Свойства геосинтетических материалов.

Свойства геосинтетических материалов.
Геосинтетические материалы-материалы из полимеров, применяемые в дорожном и гражданском
строительстве в контакте с грунтом или другими строительными материалами, обладающие высокой
долговечностью и стойкостью к агрессивным видам воздействия (химическому, биологическому,
термическому и пр.). Классификация геосинтетических материалов подразумевает деление их на два
основных класса: водопроницаемые и водонепроницаемые. Водопроницаемые делятся на геотекстильные
полотна (нетканые, тканые, вязаные) и георешетки (жесткие тянутые, гибкие тканые, соединенные лазерной
сваркой, трехмерные с хаотичной структурой монофиломентов, объемные каркасного типа).
Водонепроницаемые представлены двумя группами - бентонитовые маты (с наполнителем из
монтмориллонитовой глины с пластинчатой молекулярной структурой, расширяющейся при увлажнении) и
геомембраны (ПВХ и битумные). На основе вышеперечисленных геосинтетических материалов
изготавливаются различные виды геокомпозитов, сочетающие в себе одновременно целый ряд
разнообразных функций (например, армирования с разделением слоев конструктива).
Сырьем для производства геосинтетических материалов служат:
- полиэфир (в том числе высокомодульный - полиэтилентерефталат);
- полипропилен;
- поливинилалкоголь;
- полиамид;
- арамид;
- полиэтилен.
В качестве пропитки для стабилизации от УФ излучения наиболее часто применяются поливинилхлорид и
поливинилакрилат.
Прочность полимеров находится в прямой зависимости от скорости приложения нагрузки. Чем она
медленнее, тем меньше прочность на растяжение. Это правило относится ко всем видам полимеров. Для
полиамида, полиэфира и полипропилена ухудшение показателя - от 10%, для полиэтилена –от 60%. Для
полиэтилена и полипропилена с уменьшением скорости растяжения увеличивается удлинение при разрыве.
Для полиамида и полиэфира влияние скорости нагружения на удлинение при разрыве незначительно.
Свойства всех полимеров зависят от температуры и влажности. С увеличением температуры ползучесть
полимеров растет, соответственно уменьшается прочность на растяжение.
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ.
Вид полимера
Характеристика
полимера
Плотность,
(кг/м.куб.)
Хрупкость, (%)
Температура
хрупкости, (°С)
Температура
плавления, (ºС)
Максимально
допустимая
температура
обработки, (ºС)
Минимально
допустимая
температура
обработки, (ºС)
Водопоглощение
при 20°С и
относительной
влажности 65ºС,
(%)
Полиамид 6
Полиамид
6.6
Полиэфир
Полипропилен Полиэтилен
Полиэтилен
высокого
давления
1140
1140
1380
900-910
920-930
940-960
до 60
30-60
до 60
30-60
30-40
75
60-70
-15
40-55
-100
60-80
-100
215-220
250
250-260
160-165
110-120
125-135
190
200
200
130
90
100
<-60
<-60
<-60
-40
-40
-40
до 4
до 4
0,4
0
0
0
Водопоглощение
при погружении
в воду при 20°С
Прочность на
растяжение в
сухом
состоянии,
(Н/мм²)
Растяжение при
разрыве, (%)
Прочность на
растяжение (в %
от прочности на
растяжение при
20ºС):
t=50°C
t=100ºC
t=150°C
t=200ºC
Прочность на
растяжение во
влажном
состоянии,
(Н/мм²)
Растяжение при
разрыве во
влажном
состоянии, (%)
до 10
до 10
1
0,01
0,01
0,01
700-900
700-900
800-1200
400-600
80-250
350-600
18-25
15-28
8-15
10-40
20-80
10-45
90
80
60
65
600-800
90
80
60
65
600-800
95
85
70
800-1200
90
55
30
400-600
60
40
80-250
60
350-600
20-30
18-30
8-15
10-40
20-80
10-45
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ.
Температура
Прочность на
растяжение
(Н)
Полиэтилен
Полипропилен
Полиамид 6.6
Полиамид 6
Полиэфир
Удлинение
при разрыве
(%)
Полиэтилен
Полипропилен
Полиамид 6.6
Полиамид 6
Полиэфир
-20°
0º
20°
40º
80°
120º
140°
47
131
150
156
89
44
130
142
149
85
36
133
136
138
83
26
127
134
137
80
9
88
118
127
71
62
98
107
61
46
11
11
22
22
10
14
12
23
24
10
25
14
23
22
10
51
16
24
24
11
50<
32
24
26
11
80
25
29
12
140
Физические свойства геосинтетических материалов.
160º
81
89
52
29
36
14
180°
195°
71
66
43
36
27
19
Поверхностная плотность – удельный вес материала, показывающий отношение массы в граммах к метру
квадратному площади. (г/м²). Поверхностная плотность позволяет оценивать однородность поставляемого
материала.
На механические и гидравлические свойства геотекстильных полотен, в частности нетканых, влияет
сжимаемость материала. Толщина материала определяется под действием равномерно распределенной
нагрузки. Для этого образец материала располагается на плоской гладкой поверхности. На него
укладывается жесткая плита, через которую передается вертикальная нагрузка. Опыты проводят при
интенсивности распределенной на геотекстиль нагрузки равной 2,20,200 кН/м². При каждом значении
фиксируется толщина материала. Разность значений толщины материала в зависимости от интенсивности
нагрузки характеризует его сжимаемость.
Механические свойства геосинтетических материалов.
Геосинтетические материалы, выполняющие функцию армирования, воспринимают растягивающие
усилия, в связи с чем для них прочность на растяжение является одной из самых важных характеристик.
Прочность на растяжение устанавливается при испытании прямоугольных образцов в специальной
разрывной машине (наиболее точные показания получаются при использовании удерживающих захватов не
менее 200мм). Образец растягивается с постоянной скоростью. Прочность на разрыв соответствует
максимальному усилию, незначительное превышение которого вызывает разрушение материала. Прочность
на растяжение измеряется в единицах силы, отнесенных к 1м ширины (кН/м). Значение прочности,
полученное в результате таких испытаний, характеризует кратковременную прочность материала, так как
геосинтетические материалы обладают свойством ползучести.
Наряду с прочностью на растяжение важную роль играет соотношение напряжения и удлинения. Модуль
растяжения на линейном участке зависимостей равен отношению приращения нагрузки к соответствующему
приращения удлинения. Чем круче кривая, тем выше модуль материала на растяжение. Такие материалы
относятся к высокомодульным геосинтетическим материалам. Для армирующих элементов применяются
высокопрочные, высокомодульные материалы. Низкомодульные материалы целесообразны для
использования в качестве разделительных элементов конструкции. Испытания проводят в поперечном и
продольном направлениях полотна. Если свойства одинаковы, то материал относят к равнопрочному в двух
направлениях (биаксиальному). Если данные свойства полотен не одинаковы по обеим направлениям, то
материалы являются не равнопрочными-одноосными.
Сопротивление проколу определяет сопротивляемость материала механическим воздействиям, которые
возможны в процессе производства работ и эксплуатации, например, при засыпке материала грунтом. Этот
показатель важен для мембран и геотекстильных полотен, когда они используются в качестве защитного
слоя. В зависимости от результатов испытаний может быть обоснована необходимая толщина геомембраны,
при которой обеспечивается герметичность гидроизоляции при ее использовании в контакте с различными
материалами и протность геотекстильного полотна, необходимая для обеспечения защитной функции.
Испытания проволят с помощью падающего конуса.
Ползучесть геосинтетических материалов определяется не только типом полимера, но и технологией их
изготовления. Как правило, ползучесть самих геосинтетических материалов выше ползучести полимерных
волокон, из которых они изготовлены. Ползучесть также зависит от степени приближения действующей
нагрузки к предельному значению, температуры и других факторов. Чем больше усилия, воспринимаемые
материалами, тем ползучесть материалов проявляется сильнее.
Ползучесть материала определяется испытаниями на растяжение при постоянной нагрузке. Для испытания
на ползучесть образцы материала закрепляются вертикально между двумя клеммам. На нижнюю подвижную
клемму передается постоянное усилие, равное 25% от прочности материала на растяжение. После
определенных промежутков времени снимают показания удлинения. Значения удлинения фиксируются после
воздействия нагрузки в течение 1, 24 и 500 часов. Испытания проводятся для продольного и поперечного
направлений материала. В результате опытов устанавливается среднее удлинение материала. Удлинением
ползучести называют среднее удлинение материала при интенсивности нагрузки, равной ¼ предельной
нагрузки на растяжение.
В расчетах длительной прочности на растяжение ползучесть геосинтетических материалов может быть
вычислена по формуле при помощи понижающего коэффициента А1, определяемого на основании опытов в
зависимости от срока службы сооружения:
Т1 = Тr / А1,
где Тr – кратковременная прочность материала на растяжение, установленная по результатам испытания на
растяжение.
Если экспериментальные данные отсутствуют, то для сооружений сроком службы 100 лет, то они могут
быть приняты равными:
-для геосинтетических материалов из полиэтилена или полипропилена А1=5;
-для геосинтетических материалов из полиамида или полиэстера А1=2,5.
Для проектирования конструкций дорожных одежд и земляного полотна, значение понижающего
коэффициента, согласно «Рекомендаций по применению геосинтетических материалов при строительстве и
ремонте автомобильных дорог» (2003г.) допускается назначать по гарантированным производителем
данным.
Геосинтетические материалы должны быль устойчивы к воздействиям ультрафиолетового излучения,
агрессивности грунтовых вод, влиянию температурного режима эксплуатации, климатических условий
района строительства, технологии производства работ. Если изменения наблюдаются, то их следует
учитывать в расчетах и проектировании. В этих целях производятся испытания материалов на устойчивость к
биологическим (бактерии), химическим (растворы солей, кислот и пр.) или фотохимическим (ультрафиолет)
воздействиям. По результатам испытаний определяют изменения физико-механических характеристик
материала при воздействии перечисленных выше факторов. Все негативные влияния характеризуются
понижающими коэффициентами.
В частности, по геосинтетическим материалам фирмы KORDARNA a.s. (Чехия) таблица понижающих
коэффициентов, используемых при проектировании армогрунтовых конструкций, имеет следующий вид:
Понижающий
Armatex G
Armatex M
Kortex GT
Kortex GTPP
Armatex
коэффициент
RS,RSR
Материал
полиэфир
поливинилалкоголь полиэфир
полипропилен
полиэфир
(подложка из
полиэфира или
полипропилена)
Ползучести
1,54
1,49
1,56
3,0-4,0
1,56
Повреждаемости 1,04
1,08
1,20
1,08
1,28
при укладке
(1,08 in G 0-32)
(1,32 in G 0-32)
(1,10 in G ≤63)
Учета влияния
окружающей
среды pH 0-4
1,00
1,00
1,00
1,00
1,01
pH 9-14
1,00
1,00
1,05
1,03
1,11
При использовании геосинтетических материалов в качестве разделительных, фильтрующих, дренажных и
армирующих элементов их водопроницаемость имеет большое значение. В процессе эксплуатации
водопроницаемость может снижаться из-за заполнения пор мелкими частицами грунта.
Эффективный размер пор позволяет определить фильтрующую способность материала и оценить его
устойчивость к суффозии и кольматажу. Опыты проводятся путем сухого и влажного просеивания
калиброванного песка через геотекстиль, закрепленный в специальной раме. Эффективный диаметр пор
соответствует диаметру частиц 90% которых прошло через геотекстиль.
При проектировании важно учитывать параметры геокомпозиционной системы «геосинтетический
материал-грунт-грунтовая вода».
При армировании имеют значение:
- Контактная прочность между геосинтетическим материалом и грунтом.
- Зависимость относительного удлинения материала от действующих нагрузок.
- Ползучесть материалов в грунте.
При фильтрации и дренировании первостепенное значение приобретают:
-Стабильность фильтрующей способности при механическом и
гидравлическом воздействии. Влияние гидравлического режима и условий в предельных
состояниях. Долговременная прочность при воздействии динамической нагрузки.
- Устойчивость к кольматажу и суффозии.
-Фильтрующая способность материала в агрессивной среде грунтовых вод.
Повышение несущей способности грунтов с помощью геосинтетических материалов.
Геосинтетические матералы выполняют функцию армирования основания на слабых и техногенных
грунтах для повышения их несущей способности. Их применение позволяет отказаться от замены грунтов
или использования свай.
Георешетки и высокопрочные тканые полотна позволяют возводить подпорные стены с углом заложения
выше нормативного, взамен бетонных подпорных стен, что позволяет значительно сократить сроки и
стоимость строительства. В условиях стесненной городской застройки выбор таких инженерных решений
наиболее актуален и экономически целесообразен.
Несущая способность сооружения обеспечивается за счет способности геосинтетических материалов
воспринимать растягивающие усилия, возникающие в грунтовой конструкции.
Передача усилий на армирующие элементы происходит через касательные напряжения, возникающие на
контакте геосинтетического материала и грунта. Чем выше контактная прочность (значения предельных
касательных напряжений контакта), тем больше эффект армирования.
Расчет оснований и грунтовых сооружений позволяет определить прочность арматуры и конструктивное
решение. При этом большое значение придается вопросам деформаций и осадок основания. Эффект
армирования проявляется в выравнивании эпюры осадок и зависит от прочности и напряженного состояния
арматуры. Строительство армогрунтовой конструкции выполняется в два этапа. Первый этап- возведение
сооружения с возможностью передачи на основание дополнительных нагрузок. Его длительность равна
времени консолидации грунтов. Второй этап - завершающее строительство сооружения в соответствии с
требованиями проекта. Для армирования грунтов и грунтовых сооружений целесообразно использовать
геосинтетические материалы, обладающие высокой прочностью (не менее 60кН/м) и малым удлинением при
разрыве (не более 12%). Они должны обладать высокой водопроницаемостью, во избежание возникновения
эффекта порового давления. Для армирования насыпей и откосов наиболее приемлемы песчаные и грунты,
обладающие высоким коэффициентом фильтрации, хорошо уплотняемые. Оптимальным шагом армирования
является 0,5-0,6м. Коэффициент трения и адгезия это параметры, определяющие контактную прочность.
Физический смысл этих параметров отличен от угла внутреннего трения и сцепления грунтов и зависит от
многих факторов. Коэффициент трения контакта определяется трением частиц грунта о поверхность
сплошного геосинтетического материала. А для георешеток еще и трением частиц грунта, находящихся в
свободных ячейках материала. Прочность контакта зависит не только от свойств грунтов, но и свойств
геосинтетического материала. Снижение контактной прочности наблюдается при увеличении влажности.
Прочность контакта всегда меньше прочности грунта. Для определения контактной прочности с учетом
ползучести материала необходимо производить опыты на сдвиг в условиях длительного нагружения, которые
позволят определить корреляционные зависимости, необходимые для расчета сооружений на заданный
период времени.
Технический специалист ООО «Комплекс СПб»
Силин Евгений Васильевич.