Размещено на http://www.allbest.ru/

Геосинтетические материалы: получение, свойства, применение

ВВЕДЕНИЕ

геосинтетик строительный промышленность

При строительстве водохозяйственных объектов различного назначения возникает необходимость решения многих специфических задач, связанных со снижением вредного воздействия водной среды на строительные конструкции. [1, 3, 5, 36, 60, 108]

Наиболее актуальной из них является проблема улучшения свойств грунтов и элементов строительных конструкций, особенно при возведении сооружений с использованием дешевых местных строительных материалов, прежде всего в области гидротехнического и дорожного строительства при возведении насыпей, дамб, плотин, подпорных стенок и т.д. [4, 7, 33, 44]. Решить эти задачи можно, используя взамен традиционных или в дополнение к ним современные материалы и технические решения, которые позволили бы существенно повысить надежность и качество конструкций, ускорить строительство объекта при значительном снижении материальных затрат [8, 12, 45, 55, 58, 61].

С развитием науки и техники в практику строительства пришли новые материалы, получаемые искусственным путем, которые производят в индивидуальном виде, а также в различных сочетаниях друг с другом и дополнительными компонентами [35, 40, 68, 76]. Они получили широко используемое сейчас название - геосинтетические материалы или геосинтетики. Со времени первых попыток применения синтетических полимерных материалов прошло более пятидесяти лет. В дополнение к ранее применявшимся полимерам (различные марки полиэтилена, ПВХ, полипропилен, бутилкаучук) учеными созданы многие виды геосинтетиков, обладающих комплексами различных специальных свойств, которые отсутствуют у исходных материалов [40, 47, 62].

Геосинтетика уже прочно вошла в список специальных материалов и используется во всем мире для решения широкого круга задач при строительстве объектов различного назначения [61, 64, 77, 79, 82, 92].

Разработанные новые виды покрытий и элементы конструкций с использованием геосинтетических материалов предоставляют новые возможности по сравнению с другими инженерными решениями [29, 106, 107, 113]. Они полностью покрывают защищаемую поверхность, быстро и легко укладываются под водой. Фильтрующие материалы, благодаря хорошей водопроницаемости, исключают необходимость устройства фильтров из щебня. Покрытия и экраны из геосинтетических материалов могут применяться для откосов любого профиля и способны обеспечить практически 100 %-ю гидроизоляцию сооружения, а при наличии шероховатой поверхности хорошо гасят энергию волн. При их использовании также снижаются затраты на озеленение береговых откосов и поддержание их в надлежащем виде, создаются благоприятные условия для обитания рыб. Геосинтетики, благодаря их высоким деформационным и прочностным характеристикам, обеспечивают эффективное армирование грунтовых сооружений, а также их оснований, позволяя при этом существенно снизить производственные издержки по сравнению с традиционно применяемыми материалами.

На основании многолетнего опыта использования геосинтетических материалов в ряде стран разработаны требования к их качеству и рекомендации по применению. Например, в ФРГ разработаны унифицированные условия на поставку и укладку геотекстильных фильтровых материалов для защиты откосов каналов, а также требования, которым они должны удовлетворять.

К настоящему времени накоплен большой опыт применения геосинтетиков, достаточно хорошо и полно изучены их свойства и характеристики, а промышленностью в различных странах выпускается более 500 их разновидностей [2, 38, 39, 44, 63, 65].

Широкий спектр таких материалов ставит перед проектировщиком или строителем нелегкую задачу выбора как типа самого геосинтетического материала, так и фирмы-поставщика. Перечень вопросов, возникающих перед ним, касается характеристик материала и опыта его применения.

Однако, сведения о получении, свойствах, характеристиках и применении геосинтетиков рассеяны в многочисленных литературных источниках, включая патентную информацию. Это привело к тому, что и по сей день об этих материалах сравнительно мало известно инженеру-практику, даже несмотря на то, что область их применения очень обширна: их применяют при возведении каналов, набережных, причалов, дамб, сооружении береговых опор мостов, армировании дорожных насыпей и одежд, покрытий аэродромов, сооружении хранилищ различных отходов, гидроизоляции фундаментов, создании дренажных систем, укреплении оснований сооружений и склонов и т.д.

Поэтому изучение и систематизация имеющихся сведений о геосинтетических материалах и опыте их применения необходимы для того, чтобы облегчить специалистам получение более четких и полных представлений об основных достижениях в этой области и путях расширения использования геосинтетики в повседневной практике строительства.

Целью данного обзора является обобщение и анализ накопленных сведений о видах, свойствах, способах получения и практическом применении геосинтетических материалов в различных областях строительства и в мелиорации. Надеемся, что приведенный в обзоре материал даст возможность специалистам более глубоко и подробно ознакомиться с современными геосинтетическими материалами и их возможностями и позволит более уверенно и обоснованно применять их в практике проектирования и строительства водохозяйственных и других объектов, где требуется решать задачи повышения устойчивости откосов, увеличения несущей способности грунтовых сооружений, вопросы гидроизоляции, а также устройства эффективных систем дренажа при одновременном снижении массы и стоимости элементов конструкций и сокращении сроков строительства.

За справками, а также с замечаниями и пожеланиями просим обращаться по адресу: г. Минск, проспект Независимости, 65, Белорусский национальный технический университет, кафедра «Гидротехническое и энергетическое строительство».

1.  ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

Геосинтетическими материалами принято называть материалы, в которых как минимум одна из составных частей изготовлена из синтетических или натуральных полимеров в виде нитей, плоских форм, ленточных или трехмерных структур [9, 21, 76, 142].

В качестве геосинтетических материалов в мировой практике широко применяются различные полимеры в виде индивидуальных соединений: полиэтилен высокой (ПВП-HDPE) и низкой (ПНП-LDPE) плотности, поливинилхлорид (ПВХ-PVC), бутилкаучук (БК-BC), полиамид (ПА-PA), полипропилен (ПП-PP), полиэстер (ПЭС-PES), полистирол (ПС) и композиционные материалы на их основе, сополимеры и др. [6, 10, 30, 41, 62, 68, 70, 114, 143].

Эти материалы способны воспринимать значительные растягивающие напряжения, сохраняют прочность даже при больших деформациях, однородны по своему составу, долговечны, технологичны и эффективны в строительстве.

Геосинтетические материалы подразделяются на водопроницаемые и водонепроницаемые [56, 57, 78]. Предлагаемая нами классификация геосинтетиков приведена на рис. 1. Как следует из рисунка, понятие «геосинтетические материалы» объединяет четыре группы материалов: геотекстили, геотекстильподобные материалы, геомембраны и геокомпозиты.

Геотекстили - это водопроницаемые текстильные материалы: тканые, нетканые или вязаные, имеющие вид полотна и изготавливаемые из полимерных (синтетических или натуральных) волокон. Они применяются в геотехнике или других областях строительства в контакте с грунтом и/или другими строительными материалами [4, 35, 64, 67].

Нетканый геотекстиль - это водопроницаемый материал, изготовленный из натуральных или искусственных полимеров путем механического, химического или термического адгезивного закрепления волокон или нитей. Нетканые геотекстили являются самыми распространенными в своей группе. Они обладают невысокой прочностью и большой растяжимостью. Удлинение при разрыве этих материалов доходит до 70 %. В силу этого нетканые геотекстили применяются как разделительные слои, препятствующие перемешиванию грунтов, а также как фильтры в конструкциях дренажей. Нетканые геотекстили используют и в качестве защиты гидроизоляционных элементов от механических повреждений [9, 93…101, 103, 104, 105].

Вязаный геотекстиль - это геотекстиль, в котором волокна, нити или другие элементы скреплены путем провязывания [170].

Тканый геотекстиль (геоткань) - это геотекстиль, изготовленный в результате прямоугольного переплетения двух или большего количества нитей. Геоткани обладают высокой прочностью, малой деформируемостью и водопроницаемостью. Они более прочны по сравнению с неткаными геотекстилями. Прочность на растяжение этих геотекстилей может достигать сотен килоньютонов на один метр ширины, при этом удлинение при разрыве составляет не более 12-18 %. Поэтому эти геотекстили используются в качестве армирующих элементов для повышения прочности и несущей способности грунтовых сооружений и оснований. Геоткани также применяются при устройстве защитных экранов полигонов для захоронения отходов, усиления оснований, сложенных техногенными грунтами [9, 112, 121, 149].

Для производства геотекстилей применяются:

волокна, тянутые поодиночно - мононити;

пучки, тянутые из многих волокон - полинити;

волокно рубленое - волокно, тянутое из моно- и полинитей, рубленых на отрезки;

рубленая пряжа - рубленые на отрезки материалы, полученные в результате производства волокон тянутых и рубленых;

волокна ленточные - полосы рубленых нитей различной ширины.

Другую группу геосинтетических материалов образуют так называемые геотекстильподобные материалы.

Геотекстильподобные - это плоские или трехмерные, водопроницаемые полимерные (синтетические или натуральные) материалы. К ним относят геосетки, георешетки, геоматы и геоячейки.

Геосетками называют объемные сетчатые структуры с ромбовидной формой ячеек, сформированные двумя наложенными друг на друга пересекающимися нитями, которые образуют комплекты сплошных глубоких каналов, обеспечивающих высокую способность к просачиванию жидкости [9, 76, 79, 148].

Георешетками называют регулярные прямоугольные структуры, изготовленные из полимерных (натуральных или синтетических) элементов, полученных прессованием, литьем под давлением или другими способами, которые переплетены или соединены между собой. При этом размер открытых ячеек георешетки существенно больше составляющих ее элементов [9, 11, 76, 79, 130, 141].

Геосетки и георешетки, как и геоткани, характеризуются высокой механической прочностью, малой деформируемостью и высокой прочностью на раздир. Это определяет их область использования в качестве армирующих элементов грунтовых сооружений и оснований. Геосетки и георешетки применяются также в случаях, когда требуется обеспечить местную устойчивость откосов.

Геоматами называются объемные водопроницаемые полимерные структуры, образуемые нерегулярной сетью нитей, волокон и других элементов, которые используются для противоэрозионной защиты и озеленения склонов и откосов, а также для дренажа фильтрующихся жидкостей [11, 76, 80, 133].

Разновидностью геоматов являются также водонепроницаемые геосинтетические глиноматы - материалы заводского изготовления, состоящие из природных глин (например, бентонита), обладающих низким коэффициентом фильтрации, и геотекстиля. Поэтому часто глиноматы называют бентонитовыми матами. Эти материалы применяют для создания прудов, противофильтрационных завес, часто они служат альтернативным решением глиняным экранам при строительстве полигонов для захоронения отходов [13, 22, 76].

Геоячейки - это трехмерные водопроницаемые сотовые или решетчатые структуры, изготовленные из полос геотекстилей или геомембран. Они используются для контроля эрозии и стабилизации грунтовых поверхностей [22, 76].

Геомембраны - это рулонные и листовые материалы, характеризующиеся очень низкой водопроницаемостью, изготавливаемые из синтетических полимеров или продуктов на основе битумов. Геомембраны применяют для гидроизоляции, пароизоляции и газоизоляции подземных строительных конструкций, создания противофильтрационных экранов, устройства прудов, отстойников, испарителей [24, 68, 69, 76, 90, 123, 131, 135, 163].

Развитие исследований свойств и способов получения геосинтетических материалов привело к созданию новой группы геосинтетических материалов, получивших название «геокомпозиционные материалы».

Геокомпозиционные материалы (геокомпозиты) - это пространственные полимерные покрытия, представляющие собой композит на основе ранее рассмотренных групп геосинтетиков, обладающие улучшенными физико-механическими характеристиками и новыми функциональными возможностями по сравнению с составляющими его материалами [24, 82, 89, 187, 200, 212].

Геосинтетики выполняют в конструкциях водохозяйственного назначения следующие основные функции:

сепарация - разделение слоев грунта, имеющих различные фракции частиц, для предотвращения их перемешивания на границе контакта;

армирование - присутствие в грунтовом массиве полимерных нитей, волокон или полос, способствующее укреплению грунтовых сооружений, распределению растягивающих усилий в толще грунта, увеличению его несущей способности;

фильтрование - предотвращение эрозии грунта в местах соприкосновения различных грунтов и на поверхности земли;

дренаж - отведение воды из массивов грунта или из мест соприкосновения водонасыщенных грунтов со строительными конструкциями;

гидроизоляция - обеспечение водонепроницаемости и защиты от вредного действия воды и жидких сред зданий, сооружений и других строительных конструкций.

По проницаемости геосинтетики подразделяют на следующие категории: водопроницаемые; изоляционные водонепроницаемые; газонепроницаемые пленки; фильтрующие; дренажные; теплоизоляционные.

Рулонные геосинтетики усиления можно классифицировать по фактуре на тканые, нетканые, иглопробивные, геосетки, маты, ячеистые и материалы комбинированной фактуры.

По удлинению при действии нормативной нагрузки различают нерастяжимые (менее 5 %), растяжимые (5-12 %) и сверхрастяжимые (более 12 %) геосинтетические материалы.

По сопротивлению изгибу различают упругие и эластичные материалы.

Среди факторов, влияющих на долговечность геосинтетиков, основными являются следующие:

- ультрафиолетовое излучение (элементы должны быть защищены от воздействия прямых солнечных лучей);

- механическое воздействие (растягивающая нагрузка не должна превышать 25 % от усилия разрыва).

Некоторые полиэфирсодержащие и полиамидные материалы чувствительны к величине водородного показателя рН, поскольку полиэфир разрушается в среде с рН9, а полиамид подвержен окислению в среде с рН5. Полиэфиры могут также претерпевать разрушение на контакте с материалами, содержащими известь и цемент [15, 48, 59].

При эксплуатации в условиях низких температур многие полимеры и геосинтетические материалы на их основе претерпевают структурные изменения. Например, полистирол, полиметилметакрилат приобретают хрупкость и разрушаются. В то же время, поливинилхлорид и полиэтилен имеют склонность к холодному течению [31, 32].

На состояние полимеров вредное влияние оказывает солнечная радиация, а именно ее ультрафиолетовая часть. Непосредственное воздействие ультрафиолетового излучения приводит к хрупкости и растрескиванию материала, причем глубина его действия составляет около 0,2 мм [68]. Низкую устойчивость к действию ультрафиолетовой радиации имеют полипропилен и полиэтилен.

В условиях длительного действия нагрузки геосинтетические материалы имеют склонность к ползучести, заключающейся в росте пластической деформации с течением времени при наличии постоянного напряжения. Наиболее подвержены ползучести материалы из полипропилена, а наименее - из полиамида и полиэстера, причем последние обладают высокой прочностью на разрыв и малым относительным удлинением [68].

В обобщенном виде выполняемые в конструкциях функции геосинтетических материалов представлены в табл. 1.

Таблица 1Функции геосинтетических материалов

Функция	Вид геосинтетика	Эффект применения
Фильтрование	Геотекстиль, геокомпозиты	Осуществление миграции жидких сред без перемещения грунтовых фракций
Дренаж	Геотекстиль, геосетки, геокомпозиты	Отвод жидких сред в вертикальном и горизонтальном направлениях
Разделение	Геотекстиль, геокомпозиты	Предотвращение перемешивания двух различных грунтов или материалов
Обеспечение безопасности	Нетканый геотекстиль, геосетки, геокомпозиты	Защита от повреждений материала конструкции или других геосинтетических материалов
Гидроизоляция	Геомембраны, геокомпозиты	Непреодолимый барьер для жидких сред
Усиление стен и откосов	Моноориентированные георешетки, тканый геотекстиль	Распределение растягивающих усилий в толще грунта
Усиление слабых грунтов	Георешетки двойного ориентирования, геотекстиль, геокомпозиты	Увеличение несущей способности грунта
Усиление асфальта и бетона	Георешетки двойного ориентирования	Обеспечение выносливости и сопротивления растяжению
Контроль эрозии и стабилизация поверхностей	Геоматы, геоячейки	Предотвращение отделения и перемещения грунта в результате дождей, стоков и ветров; заделка основания
Ограждение	Геоячейки	Сопротивление боковому перемещению грунтовых масс

Из данных табл. 1 следует, что один и тот же вид геосинтетического материала выполняет различные функции и может применяться с положительным эффектом во многих случаях. Однако максимальную эффективность от применения конкретного геосинтетика можно получить только в тех случаях, где его характеристики и свойства используются наиболее полно по своему прямому назначению.

Обобщенные сведения о целесообразности и особенностях применения геосинтетиков в строительных конструкциях представлены в табл. 2 [142].

Таблица 2Некоторые особенности применения геосинтетиков в строительстве

Вид геосинтетика	Функция
	Разделение	Армирование	Фильтрование	Дренаж	Гидроизоляция
Геотекстили	+	+	+	+	- (г)
Георешетки	- (б)	+	-	-	-
Геосетки	-	+	-	+	-
Геомембраны	+ (в)	- (г)	-	-	+
Геосинтетические глины	+ (в)	- (г)	-	-	+
Геотрубы	-	-	-	+	-
Геокомпозиты	а, г	а, г	а, г	а, г	а, г

Примечание:

(+) - применение высокоэффективно;

( - ) - применение неэффективно или применять нельзя;

а - если материал не пропитан битумом или другим полимером;

б - если размер грунтовых фракций не очень большой;

в - считается второй (второстепенной) функцией;

г - если материал не армирован.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛИМЕРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ПРОИЗВОДСТВЕ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Полимерами называют высокомолекулярные соединения, содержащие большое количество одинаковых звеньев, которые называются мономерами.

Полимеры различают:

- органические, содержащие в главной цепи и боковых радикалах атомы углерода, водорода, кислорода, азота, серы и галогенов;

- неорганические, цепи которых построены из разных атомов, кроме углерода;

- элементоорганические, цепи которых содержат атомы углерода и элементов, не входящих в состав природных органических соединений (атомы кремния, алюминия и др.).

Наиболее широко в производстве геосинтетических материалов используют полиэтилен, поливинилхлорид, полипропилен, полиизобутилен, бутилкаучук, полистирол, полиэстер, композиционные составы на их основе, сополимеры и некоторые другие [41, 59, 66, 72, 78, 84, 90, 110, 117].

2.1 Полиэтилен

Полиэтилен входит в группу полиолефинов и является продуктом полимеризации этилена (СН₂=СН₂).

Различают полиэтилен высокого давления (ПВД) или низкой плотности (ПНП) и полиэтилен низкого давления (ПНД) или высокой плотности (ПВП). Плотность полиэтилена колеблется от 910-930 кг/м³ (ПНП) до 960-970 кг/м³ (ПВП).

Полиэтилен относится к термопластичным полимерам и обладает аморфнокристаллической структурой.

Полиэтилен не растворим в воде и органических растворителях при комнатной температуре. Он устойчив к воздействию разбавленных серной и азотной кислот, концентрированных соляной и фосфорной кислот, едким щелочам и растворам различных солей.

В тонких пленках полиэтилен эластичен и гибок и характеризуется значительной ползучестью уже при комнатной температуре. Диапазон рабочих температур от -80 до +60 С.

Тонкие и эластичные пленки получают из ПНП. Толстые пленки могут быть изготовлены из полиэтилена любой плотности.

Введение различных наполнителей в состав полиэтилена изменяет его cвойства и свойства композиций на его основе [177, 183, 186, 189, 190, 191, 195, 196]. При армировании полиэтилена стекловолокном или капроновой сеткой улучшаются его физико-механические характеристики, что важно для применения его в различных сооружениях, в т.ч. гидротехнических. Другие компоненты могут изменить свойства полиэтилена в худшую сторону, например, когда добавки уменьшают прочность и относительное удлинение полиэтилена и увеличивают его ползучесть.

2.2 Поливинилхлорид

При полимеризации суспензионным или латексным способами хлористого винила (СН₂=CHCl) в присутствии инициаторов получается поливинилхлорид (ПВХ), который представляет собой термопластичный материал, и наряду с полиэтиленом является одним из наиболее известных полимеров.

В зависимости от способа переработки получают жесткую (непластифицированный ПВХ) и мягкую (пластифицированный ПВХ), очень мягкую (формопласт, гидропласт), пористую пластмассы, а также лаки, пасты и эмали [91, 199].

Жесткие пластмассы или винипласты обладают достаточно высокой механической прочностью, стойкостью ко многим химическим средам, водостойкостью, грибостойкостью. Недостатком винипластов является невысокая теплостойкость и низкая ударопрочность. Из винипласта выпускается каландрированная пленка общего и специального назначения.

У мягких пластмасс (пластикат) за счет введения пластификатора снижается температура стеклования и вязкого течения, уменьшается прочность и ухудшаются диэлектрические показатели, однако повышается морозостойкость и улучшаются деформационные свойства. Недостатком пластикатов является способность пластификатора экстрагироваться и мигрировать из материала, вследствие чего материал со временем теряет первоначальную эластичность.

Пластифицированный ПВХ используют для изготовления пленки, широко применяемой для экранирования гидротехнических сооружений.

2.3 Полипропилен

Полипропилен получают полимеризацией пропилена (СН₂=СН-СН₃). Он представляет собой твердый, жесткий нетоксичный

полимер с температурой плавления 160-170 С и плотностью

900-910 кг/м³. Полипропилен легко окисляется, особенно при контакте с медью, марганцем или сплавами, содержащими эти металлы. Его атмосферостойкость повышают введением сажи. Полипропилен не растворим в органических растворителях, минеральных и растительных маслах, а также устойчив к действию малоконцентрированных кислот и щелочей. Полипропилен пригоден для изготовления пленки, труб и различных конструкционных элементов.

2.4 Полиизобутилен

Сырьем для получения полиизобутилена служит изобутилен (СН₂=С(СН₃)₂). Он представляет собой каучукоподобный мягкий эластичный полимер плотностью 910-920 кг/м³, аморфной структуры, который кристаллизуется в растянутом состоянии. Устойчив к действию всех кислот и оснований, растворим в ароматических и хлорированных углеводородах, минеральных маслах, но не растворим в спиртах, кетонах и сложных эфирах. Чистый пластик текуч на холоду, поэтому полиизобутиленовые пленки изготавливаются либо сополимеризацией изобутилена с этиленом и другими мономерами, либо введением наполнителей (сажа, графит, асбест, мел и др.) При введении наполнителей плотность получаемых композиций возрастает до 1180-2430 кг/м³.

2.5 Бутилкаучук

Бутилкаучук или полиизобутиленовый каучук представляет собой сополимер изобутилена с небольшим количеством бутадиена.

Бутилкаучук стоек к действию кислот, щелочей, сложных эфиров, спиртов, растительных масел и набухает лишь в ароматических и алифатических растворителях. Полимер нетоксичен и не является питательной средой бактерий и грибков, а также грызунов. Бутилкаучуковые пленки производятся методом каландрирования, поэтому их ширина невелика. Стыковка бутилкаучуковых пленок осуществляется с помощью склеивания или вулканизации [193].

2.6 Полиамид

Полиамид представляет собой полимер линейного строения, содержащий в основной цепи амидные группы. В качестве сырья для получения полиамида используют капролактам, гексаметилендиамин, адипиновую и другие кислоты. Полученный полимер является кристаллическим материалом, но в зависимости от условий переработки, содержания влаги и др. может иметь аморфные участки.

Полиамидные пленки изготовляют экструзией, но они могут быть также получены из расплава. Последний способ позволяет, как и экструзионный, получать рулонные материалы необходимой длины. В состав пленки могут входить стабилизаторы (уксусная и адипиновая кислоты, их соли и др.), наполнители (графит, тальк, ткани из минеральных и синтетических волокон и др.) Количество наполнителя может достигать 90 % и выше. Наполнители снижают эластичность материала, но увеличивают прочность, уменьшают водопоглощение [182].

Основное применение полиамидные пленки находят в легкой промышленности, приборостроении и других областях техники.

2.7 Полистирол

Полистирол получают полимеризацией стирола чаще всего по методу радикальной полимеризации в присутствии различных инициаторов (перекисей, гидроперекисей и др.). В технике различают «блочный» и «эмульсионный» полистирол. Блочный, получаемый непрерывными методами, отличается большой чистотой. Молекулярная масса технического продукта изменяется от 50000 до 300000. Структура полистирола характеризуется значительной разветвленностью и аморфностью. Появление кристаллитов не отмечается.

В связи с тем, что рассмотренные полимеры широко используют в производстве пленок, в табл. 3 представлены основные физико-механические характеристики пленочных материалов на их основе.



3. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕОСИНТЕТИКОВ

Современный уровень развития химической промышлености позволяет производить различные по составу, свойствам и способу изготовления виды гидроизоляционных и фильтрующих геосинтетических материалов: геотекстиль, геомембраны, геокомпозиты, геоматы, геосетки, георешетки и геоячейки.

Геотекстили, тканые и нетканые, составляют основную долю геосинтетических материалов, широко применяемых в строительстве [9, 24, 54, 71, 76, 112, 203, 204]. Исходным сырьем для их получения являются полиэфир, полиэтилен, полипропилен, полиамид, полиэстер и другие высокомолекулярные соединения.

Тканые геотекстили, имеющие в основе своей структуры сложную скрученную нить (мультиволокно) или вытянутое одиночное волокно (моноволокно), изготавливаются путем переплетения двух или более рядов нитей или волокон.

Нетканые геотекстили имеют беспорядочную спутанно-волокнистую структуру и вырабатываются непосредственно из волокна. В зависимости от длины нитей различаются нетканый геотекстиль из сплошного волокна и из коротких нитей (или комочков). Их изготовление включает две основные операции: формирование холста из волокон и его упрочнение. По технологии производства нетканые материалы делятся на три вида: полученные сухим способом из волокон; полученные мокрым способом из волокон и целлюлозы; полученные фильерным способом непосредственно из расплава полимера. В дальнейшем холст упрочняется механическим, термическим, химическим или комбинированным способами.

Наиболее распространенным способом упрочнения является механический иглопробивной. Он заключается в переплетении волокон иглами с зазубринами, расположенными на движущейся пластине. Проходя через толщу волокна, иглы тянут за собой часть зацепленных волокон. После вытаскивания иглы эти волокна остаются в поперечном расположении по отношению к основному направлению волокон, связывая толщу волокна в единое целое. Этот способ упрочнения позволяет, в зависимости от плотности проколов и скорости подачи волокна, изготовить материал с заданными свойствами: более прочный в продольном или поперечном направлениях. Материал в этом случае получается анизотропным, т.е. с разными механическими показателями вдоль и поперек полотна. Для достижения оптимальных прочностных характеристик целесообразно изготовление материала таким образом, чтобы коэффициент анизотропности, как отношение одноименных показателей в двух взаимно перпендикулярных направлениях, не превышал 1,5.

Способ термического (горячего) склеивания прочеса заключается в пропуске его между двумя нагретыми цилиндрами при большом давлении с предварительным введением в смесь некоторого количества легкоплавких компонентов: волокон, порошка, фольги, мастики или пряжи. Нетканые материалы, упрочненные термическим способом, по объему выпуска занимают второе место в мире после изготавливаемых с помощью механического способа упрочнения.

Способ химического склеивания полотна основывается на концентрации различных связующих в местах пересечения волокон, путем их насыщения, непосредственного нанесения связующего на поверхность либо обрызгиванием с пропиткой. Это позволяет фиксировать холст так же, как и при термическом упрочнении. Для химически упрочненных полотен, однако, существует опасность изменения свойств во времени вследствие разложения связующего. Кроме того, обработка дорогостоящим связующим существенно повышает стоимость нетканого материала.

Геомембраны могут быть изготовлены практически из всех полимерных материалов. Состав материала мембраны, как правило, включает, помимо основного полимера, различные стабилизаторы, пластификаторы, красители, наполнители в виде органических или минеральных волокон, нитей, тканей и т.п. Они способствуют улучшению свойств полимеров, повышению их химической стойкости, тепло- и атмосферостойкости, деформационной способности, долговечности. В качестве наполнителей применяются порошки (кварцевая мука, мел, тальк и др.), волокнистые материалы (асбестовое волокно, стекловолокно и др.), а также слоистые материалы (бумага, различные ткани, металлические сетки и т.д.). В последнем случае получают армированный материал. Наряду с наполнителями вводят пластификаторы (сложные эфиры, цинковая кислота, стеарат

алюминия, фосфаты и др.), а также свето- и термостабилизаторы (газовая сажа, трехосновной сульфат свинца, органические аминокислоты и др.), красители (нигрозин, пигмент желтый, охра, сурик и др.) [24, 88, 209].

Геосетки образованы высокопрочными нитями или пучками нитей, которые скреплены узлами, переплетены или спрессованы. При этом открытые ячейки сетки существенно больше составляющих ее элементов [24, 143, 169].

Георешетки обычно изготавливают из полиэтилена высокой плотности, полипропилена или полиэстера при помощи процесса экструзии или сварки сплющенных лент [24, 141, 143].

Георешетки, ориентированные в одном направлении, получают путем экструзии и последующего растягивания в продольном направлении.

Экструдированные георешетки двойного ориентирования получают путем продольного и поперечного растягивания.

Клееные георешетки получают путем переплетения и склеивания в виде открытых ячеек пучков из двух или более нитей.

Геоматы изготавливают в виде регулярных или хаотичных волоконных трехмерных структур, а также в виде сотовых или других конструкций из полос геотекстиля, пластмасс или природных материалов, которые соединены между собой термическим, механическим или другими способами [24, 210].

Геоячейки изготавливают в виде монолитной полимерной сотовидной структуры методом экструзии [24].

Ниже кратко рассмотрены предложенные в последние годы способы получения геосинтетических материалов, позволяющие значительно расширить их ассортимент, увеличить эффективность применения и придать им дополнительные специфические свойства. Их создание основано на различных способах модификации уже существующих промышленных полимеров (совмещении, наполнении, обработке различными видами облучения), внедрении новых конструктивных особенностей и технологий производства.

Новые способы получения противофильтрационных материалов геомембран, способных обеспечить надежную гидроизоляцию сооружения, направлены на улучшение их изоляционных свойств, повышение прочностных характеристик и способности сохранять целостность в кислой среде.

Пленка из полиэтилена высокого давления с включением свето-, термостабилизаторов и антиокислителей приобретает более высокие физико-механические характеристики, если ее подвергнуть облучению. Облучение приводит к сшиванию макромолекул. При этом существенно возрастает стойкость материала к растрескиванию [183, 194].

Высокой стойкостью к ультрафиолетовому облучению обладает пленка из суспензионного поливинилхлорида, в состав которой включены сложноэфирный пластификатор и стабилизатор - смешанные соли карбоксилатов металла [199].

Высокий предел прочности при растяжении имеют тканые мембраны, изготавливаемые путем переплетения множества армированных полос из полипропилена и имеющие большое количество пустот разного размера. Наличие пустот предупреждает сдвиговые деформации грунта и, в то же время, не допускает большой фильтрации. В случае необходимости армирования дорожных покрытий и других грунтовых сооружений такие мембраны являются более предпочтительными по сравнению с традиционно применяемыми экструдированными георешетками. Они обладают большой гибкостью, легко раскатываются и сворачиваются в рулон при изготовлении, транспортировке и установке. Материал недорогостоящий [208].

Способ изготовления методом соэкструзии многослойной пленки из полиэтилена позволяет производить материал различной толщины от 2 до 100 мкм. Она состоит из центрального слоя полиэтилена низкой плотности, имеющего плотность 0,915-0,935 г/см³, и одного слоя адгезионного материала. Пленка изготавливается следующим образом. Экструдированный материал наслаивается слоями в соответствии с тем, от какого экструдера он приходит, затем наслоенный материал выводится в атмосферу путем продавливания его через щель ширительной головки, собирается на охлажденный валик и охлаждается водой с температурой от 10 до 25 С [201]. Аналогичным путем соэкструдирования изготавливается полипропиленовая пленка, которая также состоит из нескольких слоев полимерных материалов.

Высокие фильтрующие свойства обеспечивают новые виды геотекстильных материалов.

Физико-механические характеристики полимерных пленочных материаловРазработан фильтрующий нетканый материал, изготовленный из волокнистого холста, выполненного из анионо-обменного модифицированного полиамидного волокна и скрепленного иглопрокалыванием [192].

В ряде случаев возникает потребность в применении материалов, обладающих повышенным влагопоглощением. Прогрессивным материалом является хорошо впитывающая влагу арамидная ткань, в состав которой входит более 75 % арамидных кристаллизованных нитей [202].

Новые виды геосеток и георешеток, выполненных из высокопрочных материалов с применением эффективных способов соединения составляющих их элементов, разработаны с целью использования их в составе армирующих и дренажных конструкций.

Высокую прочность на растяжение проявляет сетка, изготовленная из высокопрочных молекулярно-ориентированных однослойных однородных термопластичных прутков. В конструкции прутки пересекают друг друга и в местах пересечения соединены сваркой. Сетка имеет большую площадь поверхности и может эффективно применяться в качестве дренажа и одновременно армирующего элемента грунтового сооружения [198].

Предложена геосетка, имеющая структуру, которая обеспечивает высокие деформационные и прочностные характеристики материала. Она сформирована из полимерных продольных тянутых лент, выполненных из полиэфира или полиэтилентерефталата, и поперечных лент, расположенных по отношению к продольным под углом 80-100 и соединенных в местах пересечения плавлением. В таком материале при действии напряжения не менее 90 % удельной прочности в продольном направлении продольных лент большая часть поперечных лент деформируется без растрескивания или разрыва. Геосетка эффективна при использовании в качестве армирующего элемента тела плотины, фундаментного ската и других конструкций [178].

Для обеспечения высокоэффективного отвода фильтрующей жидкости при одновременном выполнении армирующей функции в грунтовом сооружении разработана георешетка, выполненная из продольных пластин с дренажными прорезями. Прорези образуют открытую поверхность в виде полости для отвода поступающей снизу и сверху воды. Пластины имеют в поперечном сечении криволинейную форму и соединены между собой анкерами. Анкеры состоят из вставки, а также пластинок, посредством которых вставка путем сварки или скрепляющими элементами прикреплена к продольным пластинам [181].

Поиск новых способов изготовления геоматов направлен на повышение их прочностных характеристик, придание большей гибкости и пористости.

Высокой прочностью на растяжение, большой гибкостью и пористостью обладает новый тип геоматов - петельные геоматы. Новые свойства получены в результате того, что составляющие их нити выполнены из полипропилена путем экструдирования. Мат сформирован из геосетки, которая прошита в продольном и поперечном направлении нитью так, что на ее поверхности образуется множество петельных окончаний. Мат легко укладывается на грунтовую поверхность. Пористая структура материала способствует захвату корневых систем растений, обеспечивает закрепление грунта и свободную фильтрацию жидкости [207].

Разработан также высокопрочный геомат, имеющий сотовую структуру и состоящий из гибких полос, которые выполнены из нетканого геотекстиля. Повышенная прочность геотекстильных полос достигается благодаря скреплению волокон холстопрошивным способом посредством переплетения и упрочнению материала аппретированием и строчеными швами. Полосы расположены в шахматном порядке, установлены на ребра и соединены между собой линейными швами. В растянутом состоянии длина геомата составляет от 8 до 15 м, ширина - от 1 до 15 м, высота - от 0,05 до 0,2 м, ширина ячейки от 0,2 до 1,0 м [197].

Новые виды геокомпозитных материалов, состоящих из двух и более геосинтетиков различных групп, позволяют решать комплекс задач, связанных с увеличением несущей способности грунтовых конструкций, отводом фильтрующих вод и предотвращением фильтрации через тело сооружения.

Предложен композитный материал, обладающий повышенным сопротивлением на разрыв и высокой прочностью на растяжение, изготавливаемый из полиэтилена очень низкой плотности (VLDPE), металлизированного полиэтилена, а также полипропиленового гомополимера с включением сополимера и термостойких добавок. Такой материал обеспечивает надежную гидроизоляцию кровли, а также оросительных каналов, водоемов и других сооружений [212].

Высокие противофильтрационные характеристики грунтового сооружения способен обеспечить геосинтетический композитный материал, состоящий из двух слоев геотекстиля и уложенного между ними слоя глинистого порошка. Верхний слой геотекстильного материала имеет трубчатые полости, заполненные отверждающим раствором. Слои скреплены между собой, а выемки заполняют раствором глинистой суспензии [184].

Разработан рулонный гидроизоляционный материал, состоящий из армированного стеклотканью слоя битумной покровной мастики, включающей нефтяной кровельный полимерный компонент. На наружной поверхности материал защищен покрытием из полиэтиленовой пленки, а на внутренней - мелкозернистой присыпкой [215].

Повышенной стойкостью к внешним воздействиям обладают композитные синтетические полимеры, включающие смеси-добавки усиленного действия. Компонентами композиции являются полиолефин или полистирол, полиэтилен или полипропилен, а также стабилизаторы: фенольный антиоксидант, поглотитель ультрафиолетового излучения, светостабилизаторы, термостабилизаторы на основе поливинилхлорида; полимерный агент, обладающий амфифильными свойствами. В качестве наполнителя используют тальк, каолин и слюду, которые вводят в композицию в различных соотношениях [180].

Предложен армированный полимерный композиционный материал, обладающий высокими физико-механическими свойствами. Он выполнен на основе анилино-феноло-формальдегидного связующего, с пропиткой однонаправленной технической нити олигомерным связующим с последующим формованием, отверждением и магнитной обработкой в постоянном магнитном поле [185].

Как армирующий и дренажный элемент конструкции, предлагается совершенно новый композитный геосинтетик, состоящий из слоев дренажного и армирующего материалов, один из которых включает проводящий электрический ток геосинтетик. Дренажный слой выполнен из полипропиленовых волокон, а в качестве армирующего материала используется георешетка. Для достижения максимальной эффективности работы системы георешетку помещают внутрь дренажного слоя. Электропроводящий геосинтетик выполнен из полипропилена с включением металлических нитей или волокон. Такой композитный материал является своего рода электродом. Использование его способствует консолидации и упрочнению грунта, передвижению и электросорбированию веществ из грунта под действием электрического поля [206].

Рассмотренные основные новые способы получения геосинтетических материалов свидетельствуют о том, что их ассортимент и специфические свойства не исчерпываются описанными ранее, а непрерывно развиваются и совершенствуются и в ближайшее время можно ожидать появления новых геосинтетических материалов, обладающих более совершенным комплексом свойств и превосходящих по своим характеристикам известные до сих пор.

4. ВИДЫ СЕРИЙНО ВЫПУСКАЕМЫХ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ОСОБЕННОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

В настоящее время мировая промышленность вырабатывает большое число разнообразных геосинтетических материалов специально для строительных целей. Они имеют достаточно широкий диапазон физико-механических свойств, зависящих как от вида исходного полимерного сырья, так и от технологии производства.

Востребованность геосинтетиков и постоянно увеличивающийся рост их производства обусловлены разнообразием и уникальностью их свойств. По многим характеристикам геосинтетики превосходят традиционные материалы (металл, бетон, камень, дерево, стекловолокно) за счет низкой плотности, деформационной способности, стойкости против коррозии, хороших тепло-, звуко- и электроизолирующих свойств, а также низких производственных расходов при переработке, возможности замены нескольких деталей разного назначения, выполненных из традиционного сырья, одной, выполненной из полимерного материала.

В данном разделе приведены краткие сведения о конкретных видах наиболее широко используемых в строительной практике геосинтетических материалов, их составе и свойствах.

4.1 Геомембраны

Полимерные мембраны нашли широкое применение в мировой практике при строительстве и реконструкции гидротехнических сооружений, изоляции свалок бытовых и промышленных отходов, строительстве автомобильных дорог в просадочных грунтах, гидроизоляции мостов, туннелей и автостоянок, в качестве гидроизоляционного покрытия бетонных, кирпичных, грунтовых и других поверхностей, в том числе в емкостях для питьевой воды, в качестве антикоррозионного покрытия, для устройства и ремонта кровель.

Основные преимущества использования геомембран:

- высокая скорость выполнения сварочных работ;

- простота транспортировки и складирования материалов;

- отработанные методики оценки качества материалов и работ;

- снижение объемов экскавации;

- экономичность монтажа;

- абсолютная водонепроницаемость;

- высокая сопротивляемость механическим перегрузкам;

- химическая стойкость к воздействию широкого спектра загряз- няющих веществ;

- низкие затраты на поддержание объекта;

- сейсмическая устойчивость.

Полимерные мембраны на основе полиэтилена являются наиболее распространенным видом геомембран. Они изготавливаются из полиэтилена высокой и низкой плотности с добавлением сажи, антиокислителей и стабилизаторов. Полиэтиленовые мембраны характеризуются высокими антикоррозионными и гидроизоляционными свойствами, гибкостью, безусадочностью, трещиностойкостью, имеют высокие механические характеристики в сочетании с инертностью к кислотам и щелочам (возможно применять для хранения жидкостей с рН от 0,5 до 14). На свойства материалов не оказывают влияния колебания температур и ультрафиолетовое облучение, так как мембраны не содержат добавок или наполнителей, которые могут способствовать процессу старения и снижения его физико-механических характеристик.

Мембраны на основе полиэтилена обладают оптимальным сочетанием физико-механических характеристик, позволяющих наиболее полно использовать все их качества:

- за счет высокой прочности при растяжении (до 26,2 МПа) мембраны могут воспринимать значительные напряжения и, таким образом, кроме противофильтрационных, выполнять функции армирующего материала;

- большое относительное удлинение под действием максимальной нагрузки (до 850 %) и трещиностойкость обеспечивают целостность противофильтрационного элемента при значительных повреждениях оснований, особенно в просадочных грунтах;

- превосходная свариваемость листов дает возможность быстро и просто выполнять сварочные работы, а в сочетании со специальными прессованными профилями, которые закладываются в бетон, обеспечить качественную гидроизоляцию любых бетонных резервуаров;

- долговечность, стойкость по отношению к концентрированным щелочам и кислотам, а также по отношению к насекомым, грызунам и бактериям обеспечивают их эффективную работу в агрессивных средах.

В настоящее время в СНГ и за рубежом налажен выпуск большого количества различных марок геомембран. Ниже приведена информация об основных из них, получивших широкое распространение в строительстве.

HDPE (High Density Polyethylene) геомембраны изготовлены на основе полиэтилена высокой плотности. Они обладают высокими прочностными характеристиками и обеспечивают высокую химическую стойкость и герметичность сооружений [20, 50, 69].

VLDPE (Very Low-Density Polyethylene) геомембраны и LLDPE (Linear Low-Density Polyethylene) геомембраны, выполненные на основе полиэтилена низкой плотности, обладают высокой эластичностью, что позволяет использовать их в просадочных породах благодаря высокому коэффициенту линейного удлинения. VLDPE-мембраны - идеальный гидроизоляционный материал при строительстве объектов на просадочных грунтах [20, 50, 69].

Геомембрана «ТехПолимер» - рулонный полимерный изоляционный материал с гладкой поверхностью, изготавливаемый на основе полиэтилена высокой и низкой плотности (HDPE, LDPE) с добавлением комплекса присадок и стабилизаторов, состав которых зависит от будущих условий эксплуатации материала [17]. Использование сырья и компонентов высшего сорта и постоянный контроль качества продукции в процессе производства обусловливают уникальные свойства геомембраны:

- высокая механическая прочность на растяжение, прокол, продавливание и износ;

- химическая стойкость к большинству агрессивных сред

(pH 0,5-14) и высокие антикоррозийные свойства;

- абсолютная водонепроницаемость (коэффициент водопоглощения 0 %) и стойкость к ультрафиолетовому излучению;

- высокая радонзащитная способность (99 %).

Система гидроизоляции TEFOND изготовлена на основе мембраны из полиэтилена высокой плотности. Особое строение поверхности мембраны, имеющей рельеф в виде сферических выпуклостей, способствует вентиляции и дренажу защищаемых поверхностей. Соединение полос материала осуществляется с помощью механического замка. Этот способ соединения обеспечивает простоту и легкость укладки материала, которая осуществляется наложением одного полотна на другое, а также позволяет состыковать полотна разных материалов системы [88].

Разновидностями системы TEFOND являются мембраны Tefond, Tefond Plus и Tefond НР.

Мембрана Tefond используется для изоляции междуэтажного перекрытия от напольного покрытия. Она создает между ними воздушную прослойку, обеспечивающую циркуляцию воздуха и препятствующую проникновению влаги в помещение. Мембрана Tefond защищает оклеечную гидроизоляцию от возможных повреждений материалом обратной засыпки и обеспечивает сухость подвальных помещений. При укладке мембраны выступами к стене образуется воздушный зазор между стеной и грунтом, улучшающий теплоизоляцию и предотвращающий образование конденсата на её внутренней поверхности. В случае использования мембраны Tefond в качестве подушки под фундамент экономический эффект по сравнению с традиционно применяемой бетонной основой составляет более

60 %. Материал может применяться для любых грунтов. Погодные условия не влияют на процесс его укладки.

Tefond Plus отличается от базовой модели наличием герметика в замке и лучшими прочностными характеристиками. Мембрана Tefond Plus эффективно защищает фундаменты и наружные стены ниже нулевой отметки при низкой несущей способности грунта и наличии грунтовых вод. Пароизоляционные свойства мембраны Tefond Plus снижают относительную влажность внутри помещений. Tefond Plus эффективен при создании плоских крыш и террас. Он защищает гидроизоляционную мембрану от механических повреждений при укладке на нее других материалов, является дополнительным гидроизолирующим слоем, а также способствует отводу дождевой воды к водостокам. Мембрана Tefond Plus обеспечивает гидроизоляцию дна и стенок каналов благодаря механическому соединению и герметизации стыков полос материала.

Tefond HP представляет собой мембрану из упрочненного полиэтилена высокой плотности с герметиком в замке. Он имеет самые высокие прочностные характеристики из всех перечисленных выше материалов системы Tefond и применяется для защиты от механических воздействий, гидроизоляции, отвода влаги и укрепления грунта при строительстве автомобильных и железных дорог. Использование Tefond HP позволяет уменьшить толщину дорожного покрытия, а также время, затрачиваемое на строительство, снизить деформацию дорожного полотна, увеличить допустимые нагрузки на него, создать водонепроницаемый барьер. Применение Tefond HP позволяет решить проблемы эксплуатации железнодорожных путей, связанные со снижением несущей способности земляного полотна и загрязнением балласта неоднородными частицами грунта основания дороги. Мембрана Tefond HP поглощает значительную часть нагрузки от проходящих составов, предотвращая деформацию основания дороги, создает двойной горизонтальный гидроизоляционный барьер, обеспечивающий дренаж воды, поднимающейся из почвы, и дождевой воды, проникающей через балласт; позволяет уменьшить толщину некоторых слоев насыпи, что дает экономию материалов, времени и средств. При строительстве и реконструкции туннелей и других подземных сооружений с помощью Tefond HP можно осуществлять как гидроизоляцию плюс дренаж, так и равномерное распределение нагрузки на стены. Использование мембран Тефонд НР позволяет повысить прочность, безопасность и длительность эксплуатации туннелей.

...