ژئوممبران چیست؟
ژئوممبران های ورق هایی از جنس پلیمر های مختلف هستند که می توانند نفوذ پذیر یا ناپذیر باشند. نوع نفوذ ناپذیر ژئوممبران ها معمولا بعنوان سدی در برابر نفوذ آب استفاده می گردد. ژئو ممبران ها کاربرد های مختلفی دارند و در گرید های مختلف تولید می شوند که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت.
کاربرد های ژئوممبران:
ژئوممبارن ها در صنایعی همچون محیط زیست، سازه های هیدرولیکی، حمل و نقل، نفت و گاز و مدیریت پسماند استفاده می شوند. ژئو ممبران ها بطور کلی دارای چهار کارکرد عمده هستند:
- جداسازی: بعنوان مثال جدا سازی پی ساختمان ها از محیط اطراف
- زهکشی: ژئوممبارن ها میتوانند برای ایجاد کانال های زهکشی و هدایت آب استفاده شوند
- تحکیم: در برخی موارد ژئو تکستایل ها باعث تحکیم خاک و یا سازه ها می شوند
- محافظت: در برخی موارد ژئوممبران ها باعث محافظت خاک و جلوگیری از سست شدن آن در اثر اعمال استرس می شوند
برخی از کاربرد های ژئوممبران ها عبارتند از:
- برای ساخت مخازن ذخیره آب آشامیدنی و یا کشاورزی
- ساخت حوضچه های مصنوعی جهت پرورش ماهی
- ساخت مخازن نفوذناپذیر برای نگهداری پسماند های خطرناک
- برای آب بندی کانال های انتقال آب و یا فاضلاب
- بعنوان لایه محافظ ثانویه برای مخازن ذخیره زباله
- بعنوان لایه اطمینان برای جلوگیری از نشتی مخازن ذخیره سازی مواد خطرناک
- بعنوان لایه آب بند برای گود های ساختمانی و تونل ها
تولید ژئوممبران:
برای تولید ژئوممبران از روشی بنام اکستروژن – کلندر استفاده میشود. در این روش مواد پلیمری به همراه انواع افزودنی ها بسته به فرمولاسیون در داخل یک اکسترودر مخلوط و توسط یک دای به بین غلطک های دستگاه کلندر منتقل می شموند. نهایتا مواد مذاب با گذشتن از بین غلطک ها به شکل یک ورق با ضخامت معین در می آید که پس از سرد شدن قابل استفاده می باشند.
مشخصات ژئوممبران:
پس از اینکه ژئوممبران تولید شد، باید تست های مختلفی بر روی آن انجام شود تا از کارایی آنها اطمینان حاصل آید. انواع تست های موجود برای ژئوممبران ها در ASTM، ISO و منابع دیگر در دسترس هستند. از جمله مواردی که در ژئوممبران ها کنترل میشود عبارتند از:
- ضخامت
- دانسیته
- شاخص جریان مذاب (Melt Flow Index)
- عبور دهی بخار
- مقاومت کششی
- مقاومت پارگی
- مقاومت سوراخ شدگی
- مقاومت در برابر ضربه
- انواع تست های طول عمر مربوط به اکسیداسیون و UV
طبقه بندی ژئوممبران ها:
ژئو ممبران ها از مواد مختلفی همچون پلی اتیلن سنگین، پلی اتیلن سبک خطی، پلی اتیلن دانسیته متوسط، پی وی سی، ای پی دی ام ساخته می شوند. ژئوممبران های HDPE و PVC از همه متداولتر هستند.
از لحاظ تنوع مدل، ژئوممبران ها به سه نوع صاف، طرح دار و کامپوزیتی تقسیم میشوند.
ژئوممبران های صاف:
این نوع از ژئوممبران ها معمولا از جنس پلی اتیلن و یا پی وی سی ساخته میشوند. در حین ساخت علاوه بر رزین های پلیمری، افزودنی هایی شامل انتی اکسیدان ها، رنگدانه ها، آنتی یو وی ها و … استفاده میشود. این نوع ژئوممبران ها برای ساخت مخازن آب، کانال ها، مخازن ذخیره پساب، لند فیل ها، استخر های پرورش ماهی و کشاورزی استفاده میشوند. نوع پی وی سی این ژئوممبارن ها نیز برای آب بندی گود های ساختمانی و تونل ها استفاده میشوند.
ژئوممبران های طرح دار:
ژئوممبران های طرحدار مشابه ژئوممبران های صاف می باشند با این تفاوت که این محصولات سطحی طرح دار برای مقاصد مختلف دارند. بعنوان مثال دیمپل شیت ها ژئوممبران های حفره داری هستند که هم برای زهکشی و هم در برخی موارد برای ذخیره آب (روف گاردن) استفاده میشوند. ژئوممبران ها همچنین می توانند برای افزایش اصطکاک بصورت طرحدار تولید شوند. بسیاری از ژئوممبران های طرحدار، دارای لبه های صاف هستند که برای اتصال ورق ها به یکدیگر و حصول آب بندی مطمئن استفاده میشود.
ژئوممبران های کامپوزیتی:
ژئوممبران های کامپوزیتی توسط فرآیند لمینیت کردن یک لایه ژئوتکستایل بر روی آن توسط دستگاه کاندر تولید میشوند. افزودن تکستایل به ژئوممبران باعث افزایش مقاومت کششی و خواص مکانیکی دیگر آن می شود. در عین حال ژئوممبران نیز دارای خاصیت نفوذ ناپذیری می باشد که ژئوتکستایل ها ندارند. همچنین ژئو تکستایل می تواند بعنوان یک لایه محافظ برای ژئوممبران باشد تا از آن در برابر پاره و سوراخ شدگی محافظت کند. در این نوع محصولات می توان از هر دو نوع ژئوتکستایل بافته و یا نبافته استفاده کرد.
طول عمر ژئوممبران ها:
چندین عامل در تخریب پلیمر های سازنده ژئوممبران ها نقش دارند. عواملی همچون، نور UV خورشید، مواد شیمیایی، عوامل بیولوژیکی و همچنین استرس های حرارتی همگی طول عمر ژئو ممبران ها را تحت تاثیر قرار می دهند.
انتخاب ژئوممبران ها باید توسط یک فرد متخصص انجام شود و نوع آنها بستگی به عمق کارگزاری و شرایط ژئو تکنیکی خاک دارد. جدول زیر بطور کلی نسبت عمق با ضخامت ژئوممبران را نشان می دهد.
| ضخامت | عمق آب/ مایع |
| 0.5mm | < 1m |
| 1mm | 1-2 m |
| 1.5mm | 2-4 m |
| 2mm | > 4m |
در ادامه 3 سوال متداول راجع به ژئوممبران ها را با هم بررسی می کنیم.
سه سوال ژئوممبران پی وی سی
سوال اول:
بدون در نظر گرفتن کاربرد ژئوممبران ها ما معمولا از آنها بصورت یک طبقه بندی کلی یاد می کنیم. بعنوان مثال ژئوممبران پی وی سی. اما این طبقه بندی بسیا رکلی هست و در مورد فورمولاسیون های مختلف آن موردی بیان نمی کند. جزییات تشکیل دهنده ژئوممبران پی وی سی چیست؟ و انواع مختلف آن چه تاثیری بر خواص آن دارد؟
جواب اول:
پی وی سی ها از سال 1835 تولید می شدند اما پلاستیسایزر یا همان نرم کننده آنها در سال 1932 وارد بازار شدند. با ورود این نرم کننده ها رنج وسیعی از محصولات منعطف پی وی سی وارد بازار شد. ژئو ممبران های پی وی سی نیز از سال 1950 وارد بازار شدند.
پی وی سی از مشتقات نفتی ( اتیلن و استیلن) و گاز کلر تولید میشود توسط یک واکنش پلیمریزاسیون سوسپانسیونی در یک راکتور که در آن مونو مر وینیل کلرید با یک شروع کننده در آب محلوط میشوند. جرم مولکولی پلیمر های پی وی سی توسط زمان و دما کنترل می گردد (درجه پلیمریزاسیون). از آنجایی که پیوند های هیدروژنی نسبتا قوی بین هیدروژن و کلر در زنجیره های پی وی سی ایجاد میشود این ماده سخت و انعطاف ناپذیر هست. بنابر این از نرم کننده ها و یا پلاستیسایزر ها برای کاهش این نیرو های بین مولکولی استفاده میشود تا انواع نرم تر آن هم بتوان استفاده کرد. پی وی سی در حقیقت از زنجیره های کریستالی پلی وینیل کلراید تشکیل شده که در فضای خالی مابین آنها مولکول ها نرم کننده قرار می گیرند. معمولا حداکثر مقدار نرم کننده به خاصیت عبور دهی ماده بستگی دارد و می تواند تا 28-35 درصد وزنی باشد.
علاوه بر نرم کننده ها مواد دیگری نیز به پی وی سی اضافه میشوند از جمله: پایدار کننده های حرارتی، پیگمنت، بایوساید ها، روان کننده ها و غیره. فرمول ژئوممبران های پی وی سی تا حدودی پیچیده است اما بطور کلی یک ژئوممبران پی وی سی از مواد زیر تشکیل شده اند. 35% پلیمر پی وی سی، 28-35% نرم کننده یا پلاستی سایزر، 0-20% فیلر یا همان مواد پرکننده، 5-10% انتی اکسیدان و 2-3% افزودنی های دیگر
فورمولاسیون و در صد های هر یک از اجزا می تواند طوری تنظیم شود که خواص نهایی محصول مناسب شرایط آب و هوایی خاص و یا مایعات در تماس با ژئوممبران باشد. خواص نهایی ژئوممبران های پی وی سی میتوانند بسته به نوع فرمولاسیون متفاوت باشد و هرکدام کاربرد متفاوت خود را داشته باشند.
سوال دوم:
هر کدام از این فورمولاسیون ها چگونه در خواص نهایی محصول موثر هستند؟
جواب دوم:
در قدیم به دلیل استفاده از فرمولاسیون های نا مناسب در محصول های پی وی سی، شاهد تخریب زودهنگام آنها بودیم که به همین دلیل استفاده از آنها را محدود کرده بود. با فهمیدن و روشن شدن بر همکنش های بین مولکولی اجزای آنها، به تدریج فرمولاسیون های بهتر و مقام تری ارائه شدند که طول عمر مطابق با استفاده مورد نظر داشتند.
اکنون تمام اجزای یک ژئوممبران را بررسی می کنیم و خواهیم دید هرکدام از آنها چه تاثیری بر خواص نهایی خواهند داشت. در ابتدا می پردازیم به جرم مولکولی پی وی سی. جرم مولکولی رزین پی وی سی بر روی مقاومت کششی، مدول 100% و همچنین مقاومت سوراخ شدگی تاثیر گذار هست. بنوان مثال وقتی جرم مولکولی از 69000 به 81000 می رسد، حدود 10% افزایش در پارامتر های ذکر شده دیده میشود. مقاومت پارگی چندان تحت تاثیر جرم مولکولی تغییر نکرد و ازدیاد طول تغریبا 10% افت داشت
این تغییرات نشان میدهد یک تعادل بین انعطاف پذیری و مقاومت پلیمر وجود دارد. در حقیقت پلیمر های با جرم مولکولی پایین می توانند در داخل یکدیگر حرکت کنند و نسبت به پلیمر هایی با جرم مولکولی بالا انعطاف بیشتری نشان می دهند. در نقطه مقابل، پلیمر های جر مولکولی بالا سخت تر و مقاومترند ولی انعطاف کمتری دارند.
جز بعدی پلاستی سایزر و یا همان نرم کننده پلیمر های هست. این افزودنی مهمترین جز ژئوممبران های پی وی سی هست که خواص فیزیکی/ مکانیکی و مقاومت شیمیایی آنرا تعیین می کند. دو نوع مختلف از پلاستی سایزر ها استفاده میشود. در خانواده اول از مونومر های فتالات برای ممبران هایی که در تماس با آب هستند استفاده میشود. در گروه دوم نیز از مونو مر هایی مانند وینیل استات برای ژئوممبران هایی که در تماس با مایعات آلی هستند استفاده میشود.
جزء بعدی همان پایدار کننده ها و یا استابلایزر ها هستند. این مواد برای فرآیند تبدیل رزین پی وی سی به فیلم/ شیت مورد نیاز هستند. مورد بعدی همان فیلر هست. عمده فیلری که در صنعت پلاستیک بکار میرود کربنات کلسیم هست. استفاده از فیلر ها به دو دلیل انجام میگیرد. هدف اول، افزایش و بهبود خواص پلیمر هست و هدف دوم برای پایین آوردن قیمت تمام شده بدون تحت تاثیر قرار دادن خواص هست.
یکی دیگر از اجزای تشکیل دهنده انتی یو وی ها هستند. پلیمر ها به تنهایی در برابر نور خورشید بسیار ضعیف هستند و طی مدت کوتاهی تخریب می شوند. برای جلوگیری از این موضوع، از آنتی یو وی ها در فرمولاسیون ژئوممبران ها استفاده میشود. این افزودنی ها شامل مقدار کمی جاذب های یو وی هستند که با اضافه کردن آنها به پلیمر ها می توان طول عمر آنها را در برابر یو وی بیشتر کرد. یکی دیگر از اجزا که گاهی در پلیمر ها استفاده میشود، بایوساید ها هستند. بایوساید ها بخصوص در جاهایی که امکان تخریب بیولوژیک وجود دارد باید استفاده شوند.
بطور کلی، فرمولاسیون ممبران های پی وی سی باید با توجه به محیطی که در آن استفاده میشوند طراحی شوند. عمدتا استفاده از رزین های پی وی سی با وزن مولکولی 69000 توصیه می شود و استفاده از وزن های مولکولی بالاتر تاثیر چندانی در خواص محصول نهایی ندارد. همچنین استفاده بالاتر از 7% از فیلر های کربنات کلسیم توصیه نمی شود زیرا این امر باعث افت شدید خواص می گردد.
سوال سوم:
بزرگترین تصورات اشتباه در خصوص ژئوممبران های پی وی سی چیست؟ در چه مواردی مهندسین باید (و یا نباید) ژئو ممبران پی وی سی را انتخاب کنند؟
جواب سوم:
اولین تصور غلط از ژئوممبران های پی وی سی این هست که تنها یک نوع پی وی سی وجود دارد. فرمولاسیون های متنوع و متفاوتی از ممبران های پی وی سی وجود دارند که هرکدام برای هدفی تولید می شوند. دومین تصور غلط این است که پی وی سی در برابر هیدروکربن ها، اسید ها و باز ها مقاومت شیمیایی خوبی ندارند. این نیز یک تصور غلط هست.
همینطور خیلی ها فکر می کنند ژئوممبران پی وی سی به سادگی سوراخ میشود. اما بر خلاف تصور عموم ژئوممبران پی وی سی به دلیل ازدیاد طول بالاتر از ژئوممبران های سخت تر مقاومت بالاتری نسبت به سوراخ شدگی دارند.
تصور غلط دیگر راجع به ژئوممبران ها اینست که برای انتخاب آنها باید ابتدا ضخامت را در نظر گرفت. اما ابندا باید کارکرد و عملکرد را در نظر گرفت و سپس بر اسا آن ضخامت را تعیین کرد. بعنوان مثال مقایسه یک ورق ژئوممبران پی وی سی با پلی اتیلن سنگین با ضخامت یکسان مانند مقایسه یک ژئوتکستایل بافته و یک ژئوتکستایل نبافته است. ابتدا باید نیاز سنجی پروژه انجام شود و سپس بر اساس آن ژئوممبران مناسب در نظر گرفته شود.
یک تصور رایج دیگر اینست که پی وی سی برای پروژه های در معرض نور مناسب نیست. جواب این سوال هم آره و هم خیر هست. ژئوممبر های پی وی سی که افزودنی های انتی یو وی نداشته باشند نمی توانند برای مدت طولانی در معرض نور خورشید قرار بگیرند. اما ژئوممبر هایی نیز هستند که با افزودنی های آنتی یو وی برای سال های سال کار می کنند.
