Геосинтетические материалы

Геосинтетические материалы

Геосинтетические  материалы (геосинтетики) - это обширная группа полимерных материалов, предназначенных для улучшения физических, механических и гидравлических характеристик грунтов.

Геосинтетики - это материалы, в которых хотя бы одна из составных частей изготовлена из полимеров, применяемых в геотехнике и инжиниринге окружающей среды, промышленном и гражданском строительстве. Основными исходными полимерами для многих геосинтетиков являются полиэтилен (PE) и полипропилен (PP), полиэстер (PES), поливинилалкоголь (PVA) и арамид (A).

Сам термин Геосинтетика впервые появился в 50-е годы. С  тех пор многие миллиарды квадратных метров специализированных полимерных материалов были с успехом использованы по всему миру, что доказало их надежность и изменило принципы геотехники.

К основным группам  геосинтетических материалов относятся:

-геотекстили

-георешетки

-геомембраны

-геокомпозиты

Геосинтетические  материалы универсальны. Поле для  применения геосинтетиков каждого  типа и их комбинаций чрезвычайно обширно. Зачастую они обеспечивают единственно возможное решение при строительстве автомобильных и железных дорог, хранилищ бытовых и промышленных отходов, дамб и плотин, резервуаров для воды или химикатов, укреплении берегов и откосов, гидроизоляции сооружений.

Геосинтетические  материалы экономичны. Использование  геосинтетиков снижает затраты  на строительство и эксплуатацию. Вне зависимости от области применения, использование геосинтетических материалов обеспечивает сокращение объемов работ, использование привозных материалов, и позволяет реализовать проект в кратчайшие сроки при жестком контроле качества работ.

Геосинтетические  материалы экологичны. На сегодняшний  день, применение геосинтетических материалов является самой распространенной во всем мире технологией строительства объектов природоохранного назначения. Геосинтетика дает человечеству шанс не только ликвидировать последствия индустриального влияния на окружающую среду, но и сократить использование природных ресурсов в гражданском и промышленном строительстве. Благодаря передовым материалам и экологическим технологиям, индустрия может существовать в гармонии с природой. 

История

 Современные геосинтетические  материалы - результат поиска  выхода из сложившейся ситуации  после катастрофы, произошедшей в середине последнего столетия в Нидерландах. Постоянная борьба голландцев против моря достигала в 1953 году ее апогея, когда Нидерланды пережили самое тяжелое стихийное бедствие. Сильные штормы залили всю юго-западную часть страны, более 1 тыс. 800 человек утонуло, более 47 тыс.  домов были разрушены, 201 тыс. животных умерло и было разрушено более 500 км защитных конструкций, более 72 тыс. людей остались без крова.

Чтобы предотвратить  такие катастрофы в будущем, голландское  правительство разработало так называемый "план дельта". Сначала этот проект должен был касаться только юго-запада Нидерланд, однако был уже скоро распространен на все побережье, реки. В плане также предусматривалось сооружение новой защитной дамбы и ремонт с усилением старой. Реализация проекта началась со строительства так называемых "простых дамб" и закончилось в 90-е годы неповторимым в восточной системе шлюза Шельды "тур де форс" с применением самых современных технологий и большим количеством геосинтетических материалов. В начале планировалось, что прорывы плотины будут закрыты с помощью простых мешков с песком. Высокие требования и малая эффективность обычных мешков из джута заставила органы власти искать альтернативное решение. За разработкой новых синтетических волокон для использования в мешках с песком они обратились к фирме Enka Industrial Systems (сегодня Colbond Geosynthetics).

Наполненные песком мешки использовались вместо  больших  природных камней и бетонных блоков. Они транспортировались драглайном и должны были перегружаться 7 раз, прежде чем достигали места назначения. В 1957 году началось использование мешков из полиамида для 1 тонн песка, всего через 2 года в распоряжении имелись мешки объемом 10 тонн, что послужило толчком к развитию матов с твердым заполнителем.

 Применение 20 тыс.  м2 полиамидных матрасов с песком  Энкалон с помощью специально  для этого разработанных Ролль-Понтонс  являлась следующим важным шагом.  Это было началом использования  заполненных матов. Развитие технологий  производства геосинтетических материалов и расширение области их применения привлекли внимание других партнеров. Одним из таких примеров стало использование более 30 тыс. м2 матов для защиты берегов острова нефтяной фирмы в Рио Магдалене в Колумбии.

В 60-ые годы, был разработан продукт, положенный в основу сегодняшних геосинтетических материалов для армирования асфальта. "Structofors"-Nonwovens были предшественниками позже появившихся материалов для армирования асфальта и разделительных прослоек, используемых в дорожном строительстве.

В 1973 году был разработан Энкамат - противоэрозионный мат. Энкамат  можно назвать случайным продуктом, так как он был неожиданно разработан во время производственного процесса. Некоторые из специалистов, принимавших  участие в Проекте дельта, заметили, что Энкамат, благодаря своему строению, мог бы совместно с естественной корневой системой обеспечить эффективную противоэрозионную защиту. Сегодняшний Энкамат является результатом многочисленных лабораторных и натурных тестов и постоянной работы над улучшением качеств материала.

Одновременно Энкамат  послужил толчком для развития дренажных  матов Энкадрайн и вертикального  дренажа Колбондрайн. А в 1976 на свет появился полиэфирный материал "Стабиленка" для армогрунтовых конструкций.

План Дельта можно рассматривать как первый шаг в развитии и геосеток. Полимер ноу-хау, экспертиза, ориентация на запросы клиентов, многочисленные тесты и исследовательские работы создали основу для создания признанных во всем мире геосинтетических материалов.

С 50-х годов геосинтетические материал играют все большую роль в строительстве. Теперь геосинтетические материалы широко применяются в геотехнике и других областях строительства (транспортном, подземном, гидротехническом, промышленно-гражданском, природоохранном и т.п.) для стабилизации эрозионных процессов грунтов и почв. С помощью геосинтетических материалов становятся возможными строительство на слабых или техногенных грунтах, выполнение мелиорационных работ и водопонижения, устройство «зеленых» крыш, дренажных и водоотводных систем, устройство различных конструкций фильтров.

Сегодняшнее строительство  невозможно представить без этих долговечных, легких материалов, которые  доказывают свой высокий потенциал. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Виды  и классификация  геосинтетических материалов.

В рекомендациях  по применению геосинтетических материалов при строительстве и ремонте  автомобильных дорог (2003 г.) "геосинтетические материалы - класс строительных материалов, как правило синтетических, а  так же из другого сырья (минерального, стекло- или базальтового волокна и др.), поставляемых в сложенном компактном виде (рулоны, блоки, плиты и др.), предназначенных для создания дополнительных слоев (прослоек) различного назначения (армирующих, дренирующих, гидроизолирующих, теплоизолирующих) в строительстве (транспортном, гражданском, гидротехническом) и включающий следующие группы материалов: геотекстильные материалы, георешетки, геокомпозиты, геооболочки, геомембраны, геоплиты и геоэлементы".

     В основу  предлагаемой классификации и приведенного определения геосинтетических материалов был положен системный анализ отечественной и зарубежной литературы, тенденция к гармонизации нормативных документов, положения Закона о техническом регулировании. Классификация геосинтетических материалов выполнена в зависимости от их функционального назначения, особенностей материалов, определяемых составом сырья и технологией изготовления. Приоритеты свойств определены с позиций обеспечения геоэкологической безопасности конструкций и сооружений, возводимых с применением геосинтетических материалов, совместно с грунтами сооружения и основания - георешетка.

     В связи  с тем, что геосинтетические  материалы применяются в геотехнике, и становятся составными элементами  природных или техногенных грунтовых  массивов, прежде всего они должны классифицироваться по водопроницаемости. Водопроницаемость геосинтетических материалов (геотекстиль) является важным показателем, т.к. располагая эти материалы в грунтовых массивах, от их водопроницаемости существенным образом зависят гидравлические свойства сооружения, а во многих случаях и гидравлический режим основания или грунтового массива. Изменение гидравлического режима, неизбежно приводит к изменению прочностных и деформационных характеристик грунтов, что в свою очередь определяет надежность сооружения или конструкции в целом. Поэтому, прежде всего, они разделены на три класса: водопроницаемые, водонепроницаемые и геокомпозиционные. Классы материалов подразделены на группы. Каждая группа в зависимости от способа изготовления, типа сырья разделяется на виды.

Класс водопроницаемых  геосинтетических материалов (георешетка) разделен на две группы. Это собственно геотекстили и геотекстильподобные  материалы.

ГЕОТЕКСТИЛЬ

Геотекстили - материалы, производимые с использованием текстильных технологий с применением ткацких, вязальных, швейных станков.

Группа геотекстилей разделяется на виды в зависимости  от способа текстильного производства, например геотекстили нетканые, вязаные, тканые.

 Нетканые геотекстили (GTX-N) - геотекстили волокна, нити, филаменты или другие элементы которых скреплены механической, термической или адгезивной обработкой.

 Нетканный геотекстиль - экологически чистый нетканый материал, изготовленный из бесконечных или штапельных волокон полимерного материала иглопробивным или иным методом, что обеспечивает его высокую химстойкость, устойчивость к термоокислительному старению, а также достаточно высокие физико-механические свойства

     Вязаные геотекстили (GTX-K) - геотекстили, в которых волокна, нити, филаменты или другие элементы провязаны. 

Функции:

-защищает дренажные системы от засорения и заиливания;

-препятствует проникновению частиц почвы в дренажную систему или в конструкционные слои;

-осуществляет дренаж, отвод грунтовых и сточных вод;

-предотвращает смешивание слоев под воздействием вымывания;

-увеличивает несущие способности грунтовых оснований;

-разделяет грунтовые различные фракции, что препятствует смешиванию слоев, увеличивает уплотняемость и улучшает сопротивляемость продавливанию и образованию колеи;

-укрепляет конструкции в целом за счет увеличения несущей способности грунта и предотвращения неравномерных осадок;

-армирует, усиливает строительные конструкции, грунтов и насыпей в результате перераспределения напряжений от транспортных средств или собственного веса.

Применение:  

- устройство дренажных сооружений различного назначения

-создание ланшафта на слабых и техногенных грунтах

-строительство гидротехнических сооружений

-устроийство инверсионных покрытий кровли и «зеленой кровли»

-строительство туннелей

-прокладка трубопроводов

-строительство и ремонт автомобильных дорог и аэродромов

-укрепления грунта, насыпей

-строительство железных дорог

-высотное строительство

-строительство мусорных свалок

-устройство бассейнов и водоканалов

-защита полимерных геомембран

Геосинтетические  материалы на базе геотекстиля уже  более 20 лет используются для разделения балластного слоя и основной площадки земляного полотна. Вместе с тем  накопленный опыт показал, что эти  материалы наиболее эффективны при применении в качестве дренирующего разделительного слоя на полотне из грунтов определенных видов. В связи с этим была поставлена задача расширить сферу применения геотекстиля на другие грунты.

Известно, что разделительная функция геотекстиля заключается в предотвращении проникновения фракций балласта в земляное полотно. С другой стороны, геотекстиль предотвращает попадание частиц земляного полотна в балласт и тем самым его загрязнение и снижение несущей способности. Дренажная функция геотекстиля заключается в пропуске через него грунтовых вод из земляного полотна вверх к поверхности путевой структуры. Поскольку накопление воды под геотекстилем может приводить к ослаблению земляного полотна, его делают водопроницаемым.

Существует мнение, что геотекстиль должен быть водопроницаемым и для пропуска дождевой воды из балласта в основание пути. Но когда дождевая вода доходит до геотекстиля, ее лучше отводить на обочину в дренажные кюветы. Пропуск воды в земляное полотно может снизить его несущую способность.

    Геоткани (GTX-W) - геотекстили изготовленные путем прямоугольного переплетения двух или большего количества волокон, нитей, лент или других элементов. Пример георешетки.

     Геотекстильподобные материалы (GTP)- это материалы, которые не могут быть классифицированы, как геотекстили. При их производстве применяются не только способы текстильной промышленности, но и другие методы обработки пластических масс. Скрепление отдельных элементов, образующих геосинтетический материал, достигается путем привязывания, сварки (термической, лазерной), или они являются цельными элементами. К ним относятся георешетки, геосетки, геоматы.

  Георешетки (GGR) - плоские материалы в виде регулярной прямоугольной сетки, размер открытых ячеек которой существенно больше образующих ее элементов, изготовленных из полимерных (натуральных или синтетических) материалов. Элементы решетки и узлы их соединения получены прессованием, литьем под давлением или другими способами. Георешетки, полученные методом вытягивания и лазерной сварки.

Объемная георешетка - каркасный материал, представляющий собой гибкую конструкцию типа "пчелиные соты". В зависимости от характеристик защищаемого объекта, ячейки решетки могут заполняться растительным грунтом с семенами, щебнем или бетоном.

Функции:

-позволяет предупредить нарушения местной устойчивости и оплывы грунта

-обеспечивает пропуск воды по всей поверхности

-дает горизонтальную устойчивость подушки дорожного покрытия

-фиксирует щебень от горизонтального расползания

-повышает ее несущую способность дорожного покрытия

-легко повторяет контуры рельефа

-обеспечивает экологическую безопасность 

Применение:

-строительство откосов и конусов дорог

-устройство насыпей

-создание дамб

-строительство концевых опор мостов

-обустройство русл и берегов рек.

Объемная георешетка - каркасный модуль,  изготовленный из полос полиэтилена или тканого (нетканого) водопроницаемого геотекстиля на основе полипропиленовых волокон. Полосы из полиэтилена соединены между собой методом термической или ультразвуковой сварки, полосы из геотекстиля - сшиванием с образованием высокопрочного соединения. Таким образом, объемная георешетка представляет собой легкую, компактную в собранном состоянии, как следствие - легко транспортируемую и разворачиваемую конструкцию по типу "пчелиных сот" применяемую для защиты строительных грунтов и почвы от эрозионных деформаций в местах, где они им подвержены в первую очередь.

Объемная георешетка изготовленная из геотекстиля значительно  легче и удобнее металлических  и пластиковых аналогов, что позволяет быстро производить монтажные работы без использования специального строительного оборудования.Благодаря своей конструкции такая георешетка легко транспортируется на большие расстояния благодаря компактности в сложенном состоянии.

При использовании  объемной георешетки рекомендуется  применение разделительной и дренирующей  прослойки, служащей для предотвращения проникновения наполнителя георешетки в грунт основания конструкции  укрепления и дальнейшую его потерю, а так же, во избежание вымывания наполнителя в низ по откосу, из ячеек георешетки.

Для использования  георешетки при работе с различными по размерам фракции грунтами и материалами, существуют пять типов изделия, отличающиеся размерами длинны стороны ячейки, ее площадью, и соответственно числом ячеек на квадратный метр, что позволяет выбирать ту или иную модификацию, соответственно предполагаемой нагрузке, в зависимости от вида наполнителя.

     Геосетки (GNE) - плоские структуры в виде регулярной прямоугольной сетки, размер открытых ячеек которой существенно больше образующих сетку элементов из высокопрочных нитей или пучков нитей. Элементы сетки скреплены узлами, переплетены или спрессованы.

  Геоматы (GMA) - трехмерные водопроницаемые структуры из полимерных материалов и/или других синтетических или природных элементов, соединенных между собой термическим, механическим или другим способами, которые применяются в геотехнике или других областях строительства для стабилизации на поверхности частиц грунтов. Геоматы применяются для создания устойчивого растительного покрова на берегах рек, прудов, склонов и откосов с целью предотвращения эрозионных процессов поверхности.

     Геоячейки (GCE) - трехмерные водопроницаемые сотовые или решетчатые структуры, изготовленные из полос геотекстилей или геомембран, используемые в геотехнике и других видах строительства для закрепления грунта на наклонных поверхностях или откосах, а в сочетании с геотексти-лями для армирования грунтов - георешетка.

Второй класс - водонепроницаемые геосинтетические материалы представлен двумя группами - глиноматами и геомембранами. Такое разделение на группы обусловлено технологией производства геосинтетических материалов, которая определяет их качественные особенности, геотекстиль.

Геомембраны - листовые полимерные изолирующие материалы, используемые в геотехнике и инжиниринге окружающей среды. Изготовляются из высококачественного полиэтилена высокого или низкого давления с добавлением углеродного стабилизатора.

Геомембраны (GMB) - рулонные материалы, характеризующиеся очень низкой (нулевой) водопроницаемостью, изготовленные из синтетических полимеров или битумов. Виды геомембран определяются в зависимости от способа изготовления и состава сырья, например геомембраны из полиэтилена высокой плотности и др.

Функции:

-дают высокие антикоррозийные и гидроизоляционные показатели

-обладают стойкостью по отношению к большинству химических реагентов и ультрафиолетовому излучению

-сокращают объемы земляных работ, за счет высокой скорость выполнения сварочных работ

-снижают затраты на строительство и использование привозных материалов

-просты в транспортировке и складировании, экономичны при монтаже

-обеспечивают высокую сопротивляемость механическим перегрузкам

-обладают сейсмической устойчивостью 

Применение:

-организация полигонов твердых бытовых отходов и опасных веществ

-строительство хранилищ особоопасных промышленных отходов и шлаков

-создание промышленных шламонакопителей

-обустройство резервуаров сточных вод

-строительство дамб и плотин

-создание резервуаров питьевой воды

-строительство хранилища сухих продуктов

-обеспечение изоляции нефтехранилищ

-устройство архитектурных и ландшафтных прудов

-защита бетонных резервуаров 

Толщина геомембраны  составляет, в зависимости от требований конкретного проекта, от 0,75 до 2,5 мм.

Геомембраны HDPE. Мембраны на основе полиэтилена высокой плотности обладают высокими прочностными характеристиками. Используются для строительства накопителей жидких и твердых промышленных отходов, полигонов ТБО, гидроизорляционного и антикоррозийного покрытия бетонных, кирпичных металлических и прочих поверхностей, в том числе емкостей для питьевой воды.

Геомембраны LLDPE (VFPE - Very Flexible Polyethylene). Мембраны на основе полиэтилена низкой плотности обладают высокой эластичностью и используются при строительстве сооружений в просадочных грунтах, локализации несанкционированных и заброшенных свалок, рекультивации полигонов твердых бытовых и промышленных отходов, гидроизоляции тоннелей и других подземных сооружений.

Гелмемьраны FRICTION. Геомембраны с текстурированной поверхностью (с одной или двух сторон). Используются для увеличения трения между мембраной и грунтом, для увеличения угла заложения откосов грунтовых сооружений.

Глиноматы (GCL)- это материалы заводского изготовления, состоящие из природных глин, обладающих низким коэффициентом фильтрации, геотекстиля и/или геомембран. Глиноматы обеспечивают изоляционные свойства при определенных граничных условиях. Глиноматы могут быть различных видов в зависимости от составляющих их материалов и способа производства, например прошивные, клееные и др. Бентонит наиболее широко используется для производства глиноматов, поэтому их часто называют бентонитовые маты или георешетки. 

Материалы, предназначенные  для выполнения нескольких функций, объединены в класс 3 - геокомпозиционных материалов (геотекстиль и георешетка).

Геокомпозиты — полимерные продукты, созданные путём соединения двух или более материалов (например, георешётки и геотекстиля), выполняющий функции разделения и армирования, дренажа, контроля водной и ветровой эрозии.

Применение:

-противоэрозионная защита откосов железнодорожных и шоссейных насыпей;

-противоэрозионная защита откосов земляных дамб;

-противоэрозионная защита шумопоглощающих земляных валов;

-создание слоя противоскольжения в местах высадки растительности на скользких склонах восстановление отвалов горных пород

-укрепление поверхности склонов, предупреждение обвалов и оползней;

-противоэрозионная защита оросительных и мелиоративных каналов;

-береговая защита водоемов и навигационных каналов от воздействия волн и сильного колебания уровня воды;

-противоэрозионная защита внешних склонов плотин, дамб, запруд

-противоэрозионная защита мест въезда в туннели.

 Например, к геокомпозиционным  материалам относятся дренажные маты, состоящие из дренирующего ядра, фильтра и мембраны, которые применяются в качестве пластового или пристенного водного и/или газового дренажа. Разработка и производство геокомпозиционных материалов направлены на снижение материалоемкости и трудоемкости строительных решений, обеспечение гарантированного качества работ. Благодаря тому, что геосинтетические материалы изготавливаются из полимеров, то они могут обладать высокой долговечностью и стойкостью к агрессивным воздействиям - химическим, биологическим, термическим, и не оказывают негативного воздействия на окружающую среду. Эти свойства георешетки делают их перспективными для применения в строительстве. Однако не все полимеры устойчивы к ультрафиолетовому излучению, но не все обладают свойствами ползучести. В связи с этим при расчете и проектировании важно знать состав сырья геотекстиля, из которого изготавливаются ГМ, для определения марки материала в зависимости от его функционального назначения и условий работы в конструкции. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Геосинтетические  материалы в строительстве

   В последние  20 - 30 лет в руках строителей  появился интересный многообещающий  материал, называемый "геотекстиль"  или "геосинтетика" Корень "гео"  указывает на область применения  этих материалов: они используются как армирующие сетки или гидроизолирующие мембраны в конструкциях и сооружениях, основу которых составляют рыхлые горные породы - грунт, песок, гравийные смеси и т.п. "Синтетика" и "текстиль" - отражают состав материалов, способ его изготовления и внешний вид: ткани, войлок, пленки и другие относительно тонкие легкие материалы большой площади.

   Синтетические  полимеры придают геосинтетитке  (геотекстилю) специфические для  полимеров положительные свойства:

-Водо и морозостойкость

-Универсальная коррозионная устойчивость