ژئوممبران و انواع آن

ژئوممبران و انواع آن

نفوذ آب به سازه‌های ساخت بشر نظیر ساختمان‌ها، پل‌ها، تونل‌ها و جاده‌ها، تأمین آب زمین‌های کشاورزی دور از منابع آب و هدر رفتن آب به دلیل نفوذ آن به کانال‌های خاکی در مسیرشان، آلودگی خاک در محل‌های دفن زباله و به تبع آن آلودگی آب‌های زیرزمینی چالش‌هایی هستند که در اثر نفوذ آب به داخل خاک ایجاد می‌شوند. بنابراین یافتن راهی که بتوان با صرف کمترین زمان و هزینه مشکلات فوق را برای سالیان متمادی حل کرد، اهمیت می‌یابد. پاسخ چالش‌های فوق را می‌توان در ورق‌های ژئوممبران که در زمره محصولات ژئوسینتتیک قرار می‌گیرند، جستجو کرد.

همان­طورکه از اسم ژئوسنتتیک پیداست، محصولی مصنوعی و ساخته بشر است که برای تثبیت زمین از آن استفاده می‌شود. ژئوسنتتیک ­ها از مواد پلیمری ساخته می‌شوند و در زمین‌هایی که نیاز به مقاوم­ سازی دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. ژئوتکستایل، ژئوممبران، ژئوگرید، ژئونت، ژئوکامپوزیت، ژئوسنتتیک کلی لاینر، ژئوپایپ و ژئوفوم انواع محصولات ژئوسنتتیک هستند، شکل 1 برخی از انواع محصولات ژئوسنتتیک را نشان می­دهد. ژئوممبران به عنوان یکی از انواع مهم ژئوسنتتیک، عایقی مصنوعی با نفوذپذیری بسیار پایین است که از مهاجرت و نفوذ آب یا گاز در پروژه‌های بشری ممانعت به عمل می‌آورد. ژئوممبران ورق پلیمری نازکی است که از پلیمرهایی همچون EPDM، PVC و انواع پلی­ اتیلن (HDPE، LDPE، LLDPE و VLDPE) ساخته می‌شود. در ادامه به اختصار به معرفی انواع ژئوممبران پرداخته خواهد شد.

ژئوممبران HDPE

پلی ­اتیلن سنگین پرمصرف‌ترین پلیمر در تولید ورق‌های ژئوممبران در جهان است. HDPE استحکام بالا و مقاومت شیمیایی عالی در برابر گستره وسیعی از مواد شیمیایی (هیدروکربن‌ها و حلال‌ها) دارد. در پلی­ اتیلن  سنگین زنجیرهای پلیمر به شکل فشرده‌ای در شبکه بلوری قرار گرفته‌اند و مانع از نفوذ مواد شیمیایی به داخل پلیمر می‌شوند.

HDPE بسیار سفت و به همین دلیل مستعد ترک ناشی از تنش‌های محیطی است، در صنعت در واقع از MDPE که دانسیته پایین‌تری دارد برای ساخت ژئوممبران استفاده می‌شود که در اثر افزودن دوده چگالی محصول نهایی بالا رفته و به همان چگالی HDPE می‌رسد و به همین دلیل ژئوممبران­ های  تهیه شده با MDPE با همان نام HDPE شناخته می‌شوند. ژئوممبران­ های  HDPE بعد از ژئوممبران ­های PVC در سال 1980 محبوبیت پیدا کردند و علت آن مقاومت شیمیایی عالی و امکان جوش حرارتی به جای استفاده از چسب‌های سیمانی و حلال بود. ژئوممبران ­های  HDPE به دلیل مقاومت در برابر UV، قیمت پایین، خواص مکانیکی متنوع و مقاومت شیمیایی عالی نسبت به رقبای خود بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند.

قیمت پایین HDPE باعث شده است تا ژئوممبران­ های  تولیدی را تا حد دلخواه ضخیم بسازند و به این طریق مقاومت سوراخ­ شدگی آن را افزایش دهند. یک ژئوممبران ضخیم‌تر به چند دلیل مطلوب‌تر است از جمله توانایی جوش ­خوردن بدون آسیب­ دیدن به لاینر، افزایش استحکام کششی، مقاومت در برابر ترک و حساسیت کمتر به چین­ خوردن که یکی از عوامل ترک ­خوردگی ورق‌های ژئوممبران است.

حداقل الزامات برای کیفیت یک محصول ژئوممبران در استاندارد GM-13 آمده است که مربوط به شرایط و فرکانس آزمون و ضمانت‌های پیشنهادی برای ورق‌های ژئوممبران صاف و گیره ­دار است. این استاندارد توسط موسسه تحقیقات ژئوسنتتیک (GRI) با همکاری تولیدکنندگان ژئوممبران طراحی شده است. این الزامات حداقل‌هایی را برای خواص مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی درنظر گرفته است که باید توسط تولید­کننده ژئوممبران رعایت شود که از کیفیت خوب و عملکرد ژئوممبران HDPE در کاربردهای عمومی اطمینان حاصل شود. لازم به ذکر است که انتخاب رزین مناسب، شرایط عملیاتی مناسب و فرمولاسیون برای تولید ژئوممبران مطابق با الزامات ضروری است.

برخی از کاستی‌های ژئوممبران HDPE

• انعطاف ­پذیری پایین که منجر به سختی نصب می‌شود.
• HDPE یک عایق سفت است که ضریب ­انبساط­ حرارتی بالایی دارد که منجر به انبساط و ایجاد موج در دمای بالا و جمع­ شدن، سفت ­شدن و دشواری نصب در دمای پایین می‌شود.
• نیاز به مراقبت ویژه در برابر آسیب‌های مکانیکی در حین نصب دارد چرا که هر خراشی می‌تواند بعداً مستعد ترک­ تنشی شود.
• به دلیل ساختار کریستالی که دارد مستعد ترک‌های­تنشی محیطی است.
• مقاومت­ سوراخ­ شدگی ژئوممبران HDPE کمتر از رقبای خود است.

ژئوممبران LLDPE

از انجا که ورق‌های ژئوممبران HDPE انعطاف­ پذیری پایین داشتند، برای کاربردهایی که به انعطاف­ پذیری بالاتر نیاز بود، ورق‌های ژئوممبران LLDPE به بازار عرضه شدند. LLDPE کم بلورترین شکل پلی ­اتیلن است که بدون استفاده از پلاستی ­سایزرهای مهاجر یا دیگر افزودنی‌های نرم ­کننده، انعطاف­ پذیری بالا و استعداد کمی برای شکست در ترک‌های تنشی دارد و در مقایسه با ژئوممبران­ های HDPE مقاومت بالاتری در سوراخ­ شدگی از خود نشان می‌دهد. محاسن مذکور برای ژئوممبران ­های  VLDPE و LLDPE آن‌ها را برای کاربردهایی همچون روکش محل‌های دفن زباله و سایر تاسیساتی که نیاز به مقاومت سوراخ ­شدگی بالا دارند و در جاهایی که احتمال فرونشست زمین وجود دارد، مخازن آب، دریاچه‌های مصنوعی و کانالها و استخرهای مربوط به فرایند فاضلاب مناسب گردانیده است. لازم به ذکر است که ژئوممبران LLDPE مقاومت متوسطی در برابر آب­ و ­هوا و اشعه ­فرابنفش دارد، بنابراین لازم است کاملاً تثبت یا دفن و پوشیده شود. مقاومت ژئوممبران‌های LLDPE و VLDPE در برابر مواد شیمیایی و UV نسبت به نوع HDPE کمتر است و از طرف دیگر انعطاف‌پذیری آن به اندازه ژئوممبران‌های PVC-P نیست. LLDPE نسبت به اکسیداسیون حساس است که با تاثیرات کاتالیزوری یون‌های فلزی چند ظرفیتی در حالت شیمیایی فعال شتاب می‌گیرد. برای مثال یون‌های آهن +2 و +3 بسیار شایع ­اند اما موثرترین کاتالیست‌های اسیدی مربوط به یون‌های منگنز و مس است.

ژئوممبران‌های LLDPE با انواع پلیمرهای پلی‌اتیلن تولید می‌شوند که دامنه چگالی وسیعی را در برمی‌گیرند. به عنوان مثال گرید با دانسیته بالا خواص مکانیکی مناسب ایجاد می‌کند که نزدیک به خواص HDPE و MDPE است و گریدهای با چگالی پایین خاصیت نرمی و انعطاف‌پذیری به آن می‌دهند که نزدیک به VLDPE است. استاندارد GRI GM-17 الزامات مربوط به ژئوممبران LLDPE را مشخص می‌کند.

به دلیل مقاومت شیمیایی پایین LLDPE در مقایسه با HDPE و از طرفی انعطاف‌پذیری بالای LLDPE، کواکستروژن سه لایه با استفاده از HDPE و LLDPE به طوری که لایه میانی ژئوممبران تولیدی از جنس LLDPE و دولایه خارجی از جنس HDPE باشند صورت می‌گیرد.

ژئوممبران PVC

ژئوممبران­ های  PVC آمیزه‌ای از PVC و عوامل نرم­کننده که پلاستی‌سایزر نامیده می‌شوند، هستند. پلاستی ­سایزر PVC را نرم و منعطف می‌کند و امکان رول­شدن، بافته­ شدن را به ان می‌دهد تا بتواند به عنوان ژئوممبران استفاده شود. معمولاً تا 40% پلاستی­ سایزر برای منعطف­ کردن PVC برای ساخت ژئوممبران استفاده می‌شود. پلاستی‌سایزر می‌تواند به مرور زمان به سطح ژئوممبران مهاجرت و از ان خارج شود که منجر به شکنندگی، جمع­ شدگی و خرد­شدن ژئوممبران می‌گردد. بسته به کاربرد ژئوممبران، پلاستی­ سایزرهایی با وزن ملکولی بالا یا پایین مورد استفاده قرار می‌گیرند. پلاستی سایزر با وزن­ ملکولی پایین، استرهای مایع مانند فتالات­ ها هستند. فتالات­ ها در نرم­ کردن PVC بسیار خوب عمل می‌کنند اما به مرور زمان از ژئوممبران خارج و همچنین با هیدرولیز دچار تخریب می‌شوند. پلاستی سایزرهای با وزن ملکولی بالا مقاومت شیمیایی بالایی دارند و کمتر مستعد مهاجرتند؛ البته انعطاف­ پذیری پایین‌تری دارند.

یکی دیگر از روش‌های انعطاف­پذیر کردن PVC استفاده از پلاستی­سایزرهای پلیمری مانند کتون اتیلن استر (KEE) است که با PVC یک الیاژ اینترپلیمر اتیلن(EIA) تشکیل می‌دهد. KEE به عنوان عامل الیاژ ساز غیر مایع، پیوندهای محکمی برقرار می کندکه از PVC فرار یا مهاجرت نمی‌کنند. ژئوممبران­ های  EIA در برابر دمای بالا، مواد شیمیایی همچون اسید، روغن و متان مقاومند، مشکل مهاجرت پلاستی ­سایزر در آن­ها وجود ندارد و می‌توانند در کاربردهای محیطی نیز مورد استفاده قرار بگیرند.

ژئوممبران EPDM

EPDM یک ورق لاستیکی پخت ­شده (یا دارای پیوند­عرضی) است که در خانواده پلی­ الفین ­ها جای­ می‌گیرد. ملکول­ های بلند لاستیک در EPDM با وجود پیوندهای­ عرضی خاصیت الاستیک و پایداری شیمیایی به ژئوممبران می‌بخشند؛ در نتیجه ژئوممبران لاستیک EPDM تغییر شکل را بهتر از سایر ژئوممبران­ ها تحمل می‌کند. از طرف دیگر استحکام و الاستیسیته آن چندان به دما وابسته نیست؛ بنابراین به ­اسانی روی زمین پهن شده و پستی و بلندی‌های خاک را پوشش می‌دهد. مقاومت آن در برابر شرایط آب ­و ­هوایی و نور UV عالی است که باعث می‌شود تا خواص فیزیکی طی چند دهه استفاده بدون تغییر باقی بماند بدون آنکه شکننده شود، ترک بردارد یا جمع شود. طول عمر پیش ­بینی­ شده برای آب­ بندهای EPDM که در معرض محیط هستند 25 تا 40 سال تخمین زده شده است. این ژئوممبران در برابر شرایط محیطی خصوصاً وقتی که خط انتقال آب روباز است و به طور متناوب سطح­آب در آن کم و زیاد می‌شود و در نتیجه ژئوممبران در معرض UV قرار می‌گیرد مقاومت بالایی نشان می‌دهد. دارای استحکام کششی و مقاومت در برابر سوراخ­ شدگی فوق­ العاده است.

ژئوممبران EPDM انتخاب مناسبی برای کاربردهای محیطی مانند استخرها، لاگون ها، دریاچه‌ها، کانال هاو… است.

مزایای EPDM نسبت به HDPE

ترک تنشی پدیده شکست ترد است که در بعضی از ژئوممبران­ های  HDPE رخ می‌دهد. این یک ویژگی ابتدایی در HDPE بلورین است و می‌تواند حتی در تنش‌هایی که 20-30% تنش تسلیم ماده هستند اتفاق بیفتد. ترک‌های تنشی نخست در محل جوش خوردگی‌ها و بی نظمی‌های ضخامت که محل‌های تمرکز تنش هستند اتفاق می­افتد {در نتیجه یکنواختی ضخامت بسیار مهم است}. ژئوممبران EPDM محصولی است که می‌تواند در طول عمر خود به صورت تک محوره یا چند محوره تحت تنش قرار بگیرد بدون آنکه ترک­ تنشی رخ دهد.

HDPE ضریب انبساط حرارتی بالایی دارد و به طور قابل­ توجهی در دمای متوسط تا زیاد منبسط می‌شود، مثل فاصله روز تا شب. افزایش دمای محیط و سطح با ایجاد انبساط و انقباض منجر به ایجاد موج در لاینر HDPE می‌شود. تکرار چنین پدیده‌هایی منجر به ترک تنشی می‌شود؛ همچنین این مساله می‌تواند بر کیفیت جوش مؤثر باشد. در مقابل EPDM ضریب انبساطی پایینی دارد، بسیار منعطف است و بسیار خوب روی زمین پهن می‌شود.

HDPE مقاومت منحصر به ­فردی در مقابل نور UV از خود نشان می‌دهد به ­طوری­ که با افزودن 2 تا 3 درصد دوده مقاومت ژئوممبران UV به طور قابل­ توجهی افزایش می­یابد؛ اما در ژئوممبران EPDM به اندازه 3/1 وزن کامپاند به دوده نیاز است. جوش دادن ورق­های ژئوممبران HDPE با دشواری روبروست و بستگی به عوامل مختلفی همچون دمای محیط، ضخامت ورق، تجهیزات جوش ­دهی دارد درحالی­که یک گرید ویژه از ژئوممبران EPDM می‌تواند با روش‌های جوش حرارتی جوش داده شود و احتیاج به شرایط خاص محیطی ندارد.

مقایسه EPDM و PVC

مساله مهاجرت پلاستی سایزر در ژئوممبران های PVC که قبلا به آن پرداخته شد ورق ژئوممبران را تبدیل به یک محصول شکننده، سفت با خواص مکانیکی ضعیف می­کند. PVC نسبت به نور، گرما و میکرو ارگانسیم­ ها بسیار حساس است بنابراین تنها برای کاربردهای مدفون پیشنهاد می‌شود. ژئوممبرانPVC در مقابل سنگ‌های تیز  بسیار ضعیف است؛ بنابراین در صورت استفاده باید از ژئوتکستایل یا لایه‌های حفاظتی برای محافظت از ژئوممبران استفاده شود. در مقابل ژئوممبران EPDM مشکل مهاجرت پلاستی­ سایزر یا دشواری نصب را ندارد.