تحلیل اثرات شرایط محیطی بر کارایی ژئوممبران‌‌های مورد استفاده در محل دفن زباله

Home \ مقاله آموزشی \ تحلیل اثرات شرایط محیطی بر کارایی ژئوممبران‌‌های مورد استفاده در محل دفن زباله
ژئوممبران

تحلیل اثرات شرایط محیطی بر کارایی ژئوممبران‌‌های مورد استفاده در محل دفن زباله

اثرات محلول‌‌های اسیدی و قلیایی به عنوان نمونه مشابه سازی شده زباله در مقاومت شیمیایی ژئوممبران‌های (GMs)  از جنس پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) مورد بررسی قرار گرفت. نمونه‌‌های صاف و مضرس  هم به صورت آسیب دیده و هم دست نخورده در آب های اسیدی، قلیایی و مقطر (pH=4، ۱۲، ۸ و ۷) غوطه ور شدند و به ترتیب در دمای ۲۰، ۴۰، ۶۰ و ۸۰ درجه سانتیگراد قرار داده شدند. تنش کششی نمونه‌ها بطور دوره ای با استفاده از دستگاه تنسایل و ساختار پلیمر توسط میکروسکوپ روبشی بررسی می‌شود. ژئوممبران‌های HDPE آسیب دیده در برابر اسیدیته نسبت به ژئوممبران‌های HDPE دست نخورده مقاومت بسیار خوبی نشان داد. قابلیت انعطاف پذیری در درجۀ حرارت بالای ژئوممبران‌های HDPE در عوض باعث شد تا این ژئوممبران‌ها مقاومت کششی کمتری از خود نشان می‌دهد.

یکی از نگرانی‌‌های مطرح شده در مورد استفاده از ژئوممبران‌های HDPE، امکان ترک خوردگی آن تحت تنش است که به نوبه خود، نتیجه ای از بالا بودن میزان تبلور آن است.

ترک خوردگی تحت تنش، یک ترک خارجی و یا داخلی در یک قطعه پلاستیکی است که در اثر تنش کششی کمتر از مقاومت مکانیکی کوتاه مدت آن به وجود می‌آید (Koerner 2005).

مقاومت به ترک تنشی، که اغلب با آزمایشات مقاومت در برابر ترک خوردگی تنش محیطی تخمین زده می‌شود، یک پارامتر مهم برای ژئوممبران‌های HDPE بکار رفته در محل‌‌های دفن زباله است ( Giroud 2005؛ Rowe 2002).

عوامل موثر بر ترک خوردن ورق تحت تنش عبارتند از: میزان بار روی ورق، دمای آزمایش و محیط، ریزساختار ورق، افزودنی های پلیمر، نوع فرایند و تاریخچۀ حرارتی. بیشتر زباله‌ها در محل‌‌های دفع زباله‌‌های بهداشتی کرۀ جنوبی، زباله‌‌های غذایی تَر و زباله‌هایی هستند که محلول‌‌های آن‌ها در طول دوره‌‌های دفن زباله، دارای خاصیت اسیدی یا قلیایی است.در این مقاله، مقاومت در برابر ترک خوردن آهستۀ ژئوممبران‌های HDPE در چنین شرایطی از دفن زباله را با تحریک قلیایی و اسیدی ورق در آزمایشگاه ارزیابی کردیم.

برای آزمایش NCTL، نمونه‌ها برای مدت مشخصی در محلول‌‌های با pH 4 و ۸ تحت دمای ۴۰ درجه سانتیگراد و ۶۰ درجه سانتیگراد قرار گرفتند.

شرایط آزمایش در جدول ۱ آورده شده است. زمان پارگی برای آزمون مقاومت در برابر ترک خوردگی تحت تنش در ۵ نمونه در هر حالت در پایان مدت آزمایش اندازه گیری شد. میزان تنش اعمال شده از ۲۵٪ تا ۶۰٪ تنش تسلیم با افزایش ۵٪ بود.

جدول ۱ شرایط آزمایش NCTL

علاوه بر این، مورفولوژی سطوح نمونه‌ها با استفاده از الکترو میکروسکوپ روبشی (SEM)، قبل و بعد از آزمایش NCTL بررسی شد.

  • تجربی

نمونه های ژئوممبران در جهت های طولی دستگاه (MD)  و عرضی دستگاه (CMD)  با استفاده از دستگاه پانچ برش داده شدند.

تولید نمونه‌های دارای ناچ براساس آزمون NCTL از استاندارد ASTM D 5379، با برش کنترل شدۀ ۲۰% ضخامت در سطح مقطع نمونۀ شاهد انجام شد.

این کار هم برای نمونه‌‌های اصلی و هم موارد تحت شرایط قرارگرفته انجام شد، که مقاومت به ترک خوردگی در هر دو حالت اندازه گیری می‌شود.

 نتایج و بحث

برای اندازه گیری مقاومت شیمیایی بعد از شرایط محیطی اعمال بر روی نمونه‌‌های ژئوممبران، یک آزمایش ترک خوردگی تحت تنش نظیر تست NCTL انجام داده دشد.

شکل ۱ نتایج آزمایش NCTL را برای ژئوممبران‌ها درpH  ۴ و ۸ در دمای ۴۰ درجه و ۶۰ درجه سانتیگراد نشان می‌دهد. برای مواد اصلی (بدون تیمار) تنش تسلیم  پس از ۲۵۰ ساعت زمان شکست ۳۰٪ گزارش شد.

با مقایسۀ نمودارها در دو نمودار موجود در شکل ۱، تفاوت قابل توجهی بین محلول‌هایpH  ۴ و ۸ مشاهده نمی شود. این بدان معنی است که رفتار ترک خوردگی تحت تنش مستقل از تغییرات pH است.

با این حال، رفتار‌های ترک خوردگی تنشی نسبت به تغییرات دما حساس تر است؛ همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است درجۀ حرارت بالاتر، خاصیت مقاومت در برابر ترک را کاهش می‌دهد. به علاوه، نشان داده شده است که تفاوت معناداری بین جهت‌های CMD و MD و همچنین بین نمونه‌‌های S و T وجود ندارد.

شکل ۱ تغییرات تنش تسلیم (٪) نسبت به زمان شکست (ساعت). شرایط: pH 4 و ۸ درجه حرارت ۴۰ درجه و ۶۰ درجه سانتیگراد. (مخفف‌های انواع نمونه: CMD-S: جهت عرضی و نمونۀ صاف؛ MD-S: جهت طولی و نمونۀ صاف؛ CMD-T: جهت عرضی و نمونه دارای بافت؛ MD-T: جهت طولی و نمونه دارای بافت)

داده‌‌های بدست آمده برای pH 8 در دمای ۶۰ درجه سانتیگراد، انحراف بسیار کمی را در بین درصد تنش تسلیم نمونه‌‌های S و T و همچنین جهات CMD و MD تا حدود ۰٫۵ ساعت زمان اختلاف نشان می‌دهد.

اگرچه، پس از کاهش تنش تسلیم در ۲۵۰ ساعت به ۳۰٪ (همانند درصد تنش تسلیم در نمونۀ اصلی)، کلیه نمونه‌های آزمایش شده زیر دمای ۴۰ درجه سانتیگراد و ۶۰ درجه سانتیگراد به یک خط رفتاری مشابه رسیدند و درصد تنش تسلیم به کمتر از ۳۰٪ کاهش یافته است.

شکل ۲ درصد تنش تسلیم را در مقابل زمان تخریب در جهت عرضی ورق های ژئوممبران‌های HDPE غوطه ور به ترتیب در محلول اسیدی (pH= 4) و قلیایی (pH= 8) در دمای ۴۰ درجه سانتیگراد توصیف می‌کند.

شکل ۲ تنش تسلیم نسبت به لگاریتم میانگین زمان تخریب نمونۀ صاف در جهت عرضی (CMD) ژئوممبران‌های پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE ) در دمای ۴۰ درجه سانتیگراد

تفاوت محسوسی بین مقاومت در شرایط قلیایی (شکل ۲ b) و اسیدی (شکل ۲ a) مشاهده نشد. این نشان دهندۀ این موضوع است که در دمای یکسان، در هر دو شرایط اسیدی و قلیایی، انواع مختلف از ژئوممبران‌های HDPE دارای مقاومت به ترک خوردگی تحت تنش مشابهی هستند.

در نتیجه ژئوممبران‌های HDPE از مقاومت عالی در برابر شرایط اسیدی و قلیایی برخوردار هستند.

شکل ۳ تصاویر SEM از ژئوممبران‌های HDPE دارای ناچ در دمای ۸۰ درجه در محلول قلیایی (pH = 12) پس از ۱۲۰ روز قبل از (a) و بعد از (b) تست کششی.

ظاهر سطح ورق دارای ناچ (شکل ۳) و نمونه‌‌های بدون ناچ (شکل ۴) توسط SEM قبل و بعد از تست‌‌های کششی (در ۸۰ درجه سانتیگراد، ۱۲۰ روز) بدست آمد. پس از اینکه این ورق‌ها در دمای بالاتری طی مدت ۱۲۰ روز تحت تیمار قرار گرفتند، نیروی پارگی آن‌ها و افزایش طول بیشتر نمونه‌ها بطور چشمگیری تغییر کرد.

تغییرات مورفولوژی آشکاری در ورق‌ها پس از اعمال شرایط، به خصوص برای نمونه‌‌های شکاف دار، که پس از تیمار ترک‌هایی در سطح خود دارند به وجود آمده است (شکل ۳ b). همچنین می‌توانید در نمونه‌های بدون ناچ نیز ترک‌های غیرمشابهی را مشاهده کنید (شکل ۴ b).

ریزترک‌‌های سطحی قابل مشاهده در تصویرهای (b) نشان داده شده است. دلیل این امر این است که به دلیل وجود ناچ بر روی این نمونه ها، آن‌ها تحت بار‌های اعمال شده ترک و شکست خورده‌اند، اما نمونه‌‌های بدون شکاف این نوع ترک‌ها را پس از تست کششی نشان نمی‌دهند. ترک‌‌های قابل مشاهده در شکل ۴ ممکن است منجر به بروز شکست‌‌های خطی در ورق ژئوممبران شود.

شکل ۴ تصاویر SEM از ژئوممبران‌‌های HDPE بدون ناچ در دمای ۸۰ درجه سانتیگراد در محلول قلیایی (pH = 12) پس از ۱۲۰ روز قبل از (a) و بعد از (b) تست کششی.

در شکل ۵ نیز، پس از اعمال شرایط آزمونی NCTL در ماهیت سطح تغییراتی ایجاد شده است، اما، پس از اعمال تنش، هیچ ریزترک قابل مشاهده‌ای در سطح نشان داده نشده است. بنابراین آسیب دیدن (به وجود آمدن ناچ به دلایل مختلف) سطح ژئوممبران‌ها عامل مهمی است که باید مورد توجه قرار گیرد. این موضوع باعث ایجاد مشکلات شدیدی در تحمل بار و افزایش طول در نقطۀ تسلیم و شکستن و ایجاد میکروترک‌‌های سطحی ‌شود که کارایی ژئوممبران را تضعیف می کند.

در شکل ۵، ما وممبران‌‌های HDPE را در ۶۰ درجه سانتیگراد در محلول قلیایی (pH 8) انتخاب کردیم، زیرا، بر اساس مشاهدات انجام شده (همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است)، در تست مقاومت در برابر ترک تنشی در ۶۰ درجه سانتیگراد، ورق خواص مقاومتی کمتری را در مقایسه با ۴۰ درجه سانتیگراد نشان می‌دهد. بنابراین، ما فرض کردیم که ممکن است در نمونه‌‌های تیمار شده ترک‌‌هایی در سطح میکرو در ۶۰ درجه سانتیگراد رخ دهد.

شکل ۵ تصاویر SEM از ژئوممبران‌های HDPE در دمای ۶۰ درجه در محلول قلیایی (pH = 8) قبل و بعد از آزمایش NCTL

به علاوه، تغییرات خاصیت مقاومت در برابر ترک تنشی مستقل از مقادیر pH است. با این وجود، هیچ گونه میکروترکی در سطح ورق در این دما مشاهده نمی شود. این بدان معنی است که درجه حرارت بین ۴۰ تا ۶۰ درجه سانتیگراد در ایجاد ترک در ساختار ژئوممبران‌های قرار گرفته در محلول‌‌های اسیدی یا قلیایی تأثیر نمی گذارد و همچنین در شرایط ذکر شده مقاومت به ترک خوبی نشان می دهد. یکی از این دلایل می‌تواند درجۀ بالای کریستالی بودن HDPE باشد که در نتیجۀ تعداد بیشتری مولکول گره خورده، وزن مولکولی بالاتر و زنجیره‌‌های پلیمری طولانی تر است.

 نتیجه گیری

مقاومت در برابر ترک تنشی مستقل از تغییرات pH است، اما به طور قابل توجهی به درجه حرارت‌ بستگی دارد ؛ به این صورت که درجۀ حرارت بالاتر، مقاومت ورق به ترک تحت تنش را کاهش می‌دهد. نمونه‌‌های دارای شکاف در زیر بار‌های کششی و شرایط آزمایش شده، میکروترک‌‌هایی را روی سطح نشان داد که این میکروترک‌ها در نمونه‌‌های بدون شکاف به هیچ وجه دیده نمی‌شود. به علاوه، دمای بین ۴۰ تا ۶۰ درجه سانتیگراد در ایجاد هیچگونه ترکی در ساختار ژئوممبران‌های تحت محلول‌های اسیدی یا قلیایی تأثیر نمی گذارد و در شرایط ذکر شده مقاومت خوبی در برابر ترک نشان می‌دهد.

  • منابع

  1. Koerner RM (2005) Designing with Geosynthetics, 5th Edition, Person Education Inc., NewJersey, USA
  2. Giroud JP (2005) Quantification of geosynthetic behavior Geosynthetics International, 12 (1): 2-27
  3. ASTM 5397-99 (2005) Standard Test Method for Evaluation of Stress Crack Resistance of Polyolefin Geomembranes Using Notched Constant Tensile Load Test.
  4. Rowe RK, Sangma􀀃HP (2002) Durability of HDPE geomembranes, Geotextile and Geomembrane, 20: 77-95.
ABOUT THE AUTHOR: نویسنده

RELATED POSTS

LEAVE YOUR COMMENT

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *