ژئوممبرین ها(اطلاعات کامل)

تعریف ژئوممبرین ها

ژئوممبرین ها غشاء های انعطاف پذیر ناتراوایی هستند که معمولاً از ورقه های پلاستیکی یا لاستیکی ساخته می شوند. ولی می توان آن ها را به روش اندود نمودن ژئوتکستایل ها با استفاده از قیر یا افشاندن الاستومر نیز ساخت.

ژئوممبرین را به صورت زیر تعریف می نمایند:

ژئوممبرین غشاء روکش یا حائلی با نفوذپذیری بسیار پایین ساخته شده یا مصالح مصنوعی که به همراه هرگونه مصالح مربوط به مهندسی ژئوتکنیک برای کنترل جریان سیال (یا گاز) در یک پروژه، سازه یا سیستم ساخت دست انسان به کار گرفته می شود.
ژئوممبرین مطلقاً ناتراوا نیست (در واقع هیچ چیز ناتراوا نیست) ولی در مقایسه با ژئوتکستایل ها و حتی خاک رس می توان آن ها را ناتراوا نامید. نفوذپذیری ژئوممبرین ها که به وسیله آزمایش انتقال بخار آب به دست می آید. معمولاً بینm/s 12-10 تا 15-10 قرار دارد. پس همیشه عملکرد اصلی ژئوممبرین ها جلوگیری از نفوذ سیال (آب بندی) و بخار می باشد.
بازار فروش این محصولات بسیار پر رونق است و موارد استفاده، مرتباً در حال گسترش می باشد و به همان نسبت، فروش نیز در حال رشد است.
قبل از این که وارد طراحی شویم در بخشی که در ادامه می آید. درباره مشخصات ژئوممبرین و
روش های آزمایش و به دست آوردن مشخصات بحث خواهیم نمود. آشنایی با این اطلاعات ما را قادر خواهد ساخت سیستم های ژئوممبرین که امروزه مورد استفاده قرار دارند را طراحی نماییم.

بیشتر بدانیم

آزمایش ژئورادار

خصوصیات ژئوممبرین ها و روش های آزمایش

اکثر ژئوممبرین ها از صفحات پلاستیکی انعطاف پذیر و یا مصالح لاستیکی ساخته می شوند. این صفحات در کارخانه تولید شده و به محل سایت انتقال می یابند که مراحل نصب، اتصال و درزبندی در همین سایت انجام می گیرد. البته مصالح ترکیبی که اکثر آن ها در سایت به وسیله روش های درجا ساخته می شوند خصوصیات متفاوتی دارند. برای مثال ژئوتکستایل اندود شده توسط قیر، خصوصیات اساسی ژئوتکستایل پایه را همراه با خصوصیات هیدرولیکی تغییر یافته به خاطر استفاده از قیر دارد. در حقیقت ما ژئوتکستایل را ناتراوا نموده ایم. این تغییرات هر کدام منحصر به فرآیندی خاص هستند و در نتیجه باید جداگانه مورد بررسی قرار گیرند.
روش های آزمایش ژئوممبرین ها اولین بار در سال 1982 توسط کمیته ای که خود زیر نظر کمیته خاک و سنگ قرار داشت تحت عنوان حائل های نفوذناپذیر در کد D1820 تعیین گردید. در سال 1985،
ASTM D-35 ژئوتکستایل ها و ژئوممبرین ها را نیز شامل شد. بسیاری از استاندارها هنوز در مراحل مختلف توسعه قرار دارند ولی هیچ کدام کامل نشده اند. اگرچه قبلاً بسیاری از استاندارها برای پلاستیک ها، لاستیک ها، پوشش سقف ها و پوشش کانال های انتقال آب توسط ASTM و سازمان بهداشت ملی (NSF) به تصویب رسیده اند.

خصوصیات فیزیکی

خصوصیات فیزیکی ژئوممبرین ها را می توان در دو حالت پس از تولید و یا هنگام تحویل در محل پروژه مورد بررسی قرار داد. این خصوصیات برای کنترل کیفیت، تأیید کیفیت و یا تشخصی مناسب دارای اهمیت
می باشند.

ضخامت

ضخامت ژئوممبرین ها به وسیله اندازه گیری مستقیم تعیین می شود. در این آزمایش مساحت بزرگ نمایی شده به وسیله میکرومتر تحت فشار 20kpa اندازه گیری می شود. برای انجام این کار می توانید از روش ASTM D5199 و ISO 09863 پیروی نمایید. اگر بخواهیم ضخامت ژئوممبرین صاف را اندازه گیری کنیم، روش کار ساده است و ابهامی در آن وجود ندارد. اما هنگام اندازه گیری ضخامت ژئوممبرین دارای الیاف مسلح کننده یا ژئوممبرین های فرسوده و متورم شده باید نهایت دقت را مخصوصاً در آماده سازی نمونه و اعمال فشار به کار گرفت. اکثر ژئوممبرین های تک لایه، ضخامتی حدود 0.50 mm و یا بیشتر دارند، ضخامت
ژئوممبرین هایی که برای پوشش منابع ذخیره آب و یا مایعات خطرناک به کار می روند حدود 0.75 mm و یا بیشتر می باشد).
ژئوممبرین های مسلح شده با الیاف مسلح کننده با استفاده از چندین ورقه روی هم قرار گرفته شده تولید می شوند که در این حالت می توانند ضخامتی بین 0.91 mm تا 1.5 mm داشته باشند.

 

چگالی

چگالی یا جرم مخصوص یک ژئوممبرین بستگی به مصالح اولیه ای دارد که از آن ساخته شده است. گرچه برای مصالح خاص هم، تغییرات چگالی وجود دارد به عنوان مثال پلی اتیلن در 3 گونه با چگالی پایین (فشردگی کم)، چگالی متوسط و چگالی بالا موجود می باشد ولی به طور کلی حدود تغییرات چگالی آن بین 0.85 تا 1.5 می باشد. بنابراین اکثر ژئوممبرین ها روی آب شناور نخواهند شد. روش آزمایش در ASTM D792 بیان شده است. روش این آزمایش بر پایه قانون ارشمیدس انجام می گیرد. یعنی وزن در هوا تقسیم بر وزن آن جسم در داخل آب.

جرم واحد سطح (وزن)

وزن ژئوممبرین یا در حقیقت جرم واحد سطح که آن را وزن می نامیم عبارت است از وزن مساحت واحد از نمونه مورد آزمایش که بر حسب گرم بر متر مربع (g/m2) بیان می شود. روش آزمایش ساده و مستقیم است.

انتقال بخار آب

از آنجایی که هیچ چیز به طور مطلق ناتراوا نیست، برآورد نفوذناپذیری نسبی ژئوممبرین ها از اهمیت زیادی برخوردار است. شاید روش آزمایش نفوذناپذیری در مهندسی ژئوتکنیک که از آب به عنوان ماده نفوذکننده استفاده می شد را بتوان با کمی تغییر برای ژئوممبرین ها نیز استفاده کرد ولی در چنین حالتی هد هیدرولیکی لازم آنقدر زیاد خواهد بود که امکان نشت آب و گسیختگی نمونه قطعاً بسیار زیاد خواهد بود، از طرف دیگر اگر هد را کم کنیم زمان زیاد لازم برای آزمایش، باعث تبخیر آب و به وجود آمدن مشکلات زیادی خواهد شد.

در عوض روش کاملاً متفاوتی برای این کار وجود دارد و آن هم استفاده از بخار آب به عنوان ماده نفوذ کننده است. در اینجا نمونه ژئوممبرین بر روی یک جام آلومینیومی قرار گرفته و درزهای آن کاملاً در داخل جام آب یا ماده مرطوب کننده خشک قرار دارد طوری که درصد رطوبت نسبی جام را 100% توصیه می نماید (با استفاده از آب داخل آن) و یا اینکه از درصد رطوبت نسبی 0% با استفاده از نمک خشک استفاده شود.

سپس کل مجموعه داخل اتاقی با رطوبت نسبی کنترل شده قرار داده شده و تغییرات وزن در یک بازه زمانی به دقت ثبت می شود.
زمان لازم برای آزمایش متغیر است ولی معمولاً بین 3 تا 40 روز طول می کشد. در نهایت انتقال بخار آب، تراوش و نفوذپذیری محاسبه می شوند.

خصوصیات مکانیکی

تعدادی از خصوصیات مکانیکی ژئوممبرین ها را می توان از نتایج آزمایش کشش به دست آورد. توجه شود که به دلیل وجود الیاف در اینچ نام گذاری می شود. به طور مثال 10×10 یعنی 10 تار با وزن مشخص در اینچ در هر دو جهت.
روش انجام آزمایش مطابق استاندارد ASTM در بندهای D638 و D412 توضیح داده شده است این آزمایش بسیار متنوع است ولی در یک نوع متدوال آن نمونه ای به شکل دمبل و به ابعاد 38mm طول و 6.5mm عرض استفاده می شود. گرچه هنوز روش های آزمایش در حال تغییر هستند و شکل و اندازه های نمونه ها در استانداردهای مختلف متفاوت است. به همین دلیل علاوه بر نتایج آزمایش، باید روش آزمایشی که باعث این نتایج شده اند به طور واضح ذکر شود.

مقاومت کششس در لحظه تسلیم

این مقاومت مقدار باری است که در آن یک انحراف تقریباً خطی در قسمت ابتدایی منحنی بار- کرنش شروع به رخ دادن می کند. از آنجایی که ژئوممبرین ها مصالحی غیرخطی هستند، قضاوت مهندسی لازم است. توجه شود که در ژئوممبرین های غیرمسلح، تسلیم و گسیختگی (شکست) تقریباً یکی هستند در حالی که برای ژئوممبرین های مسلح، تسلیم در مقداری بسیار بیشتر (و خیلی زودتر) از شکست رخ می دهد.

مقادیر مقاومت در لحظه تسلیم برای ژئوممبرین CPE به ضخامت 36 mil (با مسلح کنندگی 10×10) 60 lb/in است. همچنین باید گفت که این مقادیر با مفهوم مقاومت در مهندسی ژئوتکنیک که به حداکثر تنش اطلاق می شد متفاومت است. برای اینکه مقدار مقاومت واقعی را به دست آوریم باید این مقدار که بر حسب پوند بر اینچ است بر ضخامت ژئوممبرین تقسیم شود. علاوه بر این، مقدار ضخامت باید مربوط به کرنشی باشد که مقاومت در آن اندازه گیری شده است. همچین مرسوم است که این مقدار را که بر حسب lb/in (در واحد متریک kg/cm) ارائه می شود، مقاومت می نامند.

مقاومت کششی در لحظه شکست

همانطور که گفته شد شکست و تسلیم می توانند یکسان و یا کاملاً متفاومت باشند. همین طور برای تسلیم و برای ژئوممبرین CPE به ضخامت 36 mil (که به صورت 10×10 مسلح شده) این مقدار 12 lb/in است در حالی که در لحظه تسلیم مقدار آن 60 lb/in است.

تغییر طول در لحظه تسلیم

معمولاً افزایش طول به صورت درصد کرنش بیان می شود و بر مبنای کرنش مهندسی محاسبه می گردد. یعنی تغییر طول نمونه تقسیم بر طول اولیه. برای ژئوممبرین CPE 30 mil مقدار آن 180% و برای CPE 36 mil (مسلح شده به صورت 10×10) مقدار آن 15% است. این تفاوت فاحش همچنان که در بخش مربوط به مقاومت هم مشاهده شده، تأثیر مسلح کنندگی در ژئوممبرین ها را نشان می دهد و اینکه رفتار مکانیکی آن به طرز آشکاری تغییر کرده، به طوری که مسلح شدگی ژئوممبرین باعث افزایش مقاومت و کاهش تغییر طول در لحظه تسلیم می شود.

تغییر طول در لحظه شکست

تغییر طول در لحظه شکست در ژئوممبرین های مسلح نشده تفاوت زیادی با لحظه تسلیم ندارد که همین حالت برای مقاومت در لحظه شکست در تسلیم نیز وجود دارد. برای ژئوممبرین های مسلح شده پس از وقوع تسلیم، الیاف های مسلح کننده یکی یکی گسیخته می شوند (به الگوی دندانه ای قسمت نزولی منحنی توجه نمایید.) ولی لایه های پلاستیک CPE در دو طرف اسکریم چنین رفتاری ندارند. این لایه ها فقط با افزایش کرنش زیاد مواجه هستند. (یعنی در این لحظه این لایه ها به صورت لایه های ژئوممبرین مسلح نشده مجزا عمل می کنند.)

مقاومت پارگی

مقاومت پارگی ژئوممبرین را به چند طریق می توان اندازه گیری نمود که تعدادی از آن ها عبارتند از ISO 34. D751. D1004. D1424. ASTMD1938 در آزمایش ASTM D1004 از یک شابلن برای ایجاد نمونه آزمایشی استفاده می شود به طوری که شکل ایجاد شده دارای زاویه 90 درجه بوده و پارگی می تواند از آن ناحیه گسترش یابد. دو انتهای نمونه در دستگاه کشش مهار شده و پارگی در عرض نمونه، عمود بر راستای اعمال نیرو گسترش می یابد.

در آزمایش ASTM S2263 که آزمایش پارگی ذوزنقه ای نام دارد. نمونه ای به شکل ذوزنقه به ابعاد 100mm یک ضلع، 25mm ضلع دیگر و طول 75mm بریده می شود. سپس برای شروع پارگی، برشی به طول 12.5mm در مرکز ضلعی 25mm طول دارد ایجاد می شود. بعد از آن نمونه در بین فک های دستگاه کشش قرار می گیرد به طوری که سمتی که طول آن 25mm است سفت و کشیده بماند و ضلعی که 100mm طول دارد 75mm آن شل بماند. با افزایش طول دستگاه آزمایش، نمونه از قسمت برش خورده که یک 25mm طول دارد به طرف طول 100mm پاره می شود. حداکثر بار به عنوان مقاومت پارگی ثبت و گزارش می شود.
تفاوت عمده در بین این دو آزمایش یعنی D1004 و D2263 در طول نمونه ای است که قرار است پارگی در آن رخ دهد یعنی در نمونه D2263 طول آن 75mm است ولی در دیگری 12.5mm و بدین ترتیب در آزمایش D2263 رفتار دقیق تری وجود دارد.
مقاومت پارگی بسیاری از ژئوممبرین های غیرمسلح نازک، بسیار کم است حدودا 18 تا 130N به همین خاطر هنگام حمل و نصب ژئوممبرین ها حداکثر دقت را باید به کار برد. افزودن مسلح کننده در داخل ژئوممبرین به میزان زیادی باعث افزایش پارگی آن می شود. آزمایش پارگی توصیه شده برای ژئوممبرین های مسلح، آزمایش پارگی زبانه D5884 می باشد.

در این آزمایش یک نمونه به عرض 75mm با یک برش ابتدایی به طول 25mm در داخل گیره های دستگاه کشش قرار داده شده و تحت کشش قرار می گیرد. نمونه آزمایشی 200mm طول داشته و مقدار حداکثر به عنوان مقاومت پارگی گزارش می شود. ژئوممبرین ضخیم تر باشد. حساسیت به پارگی در حین اجرا کمتر خواهد بود و تنش های طرح مقادیر بحرانی تلقی خواهند شد. این مسائل، هر یک وابسته به پروژه بوده و باید برای هر پروژه به طور مجزا مورد بررسی قرار گیرد.

مقاومت در برابر برخورد

سقوط اجسام از جمله خاک ها می تواند باعث سوراخ شدن ژئوممبرین ها و ایجاد نشت و رسوخ آب شود، همچنین نقطه شروعی خواهد بود برای گسترش پارگی، پس برآورد مقاومت برخوردی ژئوممبرین لازم خواهد بود. برای انجام این آزمایش می توان از هر کدام از روش های زیر استفاده نمود:
دارت با سقوط آزاد AQSTM D1709یا ISO 13433
وزنه برخوردی ASTM D3025
آزمایش های پاندولی D3998 , D746, ASTM D1822
به جای استفاده از ابزارهای آزمایش متفاوت اغلب راحت تر است که از آزمایش پارگی المدندورف اصلاح شده به روش اسپنسر ASTMD1424 استفاده نماییم.
با اعمال انرژی سبب گسیختگی می شود (برحسب ژول). قسمت الحاقی دستگاه اسپنسر صرفاً یک ابزار نگهدارنده نمونه می باشد تا نوک نفوذکننده در انتهای بازوی پاندول بتواند در داخل نمونه نفوذ نماید.
با استفاده از این دستگاه، می توان به وضوح دید که ژئوممبرین های ضخیم تر مقاومت برخوردی بیشتری دارند. تأثیر مسلح کننده نیز بسیار چشمگیر است.

آنچه باید در این جا گفت این است که بین انواع مختلف ژئوممبرین ها تفاوت بارزی در مقاومت برخوردی وجود دارد. به عنوان یک گزینه دیگر، از یک نمونه آزمایش به شکل دمبل که شکافی در آن ایجاد شده می توان استفاده نمود. در این حالت، پاندول یک تنش کششی به نمونه اعمال می نماید. این آزمایش را می توان بر روی ژئوممبرین های پلی اتیلنی و شرایط دمایی سرد به انجام رساند.

برای آزمایشD3998 ASTM توضیح داده شده است. در اینجا ضخامت های متغیر HDPE با یک پاسخ تقریباً خطی سنجیده می شود. هنگامی که از یک ژئوتکستایل بی بافت سوزن دوخت به وزن 400g/m2 در جلو یا پشت ژئوممبرین استفاده می شود، بهبود در مقاومت برخوردی قابل توجه می باشد. علاوه بر این، اگر ژئوتکستایل در هر دو سمت ژئوممبرین استفاده شود، مقاومت برخود باز هم بهبود می یابد. از منحنی های پاسخ می توان برای تعیین بهره اقتصادی استفاده از ژئوممبرین های ضخیم تر یا ژئوتکستایل به همراه یک ژئوممبرین نازک تر استفاده نمود.

مقاومت در برابر سوراخ شدگی

ژئوممبرین هایی که بر روی خاک های حاوی سنگ ها و دیگر مواد و ضایعات ساختمانی قرار می گیرند، آسیب پذیری بیشتری در برابر سوراخ شدگی حین یا پس از بارگذاری دارند. چنین سوراخ هایی از آنجایی که ژئوممبرین ها پوشیده شده و دفن می شوند بسیار مهم هستند چون یافتن آن ها ممکن نخواهد بود مگر این که نشت در سیستم مشاهده شود. در چنین مواقعی هزینه تعمیرات بسیار زیاد خواهد بود.
یکی از آزمایش هایی که این شرایط را خیلی خوب مدل سازی می نماید. آزمایشD5494 ASTM می باشد که در آن از یک هرم برای ایجاد سوراخ استفاده می شود ولی این روش اغلب کمتر مورد استفاده قرار می گیرد. در عوض بیشتر از آزمایش D4833 برای اندازه گیری مقاومت سوراخ شدگی ژئوممبرین ها استفاده می شود چون این روش به وسیله تولیدکنندگان برای کنترل کیفیت مورد استفاده قرار می گیرد. برای انجام این آزمایش ژئوممبرین نمونه بر روی قالبی تو خالی یا رینگی به قطر 45mm به وسیله گیره هایی مهار می شود سپس این مجموعه داخل دستگاه فشار که میله ای به قطر 8mm با نوک تخت اما لبه های گرد در آن تعبیه شده قرار داده می شود. سپس دستگاه به میله فشار وارد می کند تا ژئوممبرین را سوراخ نماید.

آهنگ توصیه شده بارگذاری 300mm/min می باشد. حداکثر باری که بر روی دستگاه ثبت می شود به عنوان مقاومت سوراخ شدگی گزارش می گردد. مقادیر معمول مقاومت سوراخ شدگی برای ژئوممبرین تأثیر مسلح شدگی ژئوممبرین ها را به وضوح می توان مشاهده نمود. باید متذکر شد که قرار دادن یک ژئوتکستایل در بالا و یا پایین ژئوممبرین غیرمسلح، مقاومت سوراخ شدگی ژئوممبرین ها را به مقدار قابل توجهی افزایش می دهد و در واقع تمام بار را قبل از اینکه ژئوممبرین وارد عمل شود جذب می کند.

نتایج آزمایش سوراخ شدگی ژئوممبرین های HDPE با ضخامت های متغیر در شکل 4-4 نشان داده شده است. همانطور که انتظار می رود، هرچه ژئوممبرین ضخیم تر باشد. مقاومت سوراخ شدگی آن بیشتر است. پاسخ آزمایش تقریباً خطی می باشد. با استفاده از یک ژئوتکستایل بی بافت سوزن دوخت به وزن 400g/m2 در پشت یا جلو، بهبود مقاومت در برابر سوراخ شدگی کاملاً چشمگیر می باشد.

این مسئله با مشاهده خط فوقانی ملموس تر است، چنانچه در آن دو ژئوتکستایل مشابه در پشت و جلوی ژئوممبرین قرار داده شده است. واضح است که یک عملکرد ترکیبی در حال وقوع است.

اصطکاک بین خاک- ژئوممبرین

عامل مهم در طراحی مناسب ژئوممبرین های پوشش مورد استفاده در شیب های لندفیل های دفع پسماند. منابع ذخیره آب، کانال ها و غیره، مقاومت برشی بین خاک و ژئوممبرین می باشد. چنانچه اشاره شد و همچنین طبق تحقیق انجام یافته توسط کرنر و سونگ گسیختگی های بسیار فراهانی از این نوع به وقوع پیوسته است.

اغلب خاک پوشش در روی ژئوممبرین متحمل لغزش می شود اما بعضی مواقع ژئوممبرین دچار گسیختگی (یا از داخل ترانشه به بیرون کشیده می شود) و بر روی سطح زیرین حرکت می نماید. آزمایش استفاده شده در این حالت، حالت اصلاح شده آزمایش برش مستقیم است که برای اندازه گیری اصطکاک خاک در مهندسی ژئوتکنیک به کار می رود.