Основные характеристики полимерных геомембран, используемых в гидротехническом строительстве

Полимерные геомембраны состоят из одного или более слоев полимерных материалов, произведенных на заводе по одной из трех технологий: каландрирование, экструзия и напыляемое покрытие.

Классификация

Полимерный материал состоит из многих модулей (мономеров), связанных вместе.  Мономер - это молекулярная структура, используемая для производства полимера. Различные тип и длина полимерной цепи дают продукт с разными характеристиками.

Наиболее распространенные полимеры, используемые как базовые продукты в производстве геомембран, могут быть разделены на 3 типа:

I- Термопластики: могут быть повторно нагреты до достижения их точки размягчения, иметь форму такую, какая требуется, и после охлаждения сохранять приданную форму.

II- Термопластичные резины: переходные (смешанные) материалы, которые могут быть изначально термосварены поперечными швами, при старении дают термоусадку и поэтому в случае образования дыр требуют клеевых заплат.

III- Термореактивные пластмассы: процесс нагрева нельзя повторить. Любое дополнительное нагревание после первичного формирования вызовет лишь обгорание и деградацию материала. В зависимости от плотности ПЭ может быть более жестким (Полиэтилен Низкого Давления, сокращенно ПЭНД) или в различной степени более мягким (сейчас относится к одной группе Линейный Полиэтилен Высокого Давления, сокращенно ЛПЭВД)

Таблица 1.

Синтетические материалы, наиболее часто выступающие в роли геомембран

 

ТИП	ОСНОВНОЙ МАТЕРИАЛ	АББРЕВИАТУРА
Термопластик	Хлорированный полиэтилен Этилен-винил ацетат сополимер Полиэтилен Полипропилен Поливинил хлорид	ХПЭ ЭВА/С ПЭ* ПП ПВХ
Термопластичные резины	Хлорсульфированный полиэтилен  Этилен-пропилен сополимер	ХСПЭ ЭП/С
Термореактивные пластмассы	Полиизобутилен Хлоропреновая резина Этилен-пропилен диен мономер Бутиловая резина Нитриловая резина	ПИБ ХПР ЭПДМ БР НР

*В указанной группе полиэтилен и полипропилен совместно называются полиолефинами

 

Следующая таблица показывает перечень различных типов геомембран, установленных на плотинах. Битуминозные геомембраны и мембраны, производимые на месте укладки, включены в таблицу для более полного обзора.

Таблица 2.

Геомембраны на плотинах

 

Тип ГМ	Основной материал	Аббревиатура	Количество плотин				%
			Открытая	Закрытая	Неизвестный тип	ИТОГО
Полимерная	Поливинилхлорид пластифицирован-ный	ПВХ-П	80	73	3	156	59,32
Полимерная	Полиолефин	ЛПЭВД*	0	29	1	30	11,41
Полимерная	Полиолефин	ПЭНД	3	12	1	16	6,08
Полимерная	Бутиловая резина, полиизобутилен, этилен-пропилен- диен мономер	БР, ПИБ, ЭПДМ	5	4	2	11	4,18
Полимерная	Хлорсульфирован-ный полиэтилен	ХСПЭ	3	5	1	9	3,42
Полимерная	Геотекстиль пропитанный полимерами	Мембрана, производимая на месте укладки	2	7	0	9	3,42
Полимерная	полиолефин	ПО	3	3	0	6	2,28
Полимерная	Хлорированный полиэтилен	ХПЭ	0	3	0	3	1,14
Битумная	Оксидированный битум	Геомембрана полуфабрикат	7	10	0	17	6,47
Битумная	Полимерный битум	Полимерный битум	0	3	0	3	1,14
Битумная	Оксидированный битум	Мембрана, производимая на месте укладки	3	0	0	3	1,14
Полуполимерная						240	91,25
Полубитумная						23	8,75
Итого известных						263	100,0

*ЛПЭВД включает все типы ПЭ геомембран, имеющих плотность ниже, чем плотность ПЭНД

Кристалличность является важной характеристикой и в некоторых случаях критичной в поведении полимерных геосинтетиков. Можно увидеть, что увеличение кристалличности приводит к следующему:

Таблица 3.

Эффект увеличения кристалличности

Увеличение кристалличности повышает	Увеличение кристалличности понижает
Жесткость или твердость	Паропроницаемость
Сопротивление нагреву	Удлинение или деформацию до разрыва
Предел прочности на разрыв	Гибкость
Модуль	Ударную вязкость
Химическую стойкость	Устойчивость к трещинам от нагрузок (только ПЭНД)

Величина кристалличности дает возможность для дальнейшей классификации полимеров. В качестве информации: геомембраны с более низкой кристалличностью такие, как ПВХ и ЭИПС (этилен-межполимерный сплав) становятся мягкими и гибкими при нагревании без какого-либо существенного изменения своих свойств и при остывании возвращаются назад к своим оригинальным свойствам, поэтому они легко свариваются горячим воздухом, при экструзии или химическими методами. ПВХ более точно называть ПВХ-П (пластифицированный). Для целей данной статьи подходят оба названия (ПВХ и ПВХ-П).

Геомембраны с более высокой кристалличностью такие, как ПЭ и полипропилен ПП (более точно называть гПП, гибкий ПП) сваривать труднее.

Состав

Ни один из геосинтетиков не состоит на 100% из полимерной смолы. Во всех случаях изначальная смола смешивается с добавками, наполнителями и/или другими агентами для различных целей. Общее количество полимерной смолы в составе широко варьируется от 50% до 97%.

Обычные добавки включают следующее:

• Технический углерод, использующийся в качестве стабилизатора против УФ излучения, широко применяется для полиолефинов, обязателен в полиэтиленах (ПЭ), где он внедряется в смолу в пропорции от 2 до 3%. Износ ПЭ был обнаружен в областях с сильным УФ излучением, чем тоньше был материал, тем сильнее износ. Большая толщина также помогает избежать проблем в зонах вблизи швов, проблем из-за разрывов, потери механических свойств и проколов;

• Пластификаторы значительно используются при производстве ПВХ для придания гибкости. Потеря этих пластификаторов из-за экстракции или, фундаментально, из-за миграции вызывает прогрессирующую деградацию геомембраны из-за солнечной радиации или из-за присутствия воды в зависимости от природы пластификаторов. В этом смысле также важна толщина;

• Поглотители ультрафиолета играют важную роль в формуле этих материалов, т.к. без них процесс старения был бы чрезвычайно быстрым. Деградация отмечается изменением цвета;

• Антиоксиданты бывают двух типов для различных целей: защита от высокой температуры во время процесса экструзии и от низкой температуры против полимерной деградации. До тех пор, пока антиоксиданты работают, полимер не стареет, поэтому они крайне важны;

• Другие добавки такие, как пигменты или красители, замедлители распространения огня, биоциды, пенные агенты, наполнители, температурные стабилизаторы и антистатические агенты, обычно добавляются к смоле.

В настоящее время различные соли тяжелых металлов, ранее использовавшиеся в качестве добавок, заменены на другие продукты, не имеющие негативного воздействия на окружающую среду.

Конфигурации

Полимерные геомембраны, применяющиеся в гидроизоляции плотин, обычно бывают четырех основных типов (рис. 1):

• Геомембраны без армирования или гомогенные, состоящие только из полимерного материала и соответствующих добавок.

•  Многослойные геомембраны, состоящие, как показывает их название, из нескольких слоев одного или разных материалов. Это обычно используется для снижения стоимости геомембран или для улучшения некоторых свойств. Например, наружный слой обычно имеет большее количество добавок для защиты от УФ, что повышает его стойкость к УФ. С другой стороны, повреждение наружного слоя может обнажить более глубокие слои, не являющие стойкими к УФ. В этом случае может быть предпочтительнее однослойная геомембрана с большей толщиной.

• Геомембраны с армированием сеткой, когда в полимерный материал помещается фиброволокно, синтетические нити, обычно полиэстровые нити, сетки или ткани. Цель синтетического волокна - улучшить механические свойства, все волокна могут значительно повысить стабильность размеров геомембраны. В зависимости от типа армирования можно улучшить свойства для определенного вида применения, наиболее общий тип армирования -это ПЭ сетка.

• Геомембраны с армированием снизу, когда геомембрана подстилается тканью или другим типом армирования. Подстилающее армирование может

-Влиять на стабильность компаунда во время производственного процесс

-Увеличивать предел прочности на разрыв, сопротивление разрыву и проколу

-Придавать или увеличивать стабильность размеров геомембраны, которая бы в противном случае сжалась или расширилась в результате изменений температуры.

Наиболее часто использующиеся виды армирования производятся из полиэстра, полиэтилена, полиамида, стекла. Геомембраны со структурным армированием более стойки к растяжению до разрыва.

Более того, геотекстиль, используемый в комбинации с геомембраной в качестве защитного слоя на одной из сторон или на двух сторонах, также обеспечивает следующие преимущества:

-Работает как промежуточный дренаж, т.к. благодаря его проводящей в плоскости способности вода и газы могут отводиться от прямого контакта с геомембраной

-Повышает сопротивление сползанию;

-Улучшает распределение напряжения под геомембраной, защищая ее от механических повреждений (прокалывания субстратом).

Рисунок 1.

Конфигурации полимерных геомембран

Геомембраны по своему определению и методу производства имеют ровную поверхность. Во многих случаях применения выгодно иметь более высокий коэффициент трения на одной или обеих сторонах геомембраны. Повышенный коэффициент трения может быть получен ламинированием геомембраны геотекстилем (геомембрана с подложкой, называемая геокомпозитом) или созданием текстурированной поверхности на обычном нормальном листе. Второй процесс называется «текстурирование».

Формы поставок

Толщина полимерных геомембран без подложки от 1,0 до 4,0 мм, масса зависит от состава и плотности – от 0,9 до 4,5 кг/м².

Геомембраны производятся в листах с контролируемой толщиной и однородностью, доступный стандарт ширины от 2 до 6 м (до 11 м для ПЭНД, ЛПЭВД и гибкого ПП). Длина листов обычно такая, чтобы закрыть напорную грань от гребня до основания с минимумом горизонтальных швов. Геомембраны обычно поставляются в рулонах или сложенными гармошкой. Укладка геомембраны на суппорт производится раскатыванием рулона и герметичным скреплением швов примыкающих листов, способ скрепления зависит от типа материала.

Мягкие материалы (как ПВХ-П) могут также поставляться в виде полуготовых панелей, чтобы закрыть большой участок поверхности, листы скрепляются в панель на заводе или на стройплощадке. Наиболее распространено сваривание листов в панель шириной 4-6 м.

Если большая ширина геомембранных рулонов уменьшает количество швов, то увеличенный вес и размер могут создать серьезную проблему при раскатывании рулона на напорной грани плотины, особенно на вертикальной или почти вертикальной, с большой вероятностью образования нежелательных складок и морщин.