یکی از حیاتیترین سوالات در پروژههای عمرانی و محیطزیستی، بهویژه در سایتهای دفن پسماند (لندفیل) و مخازن آب، این است: “ژئوممبران در برابر عوامل محیطی، بهویژه تابش خورشید، چقدر دوام میآورد؟”
ژئوممبرانها به دو صورت اکسپوز (روباز) و ناناکسپوز (مدفون) استفاده میشوند. در حالت اکسپوز، ژئوممبرانها در معرض تابش فرابنفش (UV)، تغییرات دمایی، باد و باران قرار دارند که میتواند باعث کاهش عمر مفید آنها به حدود ۳۰ سال شود. اما در حالت ناناکسپوز، با پوششهایی مانند خاک یا بتن، از این عوامل محافظت شده و عمرشان تا ۱۰۰ سال افزایش مییابد(ICOLD, 2010; Reclamation, 2014).
تخریب پلیمرها یک فرآیند پیچیده است که توسط مکانیسمهای مختلفی از جمله اکسیداسیون، هیدرولیز، و عوامل شیمیایی تسریع میشود. اما بدون شک، تابش فرابنفش (UV) یکی از مخربترین عوامل برای ژئوممبرانهای نمایان (Exposed) به شمار میرود.
برای محافظت از ژئوممبران در برابر این اثرات، حدود ۲ تا ۳ درصد کربن سیاه به مواد اولیه اضافه میشود. کربن سیاه یک پودر ریز کربنی (Fine Carbon Powder) است که به رزین افزوده میشود تا ورق ژئوممبران در برابر تابش مستقیم خورشید و آسیبهای محیطی مقاوم شود.
چرا نور UV اینقدر مخرب است؟
پاسخ در انرژی فوتون نهفته است. انرژی فوتون با طول موج آن رابطه عکس دارد. نور فرابنفش، با کوتاهترین طولموج در طیف نور خورشید (کمتر از ۴۰۰ نانومتر)، دارای بالاترین انرژی است. این فوتونهای پرانرژی میتوانند پیوندهای کووالانسی در زنجیرههای پلیمری را شکسته و منجر به ایجاد رادیکالهای آزاد، اکسیداسیون و در نهایت، کاهش شدید خواص مکانیکی (مانند مقاومت کششی و ازدیاد طول) شوند.
طبق مطالعات (Koerner & Koerner, 2017) بخش فرابنفش به سه زیربخش تقسیم میشود:
- UV-A (بین ۴۰۰ تا ۳۱۵ نانومتر): که موجب برخی آسیبهای پلیمری میشود.
- UV-B (بین ۳۱۵ تا ۲۸۰ نانومتر): که موجب آسیبهای شدید پلیمری و شکست پیوندهای شیمیایی میگردد.
- UV-C (بین ۲۸۰ تا ۱۰۰ نانومتر): این بخش بیشترین انرژی را دارد اما به دلیل جذب شدن توسط لایه اوزون، به سطح زمین نمیرسد. بنابراین در شرایط طبیعی و قرارگیری ژئوممبران در فضای باز، این بخش نقشی در تخریب آن ندارد؛ مگر در کاربردهای خاصی که از منابع مصنوعی UV-C استفاده میشود.
نمودار پیوست شده به وضوح نشان میدهد که:
- شدت تابش UV در تابستان به مراتب بیشتر از زمستان است (تابش شدیدتر فرابنفش در تابستان به این معنی است که تعداد فوتونهای پرانرژی که در واحد زمان به سطح ژئوممبران برخورد میکنند، بسیار بیشتر است)
- هرچه طولموج کوتاهتر شود (به سمت UV-B)، انرژی تخریبکننده افزایش مییابد.
- نقطه آغاز تخریب برای پلیمرهای مختلف متفاوت است (مثلاً PE ~300nm، PET ~325nm).
شکل ۱ طیف طول موج نور مرئی و تابش UV خورشیدی (نمودار برگرفته از Q-Panel Co., کلیولند، اوهایو)
مقاومت ژئوممبرانها را در برابر UVچگونه اندازهگیری می شود؟
برای ارزیابی دوام واقعی ژئوممبرانها، آزمایشهای شتابدهی شده مطابق استاندارد (GRI-GM13, 2021) و (ASTM_D7238, 2013) انجام میشود. در این آزمایش، نمونهها تحت چرخههای تکراری تابش UV با لامپ فلورسنت UVA-340 و میعان رطوبت قرار میگیرند. چرخه استاندارد شامل ۲۰ ساعت تابش در دمای ۷۵°C و ۴ ساعت میعان در دمای ۶۰°C است، بهگونهای که اثرات نور خورشید، رطوبت و دمای محیط بهطور واقعی شبیهسازی میشود. پس از دورههای آزمایش (معمولاً ۱۶۰۰ ساعت)، خواص مکانیکی و شیمیایی نمونهها با مقادیر اولیه مقایسه میشوند. مطابق GRI-GM13، ژئوممبرانهای HDPE باید حداقل ۵۰ % از High Pressure OIT (ASTM_D5885, 2015) اولیه خود را حفظ کنند و برای ژئوممبرانهای LLDPE این مقدار حداقل ۳۵٪ است.
این آزمایشها نهتنها یک معیار کنترل کیفیت دقیق فراهم میکنند، بلکه امکان پیشبینی عمر سرویسدهی ژئوممبرانها در شرایط محیطی سخت را به مهندسان و طراحان ارائه میدهند.
شکل ۲ مشخصات فنی ژئوممبرانهای HDPE مطابق با استاندارد GRI-GM13
منبع :
ASTM_D5885. (2015). Standard test method for oxidative induction time of polyolefin geosynthetics by high-pressure differential scanning calorimetry. In: ASTM International West Conshohocken, PA, USA.
ASTM_D7238. (2013). Standard Test Method for Effect of Exposure of Unreinforced Polyolefin Geomembranes Using Fluorescent UV Condensation Apparatus. In. est Conshohocken, PA: ASTM International. www.astm.org
GRI-GM13. (2021). Test Methods, Properties, and Frequencies for High Density Polyethylene (HDPE) Geomembranes. In. Folsom, Pennsylvania, USA: Geosynthetic Research Institute (GRI).
ICOLD. (2010). Geomembrane Sealing Systems for Dams–Design Principles and Review of Experience. In: ICOLD Paris, France.
Koerner, G. R., & Koerner, R. M. (2017). The durability of exposed geomembrane covers. In Geotechnical Frontiers 2017 (pp. 139-147). https://doi.org/https://doi.org/10.1061/9780784480433.015
Reclamation, U. (2014). Chapter 20: geomembranes phase 4 (Final). Design Standards(13).
