تهیه کنندگان: محمد بلوچی، زینب قناد (دفتر پشتیبانی مدیریت پروژهها)
چکیده:
طی نیم قرن اخیر استفاده از مواد و مصالح مصنوعی در پروژه های مهندسی عمران پیشرفت وسیعی داشته است. با ابداع مواد مصنوعی با دوام و قابل اطمینان، مصالحی با عنوان ژئوسنتتیک به دنیا معرفی شد. این مصالح به صورت مصنوعی از مواد لاستیکی و پلاستیکی ساخته می شود و بسته به نوع کاربرد و عملکرد مورد انتظار با اشکال و خواص مختلف تولید می شوند. به علت کاربرد وسیع، سرعت اجرا و قیمت مناسب، تولید و مصرف این مصالح به شدت در حال رشد است. طبق آمار منابع رسمی میزان فروش مصالح ژئوسنتتیک در آمریکا از 2/1 میلیارد دلار در سال 2007 به 2/2 میلیارد دلار در سال 2008 رسیده و پیش بینی می شود در سال 2013 به 2/3 میلیارد دلار برسد. ژئوسنتتیک ها در پروژه های صنعتی، سدسازی، راه سازی، سازه هایی از قبیل دیوار حایل، به سازی خاک و سایر پروژه ها که با خاک مرتبط هستند کاربرد گسترده ای دارند. در ادامه سعی شده تا مهم ترین اعضای گروه ژئوسنتتیک ها به همراه ساختار فیزیکی و شیمیایی و کاربرد آن ها در مهندسی عمران و محیط زیست معرفی شوند.
مقدمه:
ژئوسنتتیک ها موادی هستند که همگام با پیشرفت صنعت پتروشیمی با استفاده از انواع مختلف پلیمرها ساخته می شوند و استفاده از آن ها به عنوان مصالحی جدید در طرح های آب و خاک مورد استقبال قرار گرفته است. به طور کلی ژئوسنتتیک عنوانی فراگیر برای توصیف صفحات نازک و انعطاف پذیری است که در داخل توده خاک یا در ارتباط با مصالح خاکی با اهداف مختلفی مانند مسلح سازی، جداسازی، عایق بندی رطوبتی، مهار فرسایش، ایفای نقش صافی (فیلتر)، زه کشی و غیره مورد استفاده قرار می گیرند. در بسیاری از موارد، این ورقه ها ممکن است ترکیبی از وظایف مذکور را به عهده داشته باشند. خواص فیزیکی و مکانیکی ژئوسنتتیک ها هم چون استحکام، نفوذناپذیری، مقاومت در برابر فرسایش و از همه مهم تر مقاومت کششی فوق العاده بالای آن ها نسبت به وزنشان باعث به وجود آمدن گستره وسیعی از کاربرد این مواد در طرح های عمرانی شده است. از این مصالح در زمینه های مختلف از قبیل بهبود وضعیت خاک، اصلاح موارد زیست محیطی، هیدرولیک و سازه های هیدرولیکی و حمل و نقل استفاده می شود. به عنوان مثال از این مصالح جهت احداث دیوار مجاور سرریز (در پروژه سیاه بیشه) به خوبی استفاده شد و صرفه جویی خوبی در زمان پروژه صورت گرفت.
کاربرد ژئوسنتتیک ها:
مهم ترین کاربردهای ژئوسنتتیک ها جداسازی1، فیلتریزاسیون2 ، زه کشی3 ، تسلیح4 ، جلوگیری از نشت سیالات یا حفاظت در مقابل فرسایش5 است. در بعضی از موارد یک محصول دو کاربرد را به صورت هم زمان برآورده می کند.
کاربرد ژئوسنتتیک ها
انواع ژئوسنتتیک ها:
ژئوسنتتیک ها به شش گروه اصلی ژئوتکستایل ها6، ژئوممبرین ها7، ژئوگریدها8، ژئوفوم ها9، ژئونت ها10، ژئوکامپوزیت ها11 و ژئوسنتتیک با پوشش رسی12 تقسیم می شوند. هرکدام از این گروه ها دارای خصوصیات مخصوص به خود هستند و با توجه به همین خصوصیات در کارهای مختلفی از آن ها استفاده می شود. البته علاوه بردسته های اصلی اشاره شده، دسته های دیگری از قبیل ژئوپایپ ها13 و ژئوسل ها14 وجود دارند، ولی به علت کاربرد کم تر در این نوشته بررسی نمی شوند.
1- ژئوتکستایل ها:
ژئوتکستایل ها بزرگ ترین گروه ژئوسنتتیک ها را تشکیل می دهند. این محصولات، منسوجات متخلخل و نفوذپذیری هستند که از الیاف پلیمری ساخته می شوند. خاصیت اصلی آن ها فسادناپذیری در مقابل عوامل مخرب درون خاک است.
در عملکرد فیلتریزاسیون، ژئوتکستایل در عین نگهداری ذرات ریز خاک، اجازه عبور آب از میان لایه ذرات ریز به لایه ذرات درشت-تر را می دهد. به همین دلیل، ژئوتکستایل باید ثبات دائمی مکانیکی و نیز ثبات فیلتر هیدرولیکی را برا ادامه کارآیی سازه، داشته باشد، برای این که این کاربرد مؤثر واقع شود، ژئوتکستایل باید از شسته شدن و از میان رفتن ذرات ریز ممانعت کند. بدین منظور هنگام انتخاب و طراحی، مطابقت آن با معیارهای فیلتری، نفوذپذیری، تأمین و حفظ جریان مداوم آب با حداقل میزان فشار بررسی می شود.
یکی دیگر از موارد استفاده از ژئوتکستایل ها، مسلح کردن خاک ریزهاست. با به کار بردن لایه های ژئوتکستایل در خاک ریز می توان حجم مصرفی مصالح خاکی را کاهش داد و خاک ریز را در مقابل تمامی بارهای اعمالی مسلح کرد.
هم چنین می توان با استفاده از ژئوتکستایل، دیواری با شیب دلخواه تا 90 درجه ایجاد کرد. این مصالح قابلیت ساخت دیوار تا ارتفاع حدود 10 متر را دارد. این دیوارها انعطاف پذیر هستند و در مقابل لغزش دورانی ضریب اطمینان بالایی دارند. از خاک ریزهای مسلح در جلوگیری از رانش زمین، دیوارهای حایل وزنی که به نحوی محدودیت ابعاد دارند، در ریزش گیرها، در بستر جاده و... استفاده می شود.
از ژئوتکستایل ها برای ممانعت از نفوذ مصالح اساس راه به لایه مصالح نرم تر خاک زیربستر 15 و در نتیجه تثبیت ضخامت لایه های مختلف طراحی شده نیز استفاده می شود (خاصیت جداکنندگی).
از مزیت های شاخص ژئوتکستایل ها سهولت و سرعت کاربرد، دوام بالا در مقابل عوامل طبیعی، توانایی نگهداری ذرات خاک در جای خود و مقاومت الکتریکی بالای آن ها و از معایب مهم آن ها ایجاد تغییر شکل در دراز مدت است که در انواع جدید سعی شده این مشکل برطرف شود. نمودار 1 نشان از رشد مصرف این محصول در سال های اخیر دارد.
2- ژئوممبرین ها:
ژئوممبرین ها ورق های لاستیکی یا پلاستیکی با نفوذپذیری بسیار پایین هستند که به عنوان حفاظ رطوبتی به کار برده می شوند. ژئوممبرین ها بعد از ژئوتکستایل ها دومین گروه بزرگ ژئوسنتتیک ها را تشکیل می دهند. برای ساخت ژئوممبرین ها، مخلوط مناسبی از مواد پلیمری ذوب و به صورت ورق های نازکی از قالب خارج می شود. سپس ورق ها از داخل غلتک هایی که در خلاف جهت هم حرکت می کنند عبور داده می شوند. این کار ضخامت ورق ها را در تمام قسمت ها یکسان می کند و خواص مکانیکی آن ها را نیز بهبود می بخشد. به علاوه، با این روش می توان ژئوممبرین های چند لایه ساخت. ضخامت پوشش ها (لایه ها) بین 0/75 تا 3 میلی متر و پهنای آن ها بین 1/8 تا حداکثر 9/5 متر است. هزینه اجرای پوشش ژئوممبرین بسته به ضخامت و جنس از 30.000 تا 80.000 ریال برای هر متر مربع متغیر است.
سرعت اجرای ژئوممبرین فوق العاده بیش تر از مصالح بنایی است، به گونه ای که استخر ذخیره آب بیش از 500000 متر مکعب را می توان یک هفته ای احداث کرد؛ در حالی که با مصالح بنایی بیش از چندین ماه زمان و حجم بسیار زیادی مصالح برای احداث چنین استخری لازم است.
ژئوممبرین ها به عنوان یک عایق بسیار مقاوم کم هزینه با طول عمر بالا در بسیاری از پروژه ها کاربرد دارد. بعضی از کاربردهای اصلی ژئوممبرین ها عبارتند از: آب و فاضلاب (ساخت لاگون ها، کانال های آب رسانی، حوضچه ها و استخرها و دریاچه های مصنوعی)، ایزولاسیون سازه های زیرزمینی در برابر نفوذ آب های سطحی و زیرزمینی، سایت دفن زباله های صنعتی و خطرناک، ایجاد و توسعه زمین های کشاورزی در محیط های نامساعد.
جهت استفاده از زئوممبرین ها در سطوح شیب دار یا قائم و جاهایی که امکان لغزش وجود دارد، از نوعی ژئوممبرین استفاده می شود که برروی سطح آن برجستگی هایی به شکل میخ وجود دارد. این میخچه ها در آستر زیر فرو رفته و مانع از لغزش لایه ژئوممبرین می شوند. هنگام نصب، ژئوممبرین نباید کشیده شود و از چین خوردگی آن نیز باید جلوگیری کرد. چنانچه ژئوممبرین های تولیدی از نوع مدفون یا نیازمند لایه محافظ باشند، باید برای اجتناب از تجزیه و فساد آن در اثر اشعه ماورای بنفش، هرچه سریع تر پس از نصب روی آن ها پوشانیده شود.
هم چنین جهت جلوگیری از سوراخ شدگی این لایه ها (به دلیل خاصیت آب بندی) باید از مجاورت با لبه های نوک تیز جلوگیری و سطح پوشش قبل از احداث به خوبی صاف و یکنواخت شود.
3- ژئوگریدها:
ژئوگریدها گروهی دیگر از خانواده ژئوسنتتیک ها از جنس پلی استر و پلی اتیلن یا ترکیبی از این مواد و سایر مواد مشابه هستند. این محصولات در ضخامت، اندازه و ابعاد مختلف به صورت شبکه های سه بعدی تولید می شوند. ژئوگریدها به عنوان تقویت کننده های مناسب مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا دارای مقاومت کششی بالا و قابلیت قفل شدگی قابل توجهی با محیط اطراف هستند. این دسته از ژئوسنتتیک ها معمولاً در مناطقی که خاک اشباع یا نم دار است، در بالا و پایین لایه ژئوتکستایل قرار می گیرند. ضخامت الیاف ژئوگرید 0/5 تا 1/5 میلی متر و ضخامت در محل گره 2/5 تا 5 میلی متر است. ژئوگریدهایی که از آن ها برای مسلح کردن خاک استفاده می شود، دارای چشمه های مستطیلی یا بیضی با ابعاد تقریبی 25 تا 150 میلی متر هستند.
مهم ترین کاربردهای ژئوگریدها ایجاد سیستم خاک مسلح، احداث دیوارهای حایل، اصلاح لایه اساس و تقویت بستر در راه سازی و موارد مشابه است. شابان ذکر است که دیوارهای ساخته شده با ژئوگرید، مشکل تغییر شکل های زیاد دیوارهای ساخته شده با ژئوتکستایل ها را ندارد.
4- ژئوفوم ها:
ژئوفوم ها جدیدترین گروه ژئوسنتتیک هستند. ژئوفوم ها در قطعه های بزرگ و سبک ساخته می شوند و در سازه های خاکی یا سنگفرش ها به عنوان عایقی در برابر گرما و حرارت عمل می کنند. فوم ها اصولاً به عنوان پرکننده فضاهای خالی و درزه ها به کار می روند. با توجه به قابلیت هایی که تولیدکنندگان به فوم ها داده اند، این فوم ها افزایش حجمی تا 60 برابر در فضای آزاد را دارند و می توانند به-عنوان عایق آب و گاز نیز عمل کنند، هم چنین دارای خواص بارپذیری بالا نیز هستند. کاربرد ژئوفوم ها اغلب در زیر سنگ چین های بنا شده برروی خاک های نرم و سست، سطوح زیرین جاده، سنگ فرش باند فرودگاه، سیستم های راه آهن که دائماً در معرض انبساط و انقباض قرار می گیرند و هم چنین در زیر تانک های ذخیره مایعات نوشیدنی خنک و سطوح شیب دار استفاده می شوند.
5- ژئونت ها:
ژئونت ها گروه دیگری از محصولات ژئوسنتتیک هستند. این محصول در کارهای عمرانی برای تثبیت خاک های سست، تقویت و مقاوم سازی دیواره های خاکی، زیرسازی مخازن، محافظت از دیواره شیب ها و محافظت پوشش لوله های زیرزمینی (جلوگیری از خراش توسط سنگ ها) به کار می رود.
این محصولات به صورت دو مجموعه موازی از تیرک های پلیمری هستند که به صورت زاویه دار نسبت به هم قرار می گیرند. بین این تیرک ها سوراخ های نسبتاً بزرگی وجود دارد که در نتیجه محصول شکلی توری مانند خواهد داشت. عملکرد ژئونت ها به طور کامل در محدوده زه کشی قرار دارد. تقریباً تمام ژئونت ها از پلی اتیلن ساخته می شوند.
6- ژئوکامپوزیت ها:
ژئوکامپوزیت ها ترکیب دو یا چندتایی از ژئوتکستایل ها، ژئوگریدها، ژئونت ها یا ژئوممبرین ها هستند. در ساخت ژئوکامپوزیت ها ممکن است محصولات غیرپلیمری نظیر پشم شیشه 16 و رشته های فولادی برای افزایش مقاومت کششی، ماسه جهت ایجاد مقاومت فشاری و به عنوان پرکننده رس برای منبسط شدن در مواقعی که از ژئوکامپوزیت به عنوان پوشش استفاده می شود و قیر به عنوان ماده ضدآب استفاده شود. هدف از ساختن ژئوکامپوزیت ها ایجاد محصولاتی است که در عملکردهایی نظیر مسلح کنندگی، زه کشی، فیلتریزاسیون و غیره برتری قابل ملاحظه ای نسبت به انواع دیگر ژئوسنتتیک ها داشته باشند و نیز چند وظیفه را بتوانند به طور هم زمان انجام دهند.
از انواع متداول ترکیب ژئوسنتتیک ها برای ساخت ژئوکامپوزیت ها می توان به ترکیب ژئوتکستایل- ژئوگرید، ژئوتکستایل- ژئوممبرین و ژئوممبرین- ژئوگرید اشاره کرد.
7- ژئوسنتتیک با پوشش رسی:
این نوع ژئوسنتتیک، از مشتقات ژئوکامپوزیت ها است که به دلیل کاربرد فراوان به صورت جداگانه بررسی می شود. این محصول متشکل از ورقه های ژئوسنتتیک با میان لایه های رسی (بنتونیتی) است و برای جلوگیری از نشت آب و آب بندی مورد استفاده قرار می-گیرد. نوع متداول آن متشکل از یک لایه بنتونیت در میان دو ورقه ژئوتکستایل یا یک لایه ژئوتکستایل و ژئوممبرین است. این نوع ژئوسنتتیک جایگزین پوشش رسی متراکم شده می شود. در این حالت بنتونیت در لایه وسطی متورم شده و به نفوذپذیری بسیار ناچیزی در حدود 9-10× 5 سانتی متر برثانیه می رسد، در نتیجه ژئوتکستایل با لایه رسی، حفاظت هیدرولیکی معادل با یک متر هسته رسی متراکم شده را تأمین می کند. این در حالی است که ضخامت کل لایه در حدود هفت میلی متر است.
نتیجه گیری و جمع بندی:
با در نظر داشتن مزایای ژئوسنتتیک ها از قبیل نصب سریع، کاهش حجم عملیات خاکی، ساخته شدن با کیفیت و خواص دلخواه، کاهش هزینه ها و دیگر مزایا که در متن به آن ها اشاره شد، نتیجه گیری می شود که این محصولات می توانند جایگزین بسیار مناسبی برای مصالح سنتی باشند. به علت تنوع فراوان در این محصولات، باید در انتخاب نوع و ابعاد آن دقت شود. اگرچه تولید ژئوسنتتیک ها در کارخانه و تحت آزمایش ها و کنترل کیفیت دقیق و کافی انجام می شود، ولی به علت کمبود تجربه در استفاده از این محصولات و هم چنین حساسیت بسیار بالای آن ها، در اجرای این محصولات باید توجه و دقت بالایی مبذول کرد.
پی نوشت:
1. Separation
2. Filtration
3. Drainage
4. Reinforcement
5. Errosion Control
6. Geotextiles
7. Geomembranes
8. Geogrids
9. Geofoams
10. Geonets
11. Geocomposites
12. Geosynthetic Clay Liners (GCL)
13. Geopipes
14. Geocells