خوب، بهتر و بهترین ژئوممبران های HDPE در کاربردهای مهندسی محیط زیست

Home \ مقاله آموزشی \ خوب، بهتر و بهترین ژئوممبران های HDPE در کاربردهای مهندسی محیط زیست

   هر نسلی موظف است حداقل به خاطر فرزندان خود از محیط زیست محافظت کند. در نتیجه خاک و آب پاک و تمیز مورد نیاز است. از ۴۰ سال پیش تا کنون ژئوممبران های HDPE در پروژه های زیست محیطی مورد استفاده قرار می گیرند که تا به امروز تجربه موفقیت امیزی بوده اند. کیفیت عملکرد ژئوممبران ها به طراحی، نصب و در نهایت به ذات ماده بستگی دارد. کاربردهای مختلف ملزومات متنوعی از نظر کیفیت مواد و عامل ایمنی در طراحی دارند. تشخیص بصری ژئوممبران های مشکی رنگ مختلف که برای اهداف و کاربردهای گوناگون و طول عمر متفاوت ساخته شده اند، دشوار است.

   این مقاله به روشنی نشان می دهد که چگونه بین خصوصیات، روشهای آزمون و سطح کنترل کیفیت تفاوت قائل شوید. نمونه هایی برای کاربردهایی که نیاز به کیفیتی مطابق با “مناسب برای هدف”، “پیشرفته ترین” و “با عملکرد بالا” دارند در این مقاله آورده شده است.

مقدمه

   ژئوممبران ها (GMB) برای اهداف مختلفی طراحی شده اند. بیشتر آنها مشکی رنگ هستند زیرا در بین پایدارکننده های دیگر به طور معمول در انها از پایدارکننده کربن بلک (دوده) استفاده می شود. کاربردهای مختلف نیاز به ژئوممبران های متنوعی از پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) دارند. بنابراین از ژئوممبرانهای نازک و ضخیم تر با کیفیت های مختلف ماده اولیه (PE (Poly-Ethyleneو همچنین با فرمولاسیون های مختلف استفاده می شود.

   برای استفاده مهندسی از عایق های ژئوسنتتیک (GBR) مشخصات دقیقی برای تعریف واضح کیفیت مواد و کیفیت نصب لازم است. اگر طراحی سیستم پوشش دهی غلط باشد، حتی بهترین محصول ممکن است تخریب شود. برای استفاده موفقیت آمیز از هر ژئوممبران، بایستی به عناصری از جمله: مواد، نصب و طراحی با روشی مناسب پرداخته شود. برای کاربردهای ژئوتکنیکی نه تنها عملکرد کوتاه مدت بلکه رفتار طولانی مدت نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار می شود.

   پوشش دهی مناطق وسیع با ژئوممبران های HDPE در اوایل دهه ۱۹۷۰ در آلمان انجام شد. محل دفن زباله گارلینگ در شمال آلمان اولین پروژه بزرگ بود. در آلمان ژئوممبران های HDPE به عنوان ورق های پلیمری مسطح با ضخامت حداقل ۱ میلی متر، عرض چند متر و طول چند ده متر، ساخته شده از پلی اتیلن با چگالی متوسط تا بالا تعریف می شوند (مولر ، ۲۰۰۷). به طور معمول به دلیل داشتن کربن بلک ریز که برای محافظت از آنها در برابر اشعه ماورا بنفش به آنها  اضافه شده است، مشکی رنگ هستند. برای برخی از کاربردهایی که در معرض دید هستند ژئوممبران های HDPE رنگی نیز توصیه می شود. استفاده از ژئوممبران های HDPE برای انجام کارهای جزئی در مهندسی هیدرولیک به دهه ۱۹۶۰ برمی گردد (مولر ، ۲۰۰۷).

   امروزه از ژئوممبران های HDPE در دامنه وسیعی از کاربرد استفاده می شود. در این مقاله یک مرور کوتاه در مورد چگونگی تمایز بین مواد مناسب بر اساس “مناسب برای هدف”، “کیفیت استاندارد رایج” و “با عملکرد بالا” ارائه شده است.

الزامات:
عملکرد موفقیت آمیز عایقهای ژئوسنتتیک به طراحی خوب سیستم پوشش دهی، نصب صحیح آنها و کیفیت مواد بستگی دارد.

به عنوان مثال یک طراحی بد می تواند شامل موارد زیر باشد:

  • استفاده از ژئوممبران با سطح صاف در شیب های تند
  • ژئوممبران های تحت تنش کششی دائمی
  • قرار دادن ژئوممبران جوشکاری شده در شفت لوله بدون در نظر گرفتن محل استقرار احتمالی زیر پایه
  • تعبیه نکردن محل تخلیه گاز در زیر ژئوممبران در سیستم پوشش دهی دفن زباله
  • استفاده از ژئوممبران های بسیار نازک برای جوشکاری مطابق بر اصل پیشرفته ترین
  • استفاده از لایه محافظ بسیار نازک بین ژئوممبران و لایه شن یا عدم استفاده از  لایه محافظ
  • استفاده از یک لایه محافظ بین پوشش معدنی و ژئوممبران
  • استفاده از ژئوکامپوزیت هایی با زه کشی ناکارآمد

شکل (۱) نشان دهنده ی نمونه از یک طراحی خوب از سیستم پوشش دهی محل دفن زباله با استفاده از ژئوممبرانی است که در میان یک پوشش ژئوسنتتیک رسی( Geosynthetics Clay liner(GCL و ژئوتکستایل سنگین بدون موج (بدون بافت) به خوبی محافظت شده است.

شکل ۱٫ سطح مقطع یک سیستم پوشش دهی اصلی در محل دفن زباله که به خوبی طراحی شده است

برای مثال نصب اشتباه می تواند شامل موارد زیر باشد:

  • Ballasting ژئوممبران هایی که دارای چروکیدگی هستند
  • جوشکاری نامناسب
  • آسیب رساندن به ژئوممبران ها در هنگام کار در محل
  • تعداد زیاد درز و محل های جوشکاری
  • ژئوممبران هایی با بافت های متفاوت که به صورت وارونه نصب شده اند
  • Ballasting پوشش ژئوممبران رسی (GSL)
  • نصب ژئوممبران در زیر محل های اشتباه (به عنوان مثال سنگهای تیز و حفره ها)
  • Ballasting با استفاده از پوشش نامناسب خاکی

مسئله مهم به هنگام نصب ژئوممبرانهای پوشش داده شده این است ژئوممبران بدون چین و چروک ballast و از هرگونه تنش کششی دائمی در ژئوممبران ها جلوگیری شود. شکل ۲ نمونه خوبی از نصب بدون چین و چروک را نشان می دهد.

شکل ۳٫ تخریب بر اثر رشد آهسته ترک در ژئوممبران های ساخته شده از رزین HDPE"ضعیف"

شکل ۲٫ نصب ژئوممبران های HDPE بدون چین و چروک

  در دهه ۱۹۸۰ تخریب‌های زیادی بر اثر رشد آهسته ترک ها مشاهده شد. تقریباً همه‌ی آن ها در حوضچه هایی قرار داشتند که عمدتا بالاتر از سطح مایع بودند (کورنر ، ۲۰۰۴). با استفاده از رزین هایی با مقاومت در برابر ترک خوردگی در برابر تنش محیطی (ESCR  (Environmental Stress Crack Resistance، سالهاست که این مشکل دیگر وجود ندارد (کورنر و هسوان، ۱۹۹۳). امروزه خرابی های جدیدی مشاهده شده است (شکل ۳)، زیرا برخی از تولید کنندگان جدید از رزین های مشکوک با تراکم بالاتر و ESCR خیلی کم استفاده می کنند. در دراز مدت، تخریب HDPE می تواند به دلیل قرار گرفتن در معرض نور ماوراء بنفش، اکسیداسیون و به دلیل ESCR  نامناسب رخ میدهد.

HDPE   در سراسر جهان مورد استفاده قرار گرفته و همچنین تولید می شود. الزام  Geosynthetics Research Institute )GRI GM-13) به عنوان یک استاندارد جهانی برای تولید کنندگان ژئوممبران HDPE در نظر گرفته می شود. تولیدکنندگان کیفیت های متفاوتی دارند، زیرا کاربردهای مختلف،  الزامات متفاوتی برای کیفیت مواد دارند. برای تمایز بین ژئوممبران های مشکی و ژئوممبران های HDPE مشکی، که برای اهداف مختلف، کاربردهای مختلف و طول عمرهای متفاوت ساخته شده اند، به جدول شماره (۱) توجه کنید که به روشنی نحوه تفکیک کیفیت ها را نشان می دهد. از نظر نویسنده کیفیت را می توان چنین تعریف کرد:

   ژئوممبران های HDPE  “خوب” محصولاتی هستند که فقط به اندازه ای خوب هستند که می توانند برای ۵ تا ۱۰ سال کار با دوام داشته باشند. چنین کیفتی برای “ورق مشکی” تنها به حداقل آزمایش کنترل کیفیت (بدون کنترل شخص ثالث) نیاز دارد و ضخامت آن حدود ۰٫۵ میلی متر است. آنها “مناسب برای هدف” هستند و می توانند در کاربردهایی مانند کشاورزی، استخرهای کوچک و پوشش دهی موقت مورد استفاده قرار گیرند.

  • ژئوممبران های  HDPE “بهتر” را می توان به عنوان “کیفیت استاندارد رایج” یا “پیشرفته ترین کیفیت” طبقه بندی کرد که بیش از ۲۵ سال استفاده خواهد شد. ضخامت محصول در صورت دفن شدن حداقل ۱ میلی متر است. برای کاربردهای در معرض هوا، حتی از ژئوممبران های ضخیم تر نیز استفاده می شود که بسته به مدت زمان قرار گرفتن در معرض آن است. کاربردهای معمول آن کانال ها، تالاب ها، استخر پرورش آبزیان، مهارکنندگان ثانویه و ضد آب است.

ژئوممبرانهای HDPE “بهترین” را می توان “کیفیت با کارایی بالا” نامید که در ضخامت حداقل ۱٫۵ تا ۲ میلی متر در پروژه های پوشش دهی برای طول عمر ۵۰ تا ۱۰۰ سال مورد استفاده قرار خواهد گرفت. این محصول با ضخامت کافی همچنین می تواند برای دهه ها در کاربردهای در معرض هوا مورد استفاده قرار گیرد. بیشتر پروژه های مهم مانند مراکز دفن زباله، استخراج از معادن (شکل ۴)، سدها، پوشش های شناور و در تونل سازی، ژئوممبران های “با عملکرد بالا” مورد نیاز است.

شکل ۴٫ پروژه استخراج

جدول شماره (۱): مشخصات ژئوممبران HDPE

خصوصیات دیگر مربوط به پروژه های خاص هستند:

  • تنگی آب (EN 14150)
  • تنگی گاز (ASTM D 1434)
  • مقاومت شیمیایی در موارد استفاده در محل های دفن زباله (EN 14414)
  • مقاومت در برابر نشتی (EN 14415)
  • مقاومت در برابر نفوذهای ریشه ای (EN 13948)
  • مقاومت در برابر نفوذ ریزوم (FLL ، ۲۰۰۸)
  • ویژگی های سایش در سطح نسبت به خاک یا ژئوسنتز (ISO 12957-1)
  • مقاومت میکروبیولوژیکی (EN 12225)

روش آزمون جدید برای مقاومت ترک خوردگی تنشی

به طور معمول، طول عمری ۵۰ ساله یا بیشتر برای سیستم های ژئوممبران HDPE مورد نیاز است و مقاومت در برابر رشد آهسته ترک ها یکی از مهمترین ویژگی های مواد برای عملکرد طولانی مدت است. آزمون تنش کششی ثابت  (NCTL, ASTM D5397) روش آزمون استاندارد برای ارزیابی مقاومت در برابر ترک خوردگی تنشی است.

شکل ۵٫ مدول تنش کرنش در یک نقشه کششی تک محوری

کورلک و همکاران (۲۰۰۵) روش آزمایشی جدیدی را برای تعیین مقاومت مواد لوله از جنس HDPE در برابر رشد آهسته ترک توسط آزمایش کششی انجام شده در ۸۰ درجه سانتیگراد بدون استفاده از سورفاکتانتها معرفی کردند. آنها نشان دادند که شیب منحنی تنش در یک آزمون کششی (شکل ۵) بالاتر از نسبت کشش طبیعی آن (یعنی مدول سخت شدن کرنش) با زمان شکست اندازه گیری شده تعیین شده توسط آزمون های ESCR معمولی ارتباط خوبی دارد. اثر دمای بالای ۸۰ درجه سانتیگراد ایجاد تحرک زنجیره ای پیشرفته در داخل انتشار زنجیره حالت جامد کریستالی است که از طریق فاز بلوری و برش کریستال بعدی ایجاد می شود.

در حال حاضر، SKZ  مرکز پلاستیک آلمان ، آزمایشاتی را بر روی ژئوممبران های مختلف HDPE انجام می دهد تا همبستگی خوب (شکل ۶) مدول تنش کرنش با داده های آزمون سنتی ESCR را تأیید کند. روش جدید آزمون تنش کرنش Engelsing و  (۲۰۱۲) Zanzinger  بسیار سریع است. در مقایسه با تست های NCTL می توان مدول تنش کرنش   <Gp> را در عرض چند ساعت تعیین کرد در حالی که آزمایش یک ماده استاندارد با استفاده از روش NCTL صدها ساعت طول می کشد. از روش آزمون می توان برای صدور گواهینامه ژئوممبران های   (SKZ GB-1) HDPE استفاده کرد.

شکل ۶٫ مقایسه مدول تنش کرنش با زمان شکست SP-NCTL

کنترل کیفیت و اطمینان از کیفیت در ساخت و نصب ژئوممبران ها

   برای هر ژئوممبران باید یک سیستم کنترل کیفیت (QC) مشخص ایجاد شود. جداول ۲ تا ۴ برای هر “کیفیت ژئوممبران” یک سیستم QC ویژه با فرکانس تست در حین تولید توسط تولید کننده، نمونه برداری و آزمایش توسط شخص ثالث در کارخانه و در محل ساخت پیشنهاد می دهد. سیستم های کنترل تولید کارخانه(FPC) ، تضمین کیفیت ساخت(MQA) و تضمین کیفیت ساخت (CQA) در زیر تعریف شده است:

  FPC یک سیستم بازرسی برنامه ریزی شده است که برای نظارت و کنترل مستقیم تولید یک محصول در یک کارخانه استفاده می شود. این توسط تولید کنندگان ژئوسنتتیک انجام می شود و برای اطمینان از مقادیر مشخص شده در محصول لازم است.

MQA یک سیستم برنامه ریزی شده از فعالیت ها است که این اطمینان را حاصل می کنند که مواد به صورت مشخص ساخته شده اند. MQA شامل بازرسی از تأسیسات تولید، تأیید، بازرسی و ارزیابی مواد اولیه و ژئوسنتتیک با نمونه گیری و آزمایش در آزمایشگاه شخص ثالث معتبر برای تعیین کیفیت محصول می باشد.

CQA یک سیستم برنامه ریزی شده برای فعالیتها است که به مالک و آژانس مجاز اجازه می دهد تا تأسیسات طبق آنچه در طرح مشخص شده است ساخته شود. CQA شامل بازرسی، راستی آزمایی، ممیزی در محل ساخت و ارزیابی مواد و طرز کار است. CQA به اقدامات انجام شده توسط شخص ثالث برای تعیین انطباق و هماهنگی نصاب یا یک پیمانکار با برنامه ها و مشخصات پروژه اشاره دارد.

جدول ۲٫ کنترل کیفیت در "ورق مشکی" - ژئوممبران های HDPE

جدول ۳٫ کنترل کیفیت در "استاندارد" - ژئوممبران های HDPE

دول ۴٫ کنترل کیفیت در "عملکرد بالا" - ژئوممبران های HDPE

الزامات آزمایشگاه ژئوسنتتیک شخص ثالث عبارتند از:

  • اعتبار سنجی مطابق با ISO 17025 برای اکثر روشهای آزمون ذکر شده در بالا
  • پیمانکاری ازمون آزمایشات در سایر آزمایشگاه های معتبر باید از این قاعده مستثنی باشد
  • امکانات آزمایش با آب و هوای مناسب آزمایش
  • تجربه در آزمایش ژئوممبران های HDPE
  • مشارکت فعال در استاندارد سازی ژئوسنتتیک
  • شرکت منظم در آزمونهای مستقل مقایسه بین روشهای آزمون مربوطه
  • مستقل و جدا از هر تولید کننده ژئوسنتتیک

نتیجه گیری

لازم است با توجه به عمر مفید و کاربرد، محصول مناسبی برای پروژه انتخاب کنید. برای اطمینان از این موضوع، مشخصات صحیح از طریق کنترل کیفیت که توسط کنترل شخص ثالث انجام می شود، اقدامی پیشرفته است. در هر پروژه طرفین می بایستی در مورد حداقل های مورد نیاز به توافق برسند. طول عمر مورد نیاز یک ژئوممبران HDPE باید برای هر پروژه نشان داده شود. در برخی از کاربردهای ساده باید فقط چند سال دوام داشته باشند و برای برخی دیگر باید برای دهه ها یا حتی صدها سال عمر کنند. سه دسته ژئوممبران “مناسب برای هدف”، “پیشرفته” و “با عملکرد بالا” با حداقل مقادیر خاص برای خواص مورد نیاز و روشهای آزمایش در مقاله تعریف شده اند. برای هر کیفیت از ژئوممبران HDPE، حداقل آزمایش همراه با حداقل فرکانس های آزمایش برای کنترل کیفیت داخلی و آزمایش شخص ثالث خارجی پیشنهاد می شود. رنگ مشکی زیبا است اما آزمایش برای جدا کردن ژئوممبران های HDPE “خوب” از “بهتر” و “بهتر” از “بهترین” برای یافتن محصول مناسب برای الزامات خاص کاملاً ضروری است.  از مشخصات ارائه شده در این مقاله به وضوح می توان فهمید که تفاوت معقولی بین این محصولات وجود دارد. این موضوع باید قبل از هرگونه برنامه ریزی برای به کار بردن  ژئوممبران های HDPE در پوشش دهی در نظر گرفته شود.

مراجع و ماخذ:

ASTM D 5596-03(2009). Standard Test Method for Microscopic Evaluation of the

Dispersion of Carbon Black in Polyolefin Geosynthetics

ASTM D 1434-82(2009) e1. Standard Test Method for Determining Gas Permeability

Characteristics of Plastic Film and Sheeting

ASTM D 1603-11. Standard Test Method for Carbon Black Content in Olefin

Plastics

ASTM D 5397-07. Standard Test Method for Evaluation of Stress Crack Resistance

of Polyolefin Geomembranes Using Notched Constant Tensile Load Test

ASTM D 5885-06. Standard Test Method for Oxidative Induction Time of

Polyolefin Geosynthetics by High-Pressure Differential Scanning

Calorimetry

ASTM D 5994-10. Standard Test Method for Measuring Core Thickness of Textured

Geomembrane

ASTM D 6241-04(2009). Standard Test Method for the Static Puncture Strength of

Geotextiles and Geotextile-Related Products Using a 50-mm Probe

DIN 61551:2008. Geosynthetics – Determination of burst strength

DIN EN ISO 527-3:2003. Plastics – Determination of tensile properties – Part 3: Test

conditions for films and sheets (ISO 527-3:1995 + Corr 1:1998 +

Corr 2:2001) (includes Corrigendum AC:1998 + AC:2002)

EN 12224:2000. Geotextiles and geotextile-related products – Determination of the

resistance to weathering;

EN 13948:2008. Flexible sheets for waterproofing – Bitumen, plastic and rubber

sheets for roof waterproofing – Determination of resistance to root penetration

EN 14150:2006. Geosynthetic barriers – Determination of permeability to liquids

EN 14414:2004. Geosynthetics – Screening test method for determining chemical

resistance for landfill applications

EN 14415:2004. Geosynthetic barriers – Test method for determining the resistance

to leaching

EN 14575:2005. Geosynthetic barriers – Screening test method for determining the

resistance to oxidation;

EN 14576:2005. Geosynthetics – Test method for determining the resistance of

polymeric geosynthetic barriers to environmental stress cracking

EN 12225:2000. Geotextiles and geotextile-related products – Method for

determining the microbiologicalresistance by a soil burial test

Engelsing, K. and Zanzinger, H. (2012). “A new accelerated test method for stress

crack resistance of HDPE geomembranes.” Second Pan American

Geosynthetics Conference & Exhibition, GeoAmericas 2012, Lima, Perú –

May 2012 (to be published).

FLL (2008). Procedure for investigating resistance to root penetration at green-roof

sites. FLL – Guidelines for the Planning, Construction and Maintenance of

Green Roofing. Appendix 3 (1999 edition, with editorial changes dated

۲۰۰۲/۲۰۰۸). FLL – Forschungsgesellschaft Landschaftsentwicklung

Landschaftsbau e.V. (Research Society for Landscape Development and

Landscape Construction).

GRI Test Method GM13 (2011). Standard Specification for “Test Methods, Test

Properties and Testing Frequency for High Density Polyethylene (HDPE)

Smooth and Textured Geomembranes (Revision 10)

Hsuan, Y.G. and Koerner, R.M. (1993). Stress Cracking Resistance of High Density

Polyethylene Geomembranes. ASCE, Journal of Geotechnical Engineering,

Vol. 119, No. 11: 1840-1858.

ISO 11357-6:2008. Plastics – Differential scanning calorimetry (DSC) – Part 6:

Determination of oxidation induction time (isothermal OIT) and oxidation

induction temperature (dynamic OIT)

ISO 11358:1997. Plastics – Thermogravimetry (TG) of polymers – General principles

ISO 1183-1:2004. Plastics — Methods for determining the density of non-cellular

plastics – Part 1: Immersion method, liquid pyknometer method and titration

method

ISO 12236:2006. Geosynthetics – Static puncture test (CBR test)

ISO 12957-1:2005. Geosynthetics – Determination of friction characteristics – Part 1:

Direct shear test

ISO 13438:2004. Geotextiles and geotextile-related products – Screening test method

for determining the resistance to oxidation

ISO 14632:1998. Extruded sheets of polyethylene (PE-HD) – Requirements and test

methods

ISO 9863-1:2005. Geosynthetics – Determination of thickness at specified pressures –

Part 1: Single layers

Koerner, R.M. (2004). Environmental Stress Cracking of HDPE Geomembranes. 1st

‘Video’ & ‘Internet’-Conference on Geomembranes. 16/17 March 2004,

Hamburg, Germany.

Kurelec, L., Teeuwen, M., Schoffeleers, H. and Delieck, R. (2005). Strain hardening

modulus as a measure of environmental stress crack resistance of high density

polyethylene, Polymer 46: 6369-6379.

Müller, W. (2007). HDPE Geomembranes in Geotechnics. Springer-Verlag Berlin

Heidelberg.

SKZ GB-1:2012. Prüf- und Überwachungsbestimmungen – Richtlinie für PEHD

Kunststoffdichtungsbahnen – Guideline for HDPE geomembranes. (under

development)

ABOUT THE AUTHOR: نویسنده

RELATED POSTS

LEAVE YOUR COMMENT

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