבטון – בגיל צעיר יש עדיין מים חופשיים בפורוזיטי הקפילרי שלא הגיבו עם הצמנט. אלה משפיעים ישירות על ההתקשות (polymerization) של הרזין הכימי.

2. מה קורה כשמקדחים עם פטישון בבטון צעיר

קידוח בפטישון (rotary hammer / hammer drill) פועל בשני תנועות במקביל: סיבוב של המקדח והלמות מכניות (impacts) בתדירות של 3,000–5,000 חבטות לדקה. בבטון בוגר, מנגנון הפעולה הרצוי הוא שבירה פריכה של גבישי C-S-H ליצירת אבק, כאשר האבן הגסה נחתכת עם קצוות המקדח. אזור הנזק סביב הקידוח (DAZDH – Damage Zone Around Drill Hole) בבטון בוגר הוא צר, בסדר גודל של 0.5–1.5 מ"מ ומעטפת הקידוח יוצרת משטח מחוספס אך יציב מכנית.

המנגנון הפיזיקלי המדויק בבטון הצעיר

א. שבירת אזור המעבר הבין-רכיבי (ITZ)

בבטון צעיר, ה-ITZ סביב האבן הגסה מכיל גבישי אטרינגייט (Ettringite) מוארכים ופורטלנדייט קריסטלי במקום מטריצה צפופה של C-S-H. גבישים אלה שבירים במיוחד לעומסים דינמיים. כל חבטה של הפטישון יוצרת גל הלם רדיאלי – בבטון בוגר גל ההלם נבלע בתוך מטריצת ה-C-S-H, בבטון צעיר הגל מפצל את ה-ITZ ומרחיב מיקרו-סדקים סביב כל אבן גס.

ב. שאיבת אגרגט (Aggregate Pullout) במקום חיתוך

בבטון בוגר, האחיזה של האבן הגסה במטריצה חזקה יותר מחוזק החיתוך של המקדח – לכן האבן נחתכת. בבטון צעיר, האחיזה חלשה יותר מהחיתוך – והמקדח שולף את האבן החוצה, ומשאיר חלל לא סימטרי עם פני חוב לא-סדירים. חלל כזה:

• גדול מהקוטר המתוכנן ("oversized hole") לעיתים ב-1–3 מ"מ בקטעים מסוימים.
• יש בו נקודות מגע רגעיות של הרזין עם חומר שלא הגיע לחוזק – שכבת ה-C-S-H הצעירה שהייתה מסביב לאגרגט.
• לא ניתן לחישוב מהימן של חוזק הצילינדר לפי EN 1992-4 סעיף 7.2.1.

ג. יצירת "שכבת בוצה" בקידוח (Drilling Slurry)

בבטון בוגר, אבק הקידוח יבש ומופרד בקלות באוויר דחוס ובמברשת. בבטון צעיר, אבק הקידוח מכיל חלקיקי C-S-H שלא הידרטו במלואם ומים חופשיים – והם מייצרים עיסה דביקה על פני הקידוח שאינה מתפנה בניקוי סטנדרטי. השכבה הזאת, ברוחב של 0.1–0.3 מ"מ, מהווה שכבת הפרדה בין הרזין לבטון הבריא – ומורידה את כוח ההידבקות (bond stress) של הרזין ב-30–50%.

ד. השפעה על עומק הקידוח האפקטיבי (h_ef)

ה-ETA של Chemfix200 ושל כל עוגן כימי אחר מתייחס לעומק אפקטיבי מדוד. בבטון צעיר, גם אם הקידוח מגיע לעומק הגיאומטרי הנכון, השכבה החיצונית של דופן הקידוח (5–10 מ"מ ראשונים) נזוקה עד כדי כך שהיא לא נחשבת נושאת בחישוב. כלומר – ה-h_ef האפקטיבי המעשי קטן מהמתוכנן.

3. קידוח יהלום בבטון צעיר – הבעיה מוכפלת

קידוח יהלום (Diamond Core Drilling) נבחר לעיתים דווקא כשהבטון עדיין צעיר – הוא רוטט פחות, יוצר חור נקי לעין, מתאים לפרויקטים ליד יציקות טריות. זו טעות הנדסית קלאסית. קידוח יהלום בבטון בוגר כבר לא מאושר לרוב עוגני רזין (בגלל המשטח החלק); בבטון צעיר – הוא יוצר את המשטח הפחות מתאים שאפשר לדמיין להידבקות רזין: רטוב, מוחלק, מזוהם בבוצה של C-S-H שלא הידרטה, ומגובה בשכבת בטון שאיבדה סידן.

ההבדל היסודי בין פטישון ליהלום

פטישון פועל על עיקרון של שבירה מכנית – חבטות רדיאליות שמפוררות את המטריצה. יהלום פועל על עיקרון של שחיקה עם קירור מים – סגמנטים מוטבעים באבקת יהלום שוחקים את הבטון תוך זרימה רציפה של 2–5 ליטר מים לדקה לקירור ולסילוק שאריות. בבטון בוגר ויבש, יהלום מייצר משטח חתוך נקי וגלילי. אבל שני המאפיינים הללו – נקי ו-גלילי – הם בדיוק ההיפך ממה שעוגן כימי צריך.

א. הכפלת מים – הבעיה הכי חמורה

בקידוח יהלום, מים בלחץ זורמים ברציפות דרך המקדח הצינורי ומחוצה לו. בקידוח סטנדרטי של Ø14 מ"מ בעומק 90 מ"מ נכנסים לחור ולסביבתו כ-4–8 ליטר מים תוך 60–90 שניות. בבטון בוגר, המים הללו יוצאים החוצה עם שאריות הקידוח – מערכת הנקבוביות הקפילרית סגורה יחסית, המים נשארים בעיקר בפני החור.

בבטון צעיר, המצב הפוך לחלוטין. המערכת הקפילרית עדיין פתוחה ופעילה. המים נספגים לתוך הבטון באזור של 10–20 מ"מ סביב הקידוח. יש לכך שלוש השלכות ישירות:

• ריווי-על של הנקבוביות הקפילריות – הבטון הצעיר כבר מכיל מים חופשיים מתהליך ההידרציה. תוספת של מי קידוח מעלה את התכולה הנוזלית באזור המגע עם הרזין ל-כ-15% נפח – פי 3–4 מהמותר להתקנת רזין כימי לפי הוראות היצרן.
• אין דרך לייבש – ניקוי סטנדרטי באוויר דחוס מסלק מים מפני הקידוח, אבל לא מהמסה הפנימית של הבטון. המים הנספגים ימשיכו לצאת בתוך שעות-ימים אחרי הקידוח, בדיוק בזמן שהרזין אמור להתפלמר.
• שינוי אזור ההידרציה של הבטון – יחס מים/צמנט (W/C) האפקטיבי בפני הקידוח משתנה בכיוון של יותר מים – כלומר הבטון שיתקשה שם יגיע לחוזק סופי נמוך יותר מבטון-הבסיס. אזור חלש קבוע נוצר סביב הקידוח.

ב. שטיפת סיד (Calcium Leaching)

בבטון צעיר יש עודף גדול של פורטלנדייט (Ca(OH)₂) חופשי בנקבוביות – זה תוצר לוואי של ההידרציה. המים הזורמים בקידוח יהלום מגיעים במגע ישיר עם ריכוזים גבוהים של פורטלנדייט, וממיסים אותו:

• בין 0.05 ל-0.2 גרם סיד נשטף לכל ליטר מי קידוח.
• נוצרת שכבת בטון מפורק-סיד בעובי 0.1–0.5 מ"מ בפני הקידוח.
• השכבה הזאת מאבדת עד 40% מחוזק המטריצה שלה – היא נשארת פורוזית ופרוזה.
• הרזין הכימי מתחבר לשכבה הפגומה הזאת, לא לבטון הבריא.

ניתן לראות את התופעה בעין בלתי מזוינת: הבטון בפני הקידוח בהיר יותר מהבטון הפנימי, ולעיתים מכוסה בשכבה לבנה-בהירה של פורטלנדייט מגובש מחדש שנודד לפני השטח כשהמים מתאדים.

ג. בוצה שהופכת לחלק מהמבנה (Slurry Integration)

בבטון בוגר, בוצת הקידוח (מים + חלקיקי בטון טחון) נשטפת החוצה או נשארת רופפת ולכן ניתנת לניקוי. בבטון צעיר, מתרחש משהו הרסני במיוחד:

• הבוצה מכילה חלקיקי C-S-H וצמנט שלא הידרטו במלואם ("unhydrated cement").
• חלקיקים אלה נלחצים לתוך המבנה הפורוזי של הבטון הצעיר בזמן הקידוח.
• כשהבטון הצעיר ממשיך להידרט בימים שאחרי הקידוח, הבוצה הזאת מתחברת כימית למטריצה ומהווה חלק בלתי-נפרד ממנה.
• נוצרת קרום ("skin") של בטון פגום בעובי 0.2–0.5 מ"מ שאי-אפשר להסיר – היא הפכה למבנה עצמו.

זה בשונה מהבוצה של פטישון, שנשארת כאבק רופף וניתנת לניקוי. בוצת יהלום בבטון צעיר הופכת לחלק מהבטון הקבוע. הרזין הכימי מתחבר לשכבה הזו – שאיננה בטון סטרוקטורלי.

ד. משטח חלק מכפיל את הבעיה

קידוח פטישון יוצר חספוס משטח בגודל 100–300 מיקרון (כמו נייר שמיר גס). קידוח יהלום יוצר חספוס של 5–15 מיקרון בלבד (כמו רצפה מלוטשת). עוגני רזין תוכננו למשטח פטישון. במשטח יהלום:

• הרזין לא יכול "לתפוס" באסימטריות משטח – אין mechanical interlock.
• ההידבקות מסתמכת רק על הידבקות כימית טהורה (chemical adhesion).
• ההידבקות הכימית לבדה תורמת רק 30–40% מכוח ההידבקות הכולל בעוגן רזין תקין.
• הצטרפות של משטח חלק (איבוד 60% מהאחיזה) + שכבת סיד מפורק (חוזק מקומי נמוך ב-40%) = כשל מובטח סטטיסטית.

ה. מה ה-ETA אומרת על שילוב יהלום + בטון צעיר

אישורי ה-ETA של עוגני רזין מתייחסים לשילוב של קידוח יהלום ובטון צעיר בשתי דרגות של הוצאה מכללותם:

• כפילות הוצאה – רוב האישורים מגבילים את הקידוח לפטישון בלבד וגם דורשים גיל בטון מינימלי. שילוב שני הפרות בהתקנה אחת = יציאה מוחלטת מגבולות האישור. מבחינה חוזית ומקצועית, ה-עוגן לא מותקן – כלומר מהנדס הפרויקט אינו רשאי להסתמך על שום חישוב כשל תכנוני מבוסס-ETA לגביו.
• אין מבחני מעבדה שמכסים את המקרה – יצרני עוגנים מבצעים מבחני בסיס במעבדה. שילוב יהלום + בטון בגיל 7–14 יום מעולם לא נבחן מסחרית, מפני שאף יצרן לא רוצה לפרסם את התוצאות.

4. ההשפעה על כוח ההידבקות של הרזין

עוגן כימי נסמך על שני מנגנוני אחיזה מקבילים: הידבקות כימית (adhesion) של הרזין לדפנות הקידוח, ושיתוף מכני (mechanical interlock) של הרזין הקשוי במרקם המחוספס של דופן הקידוח. שני המנגנונים מתערערים בבטון צעיר, כל אחד ממקורות עצמאיים.

א. הפרעה של מים חופשיים לפולימריזציה

רזינים המשמשים בעוגנים כימיים הם ברובם ויניל-אסטר, אפוקסי אקרילי, או אפוקסי טהור. כולם מתקשים בתגובת פולימריזציה שבה מאיצים (initiators) פותחים קשרים כפולים ליצירת רשת פולימרית תלת-ממדית. מים חופשיים בפני הקידוח מפריעים לתהליך הזה בשלוש דרכים:

• דילול המאיץ המקומי – ריכוז המאיץ בסביבת ממשק הבטון-רזין יורד, וכתוצאה הפולימר בשכבה קריטית זו אינו מגיע למלוא הצפיפות המולקולרית שלו. השכבה הזאת רכה יותר ופחות עמידה בגזירה.
• יצירת חללי אוויר וקצף – חלק מהמים מתאדים אקזותרמית תוך כדי הריאקציה, וקצף המים המפוזר יוצר חללי מיקרו-בועות בתוך ממשק הרזין-בטון.
• שינוי סטויכיומטריה – רזינים דו-רכיבים תוכננו ליחס מדויק של רזין-מקשה. נוכחות מים חופשיים אינה משתתפת ביחס אך צורכת חלק מהמאיץ שנועד להפעיל את הרכיב הראשון.

ב. תקיפה אלקלית של הרזין (Alkaline Attack)

בבטון צעיר, ריכוז יוני ההידרוקסיל (OH⁻) בנימי המים חופשי במיוחד – ה-pH במגע ישיר עם החומרים המימיים של הצמנט מגיע עד 13.5. סביבה זו תוקפת רזינים מסוימים בתגובת סאפוניפיקציה (saponification) – פיצול הידרוליטי של קשרי אסטר בפולימר. פוליאסטר לא-רווי סובל במיוחד; ויניל-אסטר עמיד יותר; אפוקסי הוא העמיד ביותר. אבל שום רזין אינו חסין לחלוטין לפני שהוא הפך למוצק צפוף:

• בזמן ההתקשות, מבנה הפולימר עדיין פתוח וחשוף לתקיפה.
• המים החופשיים הצעירים הם ה-מדיום שדרכו יוני ההידרוקסיל נודדים לרזין.
• התוצאה הסופית: שכבת ממשק שנשארת רכה, ג'לית, ולא מקושרת מכנית – בדיוק בתחום הקריטי לאחיזה.

ג. איבוד השיתוף המכני (Mechanical Interlock)

כפי שראינו בסעיף 2, פני הקידוח בבטון צעיר מכוסים ב"שכבת בוצה" (drilling slurry). גם ניקוי מלא לפי הוראות היצרן (מברשת + אוויר דחוס × 3 פעמים) אינו מסיר לחלוטין את השכבה הזאת בבטון צעיר. הרזין המתקשה מתחבר לשכבה הרכה במקום לבטון הבריא – התוצאה: הכשל מתרחש בתוך שכבת הבוצה, לא בבטון הסטרוקטורלי. במבחני שליפה, ניתן לראות בעין שכבה שחורה-אפורה דבוקה לרזין השלוף – סימן ההיכר של כשל בבטון צעיר.

5. למה קוטר הקידוח נעול – לא קטן ולא גדול

שאלה שחוזרת אצל מתקינים היא: "המקדח בקוטר הנכון נתקע, אפשר להשתמש בקצת גדול יותר?" או להיפך: "יש לי רק מקדח קטן ב-1 מ"מ, זה יחזיק אפילו יותר טוב, נכון?" התשובה על שתי השאלות היא לא מוחלט. ה-ETA של כל עוגן כימי מגדיר את קוטר הקידוח (d₀) כערך מדויק – זו חלק בלתי-נפרד מהמערכת המבוקרת שנבחנה במעבדה.

הפיזיקה של הרווח הטבעתי (Annular Gap)

בעוגן כימי מותקן, קיים "רווח טבעתי" בין המוט המתוברג לדופן הקידוח. הרווח הזה, ברוחב טיפוסי של 1–3 מ"מ בכל צד, מתמלא ברזין. עובי הרזין הזה איננו שרירותי – הוא מהונדס להעברת כוח הגזירה בצורה אחידה מהמוט לבטון.

למה קידוח קטן מהמפרט כושל

• אין רזין ביניים – המוט נצמד לדופן הקידוח, וכוח הגזירה מועבר בחיכוך ולא בהידבקות כימית. חיכוך אינו מתועד ואינו כלול בחישוב.
• הרזין נמעך החוצה בזמן ההכנסה של המוט – במקום להקיף את המוט, הוא בורח למעלה החוצה מהקידוח. התוצאה: חללים בעומק, ואין נשיאת עומס באזורי הקידוח הפנימיים.
• המוט לא יכול לרדת לעומק הנומינלי – הוא נתקע לפני h_ef המתוכנן, וה-h_ef האפקטיבי קטן מהתכנוני.
• נזק לרזלי המוט – חוטים מתוברגים נשחקים בזמן ההכנסה בכוח לתוך קידוח צר, ואיבוד הרזה גורם לירידה בכשל פלדה (steel failure).

למה קידוח גדול מהמפרט כושל

• מנגנון גזירה בנפח הרזין (bulk shear) – ככל שהעובי גדל, הרזין מתנהג כמו גוש נפחי ולא כשכבת דבק. הוא נסדק בגזירת נפח לפני שהעומס הועבר לבטון. עוצמת הכשל בתוך הרזין נמוכה מזו של ההידבקות רזין-בטון או ההידבקות רזין-פלדה.
• איבוד לחץ הכיווץ (confinement pressure) – ברווח טבעתי תקין, כיווץ הרזין נגד דופן הבטון יוצר לחץ חיובי שמגביר את חוזק הגזירה. ברווח גדול מדי, הרזין מתכווץ פנימה ומאבד את הלחץ הזה.
• חדירת חום מוגברת – פולימריזציה היא תגובה אקזותרמית. שכבת רזין עבה מדי מייצרת יותר חום, ומצטרפת אליו טמפרטורת שיא (peak) גבוהה בפנים המערכת – מה שגורם לסדקי הצטמקות (shrinkage cracks) בזמן ההצתקות.
• הפרה של החישוב לפי EN 1992-4 – חישוב chi_Rk,p (bond resistance) מבוסס על פרימטר π·d·h_ef כשה-d הוא הקוטר הנומינלי. שינוי בקוטר אינו מוכר על ידי המשוואה, וההוצאה מהתחום מבוטלת את תוקף התכנון.

6. כללי הסף להתקנה חוקית של עוגן כימי

• גיל מינימלי של הבטון: ברוב אישורי ה-ETA לעוגני רזין מוגדר מינימום של 21 יום לאחר יציקה, בהנחת בטון C20/25 ומעלה ותנאי ריפוי סטנדרטיים. בטון בתנאי חורף (טמפ' < 10°C) – התקופה מוארכת.
• חוזק מדוד בפועל: אם הפרויקט דרוש התקנה מוקדמת, ניתן לבצע בדיקת שליפה של גליל דוגמה (או פטישון קרן – Schmidt hammer מכויל לגליל) לאישור שהבטון הגיע ל-f_ck,cube ≥ 25 N/mm². רק אז מותר להתקין.
• קוטר קידוח מדויק: יש להשתמש במקדח בקוטר d₀ המצוין ב-ETA של העוגן הספציפי (עבור Chemfix200: לפי טבלה בעלון הטכני). לא לסטות אפילו ב-0.5 מ"מ, לא למעלה ולא למטה.
• ניקוי מלא של הקידוח: אוויר דחוס × 2, מברשת × 2, אוויר דחוס × 2 – "2-2-2". במיוחד קריטי בבטון צעיר-אבל-מותר (21–28 יום), שבו יכולה עדיין להיות שכבת אבק דבקה.
• טמפרטורת בטון מותרת: +5°C עד +40°C ברוב אישורי ה-ETA. בבטון צעיר במיוחד – טמפרטורה נמוכה גם מאטה את הפולימריזציה של הרזין.
• יובש/רטיבות: ה-ETA מציין אם העוגן מאושר לקידוח יבש/רטוב/מוצף. בטון צעיר לפני 21 יום הוא ברירת מחדל "רטוב פנימית" בכל מקרה, גם אם השטח יבש.

שאלות ותשובות נפוצות

מקורות ותקינה

• EN 1992-4:2018 – Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 4: Design of fastenings for use in concrete
• EAD 330499-01-0601 – Bonded fasteners for use in concrete
• EN 206:2013+A2:2021 – Concrete – Specification, performance, production and conformity
• Eligehausen, R., Mallée, R., Silva, J. F. – Anchorage in Concrete Construction, Ernst & Sohn, 2006
• fib Bulletin 58 – Design of anchorages in concrete, 2011
• ETA של Chemfix200 – עלון טכני של Adit
• EOTA TR 048 – Bonded fasteners for use in concrete – Assessment of relevant characteristics for use in cracked concrete