ژئوممبرینها پس از ژئوتکستایلها، دومین گروه بزرگ از ژئوسنتتیکها را تشکیل میدهند و حتی حجم فروش آنها از نظر قیمت با ژئوتکستایلها برابری میکند.
ایرج رحیمی (دانشجوی کارشناسی زلزله دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی)
1. مقدمه:
ژئوممبرین ها (Geomembranes) پس از ژئوتکستایل ها، دومین گروه بزرگ از ژئوسنتتیک ها را تشکیل میدهند و حتی حجم فروش آنها از نظر قیمت با ژئوتکستایلها برابری میکند. در حقیقت انگیزه توسعه و رشد این نوع محصول، وضع قوانین جدید دولتی در سال 1982 (ایالات متحده) بود ژئوممبرینها اساساً ورقههای نازک و نفوذناپذیری هستند که از مواد لاستیکی یا پلاستیکی ساخته میشوند و عمدتاً برای آسترکاری و پوشش تأسیسات ذخیره مایعات و گازها بهکار میروند، بنابراین نقش اصلی آنها بهعنوان یک نفوذبند در برابر مایع یا گاز است، اما با توجه بهقابلیتهای عدیده ژئوممبرینها دامنه کاربرد آنها در امور مهندسی عمران بسیار گسترده است و میتوان دستکم 30 کاربرد مختلف برای آن برشمرد ژئوممبرینها نفوذناپذیر مطلق نیستند، اما در مقایسه با ژئوتکستایلها یا خاکها و حتی خاکهای رسی، میتوان آنها را نفوذناپذیر دانست. آزمایشهای عبور بخار آب، ضریب نفوذپذیری آنها بین m/s 0.5 × 10-12 تا 15-10 × 0.5 نشان داده است.
2. شناخت ژئوممبرینها و خواص آنها:
اکثر ژئوممبرینها، صفحات نازکی از جنس مواد پلیمری گرمانرم (thermoplastic) یا گرماسخت(1) (thermoset) و انعطافپذیر هستند که بهصورت پیشساخته در کارخانه تولید میشوند. در جدول 1 انواع مختلف ژئوممبرین برشمرده شده است.
جدول 1- انواع اصلی ژئوممبرینها
|
پلیمرهای گرما نرم
|
پلیمرهای گرما سخت
|
ترکیبات
|
پلی وینیل کلراید (PVC)
پلیاتیلن (در انواع HDPE, MDPE, LLDPE, LDPE, VLDPE)
(پلیاتیلن با تراکم بسیار پایین، پایین، خطی پایین، متوسط و زیاد)
پلیاتیلن کلرینه (CPE)
آلیاژ بین پلیمری اتیلن (EIA) یا همانXR-5 پلی آمید (PA)
|
ایزوپرن- ایزو بوتیلن (IIR) یا بوتیل
لاستیک اپیکلر و هیدرین
دی ان منومر اتیلن پروپیلن (EPDM)
پلی کلرو پرن (نئوپرن)
ترپلیمر اتیلن پروپیلن (EPT)
اتیلن وینیل استات (EVA)
|
لاستیک PVC- نیتریل
ایتل وینیل استات
با پیوند ضربدری
پلیاتیلن کلرو سولفونه (CSPE) یا همان هابیالون
|
اینها ژئوممبرینهای پیشساخته و یا خواص شناخته شده هستند اما باید دانست که میتوان لایههای نفوذبند را بهطریق مناسب و در ساختگاه نیز بوجود آورد و بهعنوان ژئوممبرین بهکار برد، مثلاً در نتیجه آغشته کردن ژئوتکستایل بهقیر، صفحهای با نفوذپذیری پایین بدست میآید که بهعنوان نفوذبند قابل استفاده است اما خواص این نوع بههیچ وجه پیشاپیش قابل شناسایی نیست و لازم است آزمایشهایی در محل جهت برآورد خواص آنها انجام گیرد. سه رده اصلی ژئوممبرینها (و همه ژئوسنتتیکها) با توجه بهساختار پلیمری آنها عبارتند از گرماسخت، گرمانرم بیشکل (amorphous) و گرمانرم نیمهبلوری، اغلب ژئوسنتتیکها از رده سوم هستند. میزان بلورینگی (crystallinity) که از حدود 30% در بعضی PVCها تا 75% در HDPE متغیر است، نقش اساسی در رفتار ژئوسنتتیک دارد. میتوان نشان داد که افزاش بلوری شدن منجر به افزایش سختی، مقاومت حرارتی، شیمیایی و کششی و کاهش نفوذپذیری،کرنشپذیری، انعطافپذیری و مقاومت در برابر ضربه میشود. ژئوممبرینها بهصورت تکلایه یا چند لایه مسلح و غیرمسلح ساخته میشوند که جزئیات آن را در قسمت روشهای تولید بررسی میکنیم.
ضخامت صفحاتی که امروزه مورد استفاده قرار میگیرند، 0.5mm یا بیشتر است اما طبق ضوابط، در آسترکاری زبالهچالها باید از ژئوممبرینهایی با ضخامت 0.75mm یا بیشتر استفاده کرد. ضخامت انواع این صفحات از حدود 0.3mm در نوع PVC تا 2.5mm در نوع HDPE میرسد هرچند ضخامت ژئوممبرینها معمولاً یکنواخت فرض میشود اما اغلب بهدلیل خطاهای ساخت یا آسیبهای حین حمل و اجرا در بعضی قسمتها دچار کاهش میگردد. کاهش ضخامت تأثیر زیادی بررفتار تنش- کرنشی میگذارد بهعنوان نمونه آزمایش نشان داده است که خراش کوچکی روی سطح ژئوممبرین HDPE که ضخامت آن را 25% کاهش دهد، تنش تسلیم کششی را بهمیزان 25% تقلیل میدهد و کرنش نهایی را از 70% بهتنها 12% میرساند. خرابیهای ناشی از این مسأله در عمل نیز مشاهده شده است.
چگالی یا وزن مخصوص ژئوممبرینها تابع جنس پلیمر آن است و حتی با یک نوع پلیمر نیز محصولات مختلفی عرضه میشود مثل پلیاتیلن کمتراکم، پرتراکم و یا تراکم متوسط. بهطور کلی وزن مخصوص پلیمرهایی که در ساخت ژئوممبرین بهکار میروند بین 0.85 تا 1.5 قرار میگیرد. برای شناخت مقاومت کششی ژئوممبرینهای مختلف در شکل 2 نمودار تنش-کرنش حاصل از آزمایش سه نوع ژئوممبرین نشان داده شده است. چنانکه ملاحظه میشود، اختلاف رفتارها بسیار زیاد است. ضمناً باید دانست، آزمایش نوارهای ژئوممبرین با عرضهای مختلف، نتایج متفاوتی برای مقادیر تنش و کرنش نهایی بدست میدهد و لذا هنوز معیار همه پسندی معین نشده ولی نتایج آزمایش با نوارهای بهپهنای 8 اینچ (که شکل 2 برمبنای آن رسم شده) برای مقاصد طراحی مناسبتر تشخیص داده شده و حتی در برخی استاندارد مثل ASTM نیز وارد شده است.
علاوه بر موارد فوق آزمایشهای مختلف دیگری برای بررسی مقاومتهای مختلف ژئوممبرین (مثلاً در برابر پارگی، سوراخ شدن و ضربه) اصطکاک سطحی، نحوه درزبندی و مهار انتهایی، مقاومت در برابر مواد شیمیایی خورنده و مخرب پایداری نوری و گرمایی و... بهصورت استاندارد شده وجو دارد چنین تحقیقاتی روی ژئوممبرینهای موجود، همگی بین عملکرد مناسب و راضیکننده آنها بوده است.
براین اساس امتیازات عمده ژئوممبرینها را میتوان بهصورت زیر خلاصه کرد: (1) انعطافپذیری و در عین حال مقاومت زیاد در برابر پارگی، سوراح شدگی و سایش (2) پایداری در برابر پرتوهای فرابنفش آفتاب (3) ثبات رفتار در محدوده دمایی وسیع (4) سبکی و در نتیجه حمل و نصب آسان و ارزان (5) عدم تأثیر منفی بر محیط زیست و سرانجام خاصیت مهم و اساسی آنها (6) نفوذناپذیری. ویژگی اخیر ژئوممبرینها را در مقایسه با بسیاری مصالح دیگر منحصر بهفرد نموده، کربرد آنها را در انواع پروژههای عمرانی و صنعتی، مفید و حتی ضروری میسازد.
3. فرآیند تولید:
نخستین گام در تولید ژئوممبرینها، ساخت مواد اولیه مورد نیاز شامل رزین پلیمری (گرمانرم یا گرماسخت)، روانکنندهها یا و لکانیزهکنندهها، انواع تسریعکنندهها و کندکنندهها، نرمکنندهها، پرکنندهها، مواد حفاظتکننده (Protectants) و مواد کمکی. در اینجا بهتشریح سه نوع اصلی ژوممبرینها میپردازیم. گروه نیمه بلوری که محتوی پلیاتیلن است، کمترین میزان غیررزینی را شامل میشود.
سپس این مواد خام یا یکی از سه روش وارد فرآیند تولید میشوند. سادهترین نوع ژئوممبرین یعنی تکلایه و غیرمسلح از روش اول بدست میآید. در این روش، مواد خام پس از اختلاط تحت عمل اکستروژن (عبور تحت فشار از مقطع فرمدهنده) بهصورت صفحهای یا استوانهای در میآیند در دستگاههای اکسترودر، ذوب و همگن کردن مخلوط بهطور همزمان و تحت فشار منفی کوچکی (بهمنظور خارج شدن حبابهای هوا) انجام میشود. صفحات تولید شده بین 0.13 تا 5.1mm ضخامت و بین 0.9 تا 5.2m عرض دارند. گاه برای ساخت صفحات عریضتر، در کارخانه این صفحات را بههم متصل و درزگیری میکنند. سپس این صفحات در دستگاه نورد از میان غلتکهای چرخان عبور میکنند تا ضخامت آنها یکنواخت شود. برای تولید صفحات عریضتر (تا پهنای حدود 10m) تکنیک دیگری نیز بهکار میرود. مواد خارج شده از اکسترودر از طریق دمیدن بهصورت حباب استوانهای شکل عظیمی درمیآیند و سپس این حباب گسترانده شده، صفحات نهایی بدست میآیند.
در روش دوم برای تولید ژئوممبرینهای چند لایه، از قرار دادن چندین لایه مختلف روی هم، استفاده میشود. ژئوممبرینهای چند لایه ممکن است غیرمسلح باشند و یا بواسطه fabric scrim های بین لایهها، مسلح شوند. در هر اینچ مربع، 6، 10 یا 20 رشته الیاف پلیاستر یا نایلون قرار میگیرد. لایهها از طریق الیاف بههم متصل میشوند.
جدیدترین روشهای ساخت ژئوممبرینها، روش مالشی (Spread-coating) است. در این روش معمولاً از یک لایه ژئوتکستایل نبافته سوزندوزی شده، بهعنوان لایه اصلی استفاده میشود. روی این لایه ماده پلیمری مذاب ریخته، پخش شده و مالیده میشود تا ضخامت آن یکنواخت گردد. تنوع محصولات ساخته شده به این روش بسیار زیاد است.
سطح ژئوممبرین ممکن است صاف یا آجدار (یا دارای گلمیخ) در یک طرف یا هر دو طرف باشند. این فرآوردهها را بسته بهضخامت آنها بهصورت لوله شده یا تختهای بهبازار عرصه میکنند.
4. درزگیری ژئوممبرین:
اگر درزگیری (Seaming) ژئوممبرین بهطریق مناسب صورت نگیرد، اساساً کاربرد آنها بیمعنی است این درزها به دو دسته قابل تقسیم هستند. درزهای کارخانهای و درزهای کارگاهی. صفحات ژئوممبرین غالباً در کارخانه بههم متصل و درزگیری میشوند تا عرضهای بزرگتری حاصل شود. این درزها عموماً خوب هستند و کنترل کیفیت نیز میشوند اما درزهای کارگاهی معمولاً ضعیف و مشکلساز هستند و عدم کنترل کیفیت مناسب، باعث بروز نشتی میشود. درزگیری ژئوممبرینها با تکنیکهای مختلفی انجام میشود که در اینجا برخی از آنها را برمیشماریم. یکی از این تکنیکها استفاده از مواد حلال در بین دو صفحه ژئوممبرینی است که روی هم میافتد.این حلال مقداری از ماده دو ژئوممبرین را در خود حل میکند با فشردن لایهها بههم درز بسته میشود. در تکنیک دیگری بین دو لایه چسب ریخته و صفحات بههم فشرده میشوند برای درزگیری ژئوممبرینهای گرماسخت از چسبهای گوگردی و لکانیزه کننده استفاده میشود. در این حالت چسب باید محتوی همان پلیمری باشد که ژئوممبرین از آن ساخته شده است. پلیمرهای موجود در چسب با پلیمرهای صفحات ژئوممبرین پیوند تشکیل داده و اتصال صفحات حاصل میشود. برای اتصال ژئوممبرین گرمانرم یا نیمهبلوری، چندین روش حرارتی وجود دارد مثل هوای داغ، گوه داغ، گوه داغ دوگانه، جوش الکتریکی و اتصال فراصوت. در روش هوای داغ، هوای داغ (با دمای بیش از C゜260) بین دو صفحه دمیده شده، باعث ذوب صفحات میشود بلافاصله غلتکهایی دو صفحه را بههم میفشرند در تکنیک گوه داغ و گوه داغ دوگانه، بهترتیب یک و دو گوه از بین ژئوممبرینها گذرانده و باعث ذوب آنها میشود. بهدنبال گوهها، غلتکها صفحات را بههم پرس میکنند. در روش گوه داغ دوگانه، دو خط درز موازی ایجاد میشود که در فاصله بین آنها اتصالی بین صفحات وجود ندارد و لذا میتواند با دمیدن هوا و کنترل نشت آن، سلامت درزگیری را بررسی نمود. در روش جوش الکتریکی، حرارت لازم با عبور جریان از سیمهای فولادی بین لایهها و در تکنیک فراصورت (Ultrasonic) در اثر ارتعاش مکانیکی ناشی از امواج بهفرکانس KHZ40، تولید میشود.
آزمایشهای مخرب و غیرمخرب بسیاری برای کنترل درزها وجود دارد که بسته بهوسعت عملیات و سرمایه موجود، میتوان روش مناسب را انتخاب کرد، از جمله آزمایشهای غیرمخرب، نیزه هوایی، تنش نقطهای، درز دوگانه تحت فشار، اتاقک مکش و... را میتوان نام برد که از ذکر جزئیات آنها در اینجا صرفنظر میشود.
پی نوشت:
1. پلیمرهای گرمانرم در اثر حرارت تغییر شکل زیاد پیدا میکنند اما پلیمرهای گرماسخت نسبت بهگرما حساسیت کمتر دارند.