بخشی از مقاله
- مقدمه
امروزه صنعت راهسازي يكي از مهمترين شاخه هاي مهندسي ميباشد كه به سرعت در حال رشد است. گسترش سريع شبكه راهها، افزايش ترافيك و بار محوري ناشي از آن، همچنين افزايش تقاضا براي بهبود كيفيت خدمات، سبب تلاش بيشتر مهندسان به منظور بالا بردن كيفيت راهها و نگهداري آنها گشته است.
تا اوايل قرن بيستم جاده ها عمدتا خاكي بودند و راههاي داخل شهري سنگفرش ميشدند، امروزه، با پيشرفت تكنولوژي به روسازي راه بسيار اهميت داده ميشود.
در اين ميان مناسبترين ماده اي كه براي روسازي راه به كار ميرود، آسفالت است. زيرا از مواد ديگري ارزانتر است، در برابر تغييرات شرايط جوي پايدار ميباشد، خاصيت ارتجاعي دارد، به فراواني و در همه جا در دسترس است و ميتوان آن را (با اصلاحات لازم) در هر آب و هوايي به كار برد.
تا چندين دهه قبل آسفالت به صورت معمول خود (مخلوطي از قير و سنگدانه) به كار ميرفت. ولي امروزه مهندسان بنا به دلايل زير سعي در بهبود خواص آسفالت دارند:
آسفالت با مشكلاتي نظير ترك خوردن، شيار شيار شدند (Rutting) فرسوده شده بر اثر نمكها، جمع شدن بر اثر گرما يا شكننده شدن بر اثر سرما و … روبروست.
توجه به ايمني و راحتي جاده ها از مهمترين اصول راهسازي مدرن است. مثلا سطح جاده بايد طوري باشد كه اصطكاك لازم را ايجاد كرده از ليز خوردن اتوميبلها جلوگيري نمايد. همچنين صداي ناهنجار ايجاد ننمايد. يعني داراي سطحي هموار باشد نيز از جمع شدن آب روي جاده جلوگيري شود.
طراحان و مهندسان در پي يافتن روشها و مواد مناسبي براي اصلاح آسفالت هستند. از جمله مهمترين موادي كه تا كنون براي اين منظور به كار رفته اند و نتايج بسيار رضايت بخشي به همراه داشته اند. پليمرها ميباشند.
در اين مقاله سعي شده است به دو كاربرد عمده پليمر در بهبود خواص آسفالت اشاره شود:
1- استفاده از پليمر براي اصلح خواص قير.
2- استفاده از شبكه هاي (Mesh) پليمري براي تسليح آسفالت.
3- استفاده از پليمر براي اصلاح قير PMB2
قير به عنوان چسبنده اي ايده آل براي ساخت آسفالت به كار ميرود. اين ماده در دماي بالا مايع شده ميتواند با سنگدانه ها مخلوط شود آنها را به هم بچسباند و تشكيل آسفالت دهد. در دماي معمول، قير به صورت يك ماده ويسكو الاستيك عمل ميكند به علاوه چسبندگي خوبي داشته، در برابر نفوذ آب مقاوم ميباشد. با اين همه، برخي از مشكلات راهها نظير خرد شدن آسفالت بر اثر خستگي، ايجاد شيار بر روي آسفالت بر اثر افزايش بار محوري، روان شدن آسفالت در اثر گرما، كنده شدن و خرد شدن سنگدانه ها و … مربوط به قير مصرفي ميباشند. بنابراين شيميدانها سعي زيادي در بهبود خواص قير دارند.
يكي از راههاي اصلاح يك ماده اضافه كردن مواد ديگر به آن ميباشد مثل ساخت آلياژهاي گوناگون.
پليمرها از اولين مواد اصلاح كننده اي بودند كه براي افزودن به قير پيشنهاد شدند زيرا:
منشا پليمرها وقير هر دو ماده خام واحدي ميباشد (نفت). بنابراين ساختار اصلي آنها قابل مقايسه است.
با استفاده از فرآيندهاي شيميايي ميتوان پليمرهاي جديد با خواص مطلوب تهيه كرد (تنوع).
پليمرها موادي پايدار و قابل بازيافت هستند (توجيه اقتصادي).
اواسط دهه 70 ميلادي يك شركت نفتي توانسته با اضافه كردن EVA3 ، به قيري با انعطاف پذيري بهتر دست يابد كميبعد با كشف 4SBS ها شيميدانها توانستند خواص قير را باز هم بهبود بخشند.
EVA ها پلاستيك5 و SBS ها الاستومر6 هستند، امروزه، براي اصلاح قير از هر دو گروه EVA و SBS ها بهره گرفته ميشود.
اولين آزمايش موفقيت آميز PMB ها در اواخر دهه 70 ميلادي در جاده هاي انگلستان انجام شد.
2-1 بهبود خواص قير با اضافه كردن پليمر
قير خوب قير است كه حساسيت حرارتي آن كم بوده، چسبندگي مناسب داشته باشد و در دماي پايين شكننده نشود. مواد پليمري حساسيت حرارتي قير را، مخصوصا در دماي بالا كه قير جاري ميشود، كاهش ميدهند يعني دماي نرم شدن (Softening Point) را افزايش ميدهند تا قير ديرتر روان شود.
اين مواد همچنين مقاومت در برابر خستگي را بالا ميبرند (زيرا باعث ميشوند قير در دماي پايين هم، همچنان انعطاف پذيري خود را حفظ كند.) و نيز چسبندگي قير را به ميزان زياد افزايش ميدهند.
شكل 1 حساسيت حرارتي واقعي قير و حساسيت حرارتي ايده آل آن را نشان ميدهد.
يك چسبنده (Binder) ايده آل بايد در دماي معمولي رفتاري ثابت داشته باشد. سپس در دماي اختلاط به ماده اي ويسكوز تبديل شود. قير در طبيعت رفتار ايده آلي نشان نميدهد و در برابر تغييرات دما دچار تغييرات پيوسته ميشود. با اضافه كردن پليمر مناسب، منحني حساسيت حرارتي قير ميتواند به شكل 2 تغيير يابد.
استفاده از پليمر بهبود شاياني در رفتار ويسكو الاستيك قير پديد ميآورد. اين مواد خاصيت الاستيكي قير را در دماهاي بالاتر حفظ مينمايند.
بايد توجه داشت لازمه تغييرات ذكر شده پديد آمدن يك شبكه پليمري در داخل قير ميباشد يعني تا زماني كه اين شبكه بوجود نيامده است بهبودي در خاصيت قير مشاهده نميشود.
2-2 مواردي از كاربرد آسفالت پليمري
2-2-1 با افزايش ترافيك و بار محوري ناشي از آن مشاهده ميشود كه سطح بسياري از جاده ها (مخصوصا در هواي گرم) شيار، شيار و ناهموار ميشود. قبلا براي جبران اين نقيصه از آسفالت سفت تر استفاده ميشد كه اين امر باعث شكنندگي آسفالت (مخصوصا در هواي سرد) ميشد. ولي اكنون با استفاده از PMB ميتوان از نرم شدن آسفالت در دماي بالا و در نتيجه از ايجاد شيار بر روي آن و همچنين از شكنندگي آسفالت در دماي پايين جلوگيري كرد.پيشگيري از شكنندگي نتيجه حفظ الاستيسيته PMB ها در دماي پايينتر ميباشد.
2-2-2 از بين بردن آبهاي سطحي در روزهاي باراني ايمني جاده ها را افزايش ميدهد. آسفالت زهكشي يا متخلخل آسفالتي است داراي دانه بندي منقطع و درشت. آب از بين اين دانه ها رد ميشود و به كانالهاي آبي انتقال مييابد. اين نوع آسفالت چند مشكل عمده دارد:
سنگدانه هاي آن به علت درشتي خيلي زود كنده ميشوند.
بر اثر فشارهاي ترافيكي ممكن است روي آسفالت شيار ايجاد شود (به علت فضاي خالي بين سنگدانه ها).
آب نيز سنگدانه ها را كنده، با خود ميبرد.
اضافه كردن پليمر به قير هر سه مشكل را حل ميكند. زيرا با استفاده از پليمر از يك سو ميتوان از قير نرمتر استفاده كرد. با مصرف پليمر و كم كردن حساسيت حرارتي قير از جاري شدن آن در دماي بالا جلوگيري ميشود و با اين كار ميتوان غشا ضخيمتري از قير دور سنگدانه ايجاد كرد و باعث چسبندگي سنگدانه ها به هم شد. و از سوي ديگر با استفاده از پليمر چسبندگي قير بالا رفته، سنگدانه ها بهتر به هم چسبيده وهر سه نقيصه بر طرف ميشود.
2-2-3 در بسياري جاها از آسفالت كم ضخامت براي پوشاندن جاده هاي خاكي استفاده ميشود دلايل اين استفاده، بهبود كيفيت رانندگي و افزايش مقاومت در برابر ليز خوردن ماشينها است.
لايه نازك آسفالت با چند اشكال عمده روبروست.
سنگدانه هاي آن خيلي زود بر اثر خستگي (معمولا در هواي سرد) كنده ميشوند. با استفاده از پليمرها ميتوان قيري انعطاف پذير تر كه در دماي سرد خاصيت ارتجاعي را حفظ ميكند به كار گرفت و از ترد شدن آسفالت و كنده شدن سنگدانه هاي آن جلوگيري كرد.
لايه نازك آسفالت در هواي گرم شل ميشود و بر اثر تنشهاي برشي وارده مثل ترمز ماشينها به سرعت جمع ميشود كه با استفاده از پليمر دماي رواني قير را ميتوان طوري بالا برد كه در هواي گرم جاري نشود.
مشكل لايه هاي نازك آسفالت اين است كه چنانچه در لايه هاي زيرين (Pavement) آنها تركي رخ دهد. اين ترك به سرعت به آسفالت منتقل شده و سطح آنرا ميشكافد. چسبندگي زياد PMB ها اين نقيصه را نيز بر طرف ميسازد.
همچنين در مورد جاهايي كه سطح جاده را با سنگدانه (Chipping) ميپوشانند، براي چسباندن سنگها به جاده، به آستري از قير احتياج داريم كه PMB ها به علت چسبندگي زياد ميتوانند آستر مناسبي براي اين كار باشند.
2-2-4 در مورد آسفالت گرم كه لايه اي كلفت از آسفالت فشرده ميباشد و در برابر خستگي مقاومت زيادي دارد مساله مطرح كار آيي كم آسفالت هنگام بخش كردن، مخصوصا در هواي سرد است. PMB با استفاده از قير انعطاف پذيرتر اين مشكل را بر طرف ميكند همچنين از ايجاد شيار جلوگيري كرده، مقاومت در برابر خستگي را افزايش ميدهد.
2-3 مشكلات استفاده از قير پليمري
2-3-1 چسبندگي PMB ها از قير معمولي بسيار بيشتر است. اين ماده به هر سطحي كه با آن تماس پيدا كند مانند مخزن ذخيره قير، كاميون حمل مواد و … ميچسبد به طوري كه تميز كردن اين سطوح پس از استفاده كاري بس دشوار است. ولي اگر خوشبينانه نگاه كنيم ميبينيم همين چسبندگي زياد مواد پليمري، منشا ايجاد خواص مطلوب در قير ميباشد.
2-3-2 هنگاميكه پليمر و قير باهم مخلوط ميشوند و براي استفاده بعدي نگهداري ميشوند، مخلوط قير و پليمر گرايش دارند از يكديگر جدا شوند. بنابراين يكي از مشكلات واقعي نگهداري و ذخيره PMB به صورت يك مخلوط هموژن است. برخي پليمرها گرايش به ته نشين شدن دارند ولي در بيشتر موارد قير ته نشين ميشود و مواد پليمري روي آن قرار ميگيرند.
اخيرا در صنعت تانكرهايي عموميساخته شده اند كه به مخلوط كنهاي مخصوصي مجهزند و براي نگهداري PMB به كار ميروند.
2-3-3 قابليت پمپ شدن مواد نيز ميتواند به يك معضل تبديل شود. زيرا غير از موارد استثنائي كه از قير نر متر استفاده ميكنيم با استفاده از پليمر در قير معمولي نقطه نرميقير افزايش مييابد و در نتيجه قير در دماي معمولي سخت ميگردد. بنابراين يك پيمانكار ماهر بايد بتواند مخلوط را داغ نگهدارد و به موقع به مكان مورد نظر رسانده. پخش كند و قبل از سرد شدن مواد، آسفالت را متراكم و هموار سازد.
3 - استفاده از پليمرها در تسليح آسفالت
از ديگر موارد استفاده مواد پليمري در آسفالت به كار گيري مشهاي مسلح كننده آسفالت است ميدانيم يكي از مشكلات متداول آسفالت پديد آمدن تركهاي عميق در لايه هاي زيرين و انعكاس آن به لايه هاي رويي ميباشد.
تركهاي انعكاسي به دو علت به وجود ميآيند.
بر اثر حركات افقي صفحات بتني زيرين به خاطر تنشهاي حرارتي و انبساط و انقباض صفحات كه به دليل تغييرات دماي روزانه و فصلي به وقوع ميپيوندد، روكش آسفالت در محل درز اين صفحات بر اثر حركات آنها ترك خورده و اين ترك گسترش مييابد (شكل 3)
بر اثر حركت چرخ ماشينها از روي درز بين دو صفحه بتني تنش برشي شديدي در آسفالت به وجود ميآيد كه باعث ترك خوردن آن ميشود (شكل 4)
علت اصلي ترك خوردن آسفالت، مقاومت كششي ناچيز آن ميباشد. به همين خاطر مقاومت آسفالت در برابر كرنشهاي زياد نيز كم است و زود ترك ميخورد. بهترين راه جلوگيري از ترك خوردن مسلح كردن آسفالت توسط مشهاي انعطاف پذير ميباشد.
3-1 چگونه مشهاي انعطاف پذير از ترك خوردن آسفالت جلوگيري ميكنند؟
اين شبكه هاي مسلح كننده يا دو عملكرد مهم از ترك خوردن آسفالت جلوگيري ميكنند.
مقاومت كشي آسفالت را افزايش ميدهند.
قسمت مهمياز تنش وارد بر آسفالت را جذب كرده، آن را در محيط وسيعي پراكنده ميسازند. به همين خاطر با استفاده از اين شبكه ها به جاي يك ترك طولاني باز، تعداد زيادي ترك ريز و پراكنده خواهيم داشت.
آزمايشها نشان ميدهند كه تنش و كرنش كسيختگي در نمونه هاي مسلح شده توسط شبكه هاي تسليح تا حدود 50% افزايش مييابند (شكل 5)
علاوه بر جلوگيري از ترك خوردن، اين شبكه ها از ايجاد شيار بر روي آسفالت بر اثر بار ترافيكي زياد جلوگيري كرده مقاومت در برابر خستگي را نيز افزايش ميدهند.
اثر ديگر اين شبكه ها كاهش نرخ ايجاد ترك ميباشد. زيرا يكي از عوامل موثر بر سرعت ايجاد ترك، بزرگي تنش موجود ميباشد و اين شبكه ها با كاستن تنش سرعت ايجاد ترك را نيز كاهش ميدهند.
3-2 مشخصات فيزيكي مشهاي تسيلح
شبكه هاي تسليح عمدتا از رشته هاي الاستيك پلي استر ساخته ميشوند كه طي فرآيند بخصوصي به صورت يك مش عريض به هم متصل ميگردند. براي چسبندگي بهتر مش به آسفالت، آن را با لايه اي از قير ميپوشانند.
انتخاب پلي استر در ساختن مشا به خاط هماهنگي خوب بين مدول الاستيسيته و ساير خواص مكانيكي آسفالت و پلي استر ميباشد.
اندازه چشمه اين شبكه ها متغير است و در جاهاي مختلف بنا به اندازه بزرگترين دانه مش مناسب انتخاب ميشود (اندازه چشمه بايد از قطر بزرگترين دانه بزرگتر باشد) مقاومت كششي اين شبكه ها عموما KN/m 50 ميباشد ولي برخي از آنها تا KN/m 90 نيز در مقابل كشش مقاومت ميكنند.
3-3- موارد استفاده
3-3-1 در فرودگاهها به خاطر حجم ترافيكي بالا و تردد زياد فرصت تعمير تاكسي روها (Taxi Way) و باند پرواز (Run Way) بسيار كم است . در بيشتر موارد، استفاده از مشهاي تسليح باعث به تعويق افتادن خرابيها و نياز به تعمير، همچنين در صورت لزوم تعمير راحت آنها ميباشد.
3-3-2 اكثر جاده ها پس از سالها استفاده به خاطر افزايش بار ترافيكي و بار محوري ناشي از آن نياز به تعمير وتقويت پيدا ميكنند براي تعمير اين جاده ها به يك روش ساده و ارزان قيمت نياز داريم.
همچنين استفاده از شبكه هاي تسليح بعد از تعمير، احتياج به تعمير مجدد را تا 3 برابر به تعويض مياندازد. همچنين با استفاده از آنها ميتوان ضخامت آسفالت را كاهش داد.
3-3-3 استفاده از آسفالت سرد دو لايه هاي نازكي شيوه متداولي براي تعمير راهها و نگهداري آنها محسوب ميشود. آسفالت سرد معمولا براي تعمير چاله ها، پاره شدگيها، شيارها، و ... به كار ميرود. عمر لايه هاي نازك آسفالت از اين شبكه ها ميتواند تا حدود زيادي افزايش يابد.
3-4 نحوه استفاده از مشهاي تسليح
براي مسلح كردن جاده ها ابتدا سطح جاده را كاملا تميز و خشك مينمايند سپس كف جاده را با اسپري كردن امولسيون قير ميپوشانند. مش پليمري را پهن كرده و با كشيدن، از چند طرف تا خوردگيهاي آن را بر طرف ميسازند. سپس آسفالت گرم را روي آن پخش و متراكم ميكنند. ضخامت آسفالت روكش حداقل بايد 5 سانتيمتر باشد كه پس از تراكم به حدود 4 سانتيمتر ميرسد.
4- نتيجه گيري
استفاده از پليمر در اصلاح خواص قير، همچنين تسليح آسفالت نه تنها كيفيت جاده ها و خيابانها را بهبود ميبخشد بلكه با به تاخير انداختن دوره تعمير، كم كردن ضخامت لايه آسفالت و ... كاري مقرون به صرفه واقتصادي ميباشد. در ايران به خاطر وجود مناطق مختلف آب و هوايي همچنين تنوع شرايط جوي در يك مكان ثابت در طول سال جاده ها و خيابانهاي آسفالته با مشكلات متعددي مثل ترك خوردن، ايجاد شيار و ... روبرو هستند. مثلا مشاهده ميشود آسفالت سر چهار راهها بر اثر ايستادن ماشينها در پشت چراغ قرمز در تابستانها شيار شيار ميشود يا پستي و بلنديهايي كه بر اثر تعميرات در خيابانها پديد ميآيند و باعث كاهش ايمني راهها ميشوند. با توجه به مطالب گفته شده استفاده از پليمر در ساخت جاده هاي ايران بسيار مناسب و اقتصادي به نظر ميرسد كه اميد است اين مساله بيشتر مورد توجه قرار گيرد.
مراجع
1-polymer for Bitumen Modifcation " FXXON Chemical.
2- :A better bind "(1993)، World Highways/ Routes du monde Feb.
3-"PMB'S. An objective look at the state of paly :"(1997)، Australian Asphalt Pavement association
4-"Vestoplast, for the roads of the future".
5- "Mediflex، Very thin asphalt concrete.
6- "Hatclit، roads witbout cracks "IIuesker (engineering with Geosynthetics)
پي نويس
2- polymer modified Bituminus
3- اتيل ونيل استات
4- استايرن بوتيدين استايرن
5- مواد پلاستيكي، دسته اي از پليمرها ميباشند كه داراي TG (دماي شيشه اي شدن) بالا ميباشند.
6- الاستومر ها بسته اي از پليمرها ميباشند كه داراي TG (دماي شيشه اي شدن ) پايين ميباشند.
ژوتكستايل
1- مقدمه
يكي از انواع گوناگون تركيبات پليمري كه در بين ژئوسينتيكها بيشترين كاربري را دارد. ژئوتكستايل ميباشد. ژئوتكستايلها در واقع منسوجات مصنوعي از جنس مواد پلي اتيلن و يا پروپيلن هستند كه بر اساس طرز تهيه آنها از الياف پليمري به گونه اي مختلف نظير بافته شده (woven) و بافته نشده (nonwoven) يا بدون تار و پود تقسيم ميشوند. ژئوتكستايلهاي بافته شده و بافته نشده نيز بر اساس نحوه ارتباط بين رشته هاي تشكيل دهنده آنها همچنين شكل ظاهري رشته ها به انواع زير تقسيم ميشوند:
تك رشته اي (monofilament)
چند رشته اي (multifilament)
ورقه اي چاك خورده (slitfilm)
اتصال حرارتي يافته (melt- bonded)
سوزن كوبي شده (needle- punched)
اتصال يافته به وسيله رزين (resin- bended)
شكل ظاهري ژئوتكستايها به صورت پارچه ميباشد كه در اندازه هاي مختلف و متنوع تهيه شده، و به بازار عرضه ميگردد.
خواص فيزيكي و مكانيكي اين مواد نظير استحكام نفوذ پذيري مناسب، مقاومت در مقابل سوراخ شدگي و از همه مهمتر مقاومت كششي بالاي آنها نسبت به وزنشان باعث به وجود آمدن گروه وسيعي از كاربرد اين مواد در طرحهاي عمراني شده است. به طوري كه ميتوان بيش از هشتاد زمينه كاربردي مختلف را براي استفاده در شاخه هاي مختلف عمراني نظير راهسازي، مهندسي ژئوتكنيك (سدهاي خاكي) طرح سازه هاي هيدروليكي، طراحي فرودگاهها،پي سازي، طراحي راه آهن و نام برد.
اين كاربردها را ميتوان در غالب عملكردهاي اصلي زير خلاصه نمود:
جداسازي لايه هاي خاك
تسليح خاك
زهكشي
فيلتراسيون
در ادامه ضمن اشاره به خواص مكانيكي و فيزيكي ژئوتكستايلها به بيان عملكرد هاي گوناگون اين مواد ميپردازيم.
از بين خوصيات مختلف ژئوتكستايلها، استاندارد هاي مربوط به خواص فيزيكي ومكانيكي آنها كاملتر و دقيقتر است اين در حالي است كه خواص هيدروليكي، آبگذاراني و زيست محيطي اين مواد هنوز هم در استانداردهاي مختلف به صورتهاي متفاوتي بيان ميشود چرا كه در واقع روشهاي توليد ژئوتكستايل مشابه هستند، اما كاربردهاي مختلف اين ماده استانداردها متفاوتي را به وجود آورده است.
يكي از خصوصيات فيزيكي ژئوتكستايها جرم واحد سطح آنها ميباشد كه براي انواع مختلف آن بين 135 تا 680 گرم بر متر مربع متغير است ضخامت اين مواد معمولا تحت فشار معين kpa2 اندازه گيري ميشود و در اكثر موارد از 1/0 تا 3/0 اينچ ميباشد. از بين خصوصيات مكانيكي ژئوتكستايلها مقاومت كششي و تراكم پذيري از اهميت بيشتري برخوردار است. منظور از تراكم پذيري در ژئوتكستايلها ضخامت آن در تنشهاي قائم متفاوت است. تراكم پذيري براي ژئوتكستايلهاي نبافته بيشتر از انواع بافته است و استفاده از عمليات حرارتي در توليد ژئوتكستايل نبافته باعث كاهش تراكم پذيري آن ميشود.
ايده اصلي تعيين مقاومت كششي، قرار دادن ژئوتكستايل در بين مجموعه اي از گيره ها و كشيدن ژئوتكستايل تا حد گسيختگي است. از انجام اين آزمايش ميتوان نمودار تنش – كرنش را رسم كرد و از روي آن علاوه بر مقاومت كششي ميتوان كرنش نظير خرابي، طاقت (toughness) ومدول الاستيسيته ژئوتكستايل را به دست آورد. ]شكل 1 اين منحني را براي چند نوع متفاوت ژئوتكستايل نمايش ميدهد چنانچه مشاهده ميشود مقدار كشش براي واحد عرض در نظر گرفته شده است. و لذا واحد بر حسب km/m بدست ميآيد.[.
غالبا نمونه ژئوتكستايل همراه با خاك و به عنوان جزئي از آن كاربرد دارد بنابراين ضروري است كه مقاومت كششي آن در حالت محصور شده نيز اندازه گيري شود. براي اين كار معمولا نمونه ژئوتكستايل بين غشاء روغن كاري شده ولايه هاي نازك خاك توسط فشار هوا احاطه ميشود. اين شرايط ميتواند وضعيت واقعي ژئوتكستايل را در خاك مشابه سازي نمايد.
همانطور كه اشاره شد كاربردهاي اصلي ژئوتكستايلها در جداسازي بين لايه هاي خاك، تسليح خاك، فيلتراسيون و زهكشي ميباشد كه در ادامه به تشريح آنها ميپردازيم.
2- كاربرد ژئوتكستايلها در جداسازي لايه هاي خاك (separation)
منظور از جداسازي، ايجاد مرزي بين مصالح براي جلوگيري از ورود دانه هاي خاك از يك لايه به لايه ديگر است. كه منجر به محفوظ ماندن خواص آنها به صورت مجزا ميگردد. اغلب اتفاق ميافتد كه لايه هاي خاك با دانه بندي متفاوت در كنار يكديگر اجرا ميشوند وتداخل آنها ميتواند باعث بروز مشكلاتي در كاربرد آنها ميگردد. بدين معني كه ممكن است ورود ذات ريز دانه در لايه درشت دانه خاك باعث مسدود شدن منافذ خاك گشته، خاصيت زهكشي لايه درشت دانه را كاهش دهد يا اينكه بر عكس حالت قبل ممكن است دانه هاي درشت خاك در اثر تماس با لايه ريز دانه در آن فرو روند و خاصيت استحكام لايه درشت دانه با پراكندگي دانه هاي آن كاهش مييابد. حالت دوم بيشتر در زير جاده هايي كه بر روي خاكهاي اشباع احداث ميشوند اتفاق ميافتد و در اثر كوبيدن لانه خاكريزي شده مقداري از مصالح جاده به مرور زمان در زمين شل و باتلاقي فرور رفته، استحكام خود را از دست ميدهد و باعث اعوجاج سطح جاده ميگردد (شكل 2) بنابراين لايه هاي ژئوتكستايل به كار رفته و در زير سازي جاده ها، ميتوانند علاوه بر بهبود خواص مقاومتي و توزيع تنش مناسب بار وارده بر خاك زير اساس به عنوان جدا كننده از پراكندگي مصالح به كار رفته در جاده ها نيز جلوگيري كنند.
3- كاربرد ژئوتكستايلها در تسليح خاك
ايده خاك مسلح به شيوه جديد، نخستين بار به وسيله هانري و ايدال در دهه 1960 مطرح گرديد. اين ايده بر اندر كنش بين خاك و مسلح كننده به كار رفته است. ابتدايي ترين شكل اندر كنش بين اين دو جزء عبارت است از نيروي اصطكاك بين آنها چنين حالتي هنگاميبه كار ميرود كه خاك داراي خواص اصطكاكي قوي باشد و لذا در خاكهاي غير چسبنده (ماسه اي) ميتوان از اين نوع تسليح استفاده كرد. اما در حالتي كه خاك چسبنده (رسي) باشد. انتقال نيرو بين خاك و مسلح كننده به وسيله اصطكاك ناچيز بين آنها تامين نميشود. در چنين صورتي انتقال نيرو بين مسلح كننده و خاك از طريق اتكاي فشاري تامين ميشود و لذا سيستم تسليح پيچيده تر است. در اين حالت مسلح كننده ها در دو انتها روي خاك تكيه ميكنند.
جهت افزايش مقاومت كششي خاك ميتوان از ژئوتكستايل يا ژئوگريد استفاده كرد. البته در اين ضمن، مقاومت برشي و پيچشي خاك هم بهبود مييابد. آزمايشهاي انجام شده نشان داده است كه مسلح كردن خاك بدين طريق، ظرفيت باربري آن را به ميزان قابل توجهي افزايش ميدهد. نقش ژئوتكستايلها در تسليح خاك را ميتوان به نقش آرماتورهاي فولادي و تسليح بتن تشبيه كرد. در بتن مسلح نيروي فشاري را بتن و نيروي كششي ايجاد شده را آرماتور تحمل ميكنند. در خاك مسلح نيز تركيب لايه هاي ژئوتكستايل به عنوان ماده مقاوم در مقابل كشش و توده خاك به عنوان ماده مقاوم درمقابل فشار ميتواند مجموعه اي مناسب براي تحمل بارهاي وارد شده را ايجاد كند مقدار آرماتور (مسلح كننده) مصرفي در هر مورد بستگي به شرايط طرح دارد. با توجه به اينكه امروزه ژئوتكستايلهاي با مقاومت كششي KN/m 2000 (در واحد عرض ژئوسنتيك) موجود هستند، در هر حال حجم مصالح مصرفي پايين خواهد بود. چندين مورد از كاربرد ژئوتكستايلها به عنوان مسلح كننده به شرح زير است.
3-1 تسليح ديوارهاي حائل به وسيله ژئوتكستايل
يكي از موارد كاربرد ايده خاكي مسلح استفاده از ژئوتكستايل در ساخت ديوار حائل ميباشد. مراحل اجراي ساخت يك ديوار حائل مسلح شده به وسيله ژئوتكستايل در شكل 3 نشان داده شده است.
]همانطور كه در شكل مشاهده ميشود[ ابتدا لايه ژئوتكستايل گسترده ميشود و بر روي آن تا ارتفاع حدود نصف لايه خاكريزي ميشود. سپس انتهاي ژئوتكستايل روي لايه برگردانده ميشود و در شيار ايجاد شده در خاك نزديك قالب قرار ميگيرد و در مرحله بعد خاكريزي لايه، كامل ميگردد و قالب قرار ميگيرد و در مرحله بعد خاكريزي لايه: كامل ميگردد و قالب براي ايجاد لايه بعدي بر روي لايه اول قرار ميگيرد و تمام مراحل فوق تكرار ميگردد.
در طراحي به اين روش علاوه بر بررسي علاوه بر بررسي پايداري خارجي در مقابل واژگوني،لغزش و گسيختگي پي، پايداري داخلي ديوار نيز بر اساس تعيين فاصله ژئوتكستايلها، طول لازم جهت مهار كامل و نيز همپوشاني لايه هاي ژئوتكستايل مورد تامل قرار ميگيرد. كليات كنترل پايداري خارجي مشابه ساير ديواره هاي حائل ميباشد براي تعيين فاصله لايه ها فرض ميشود كه فشار جانبي به صورت خطي و بر اساس توزيع حالت محرك رانكين (kn) وارد ميشود. براي توزيع بارهاي زنده نيز از تئوري الاستيك بوسينسك استفاده ميشود. در نهايت تنش افقي نهايي از مجموع تنشهاي ناشي از بارهاي زنده اضافه بار و وزن خاك به دست ميآيد با داشتن تنش افقي در اعماق مختلف و اعمال ضريب اطمينان لازم ميتوان نيروي كششي لايه هاي مختلف ژئوتكستايل را بدست آورد و ژئوتكستايل با ضخامت مناسب را انتخاب نمود براي به دست آوردن طول باربر لايه هاي ژئوتكتسايل (Le) نيروي كششي لايه هاي ژئوتكستايل را با نيروي برشي كه از اصطكاك و چسبندگي بين لايه وخاك به وجود ميآيد. بدست ميآورند و البته بايد طول خارج از سطح گسيختگي (LR) را نيز به آن اضافه كرد. طول همپوشاني لايه ها نيز به طريق مشابه قابل محاسبه است.
در پايان كار بايد روي سطح ژئوتكستايل مجاور با هوا پوشش مناسبي اجرا گردد تا از اثر اشعه ماورا بنفش خورشيد روي آن جلوگيري گردد. اين پوشش ميتواند از تركيبات امولسيون قير و يا تركيبات مشابه تشكيل گردد. در صورت امكان از بتن پاشيدني نيز ميتوان بعنوان روكش
استفاده كرد.
3-2 پايداري شيروانيهاي خاكي توسط ژئوتكستايل
به هنگام احداث خاكريز سيل پندها يا زير سازي جاده ها احتمال ريزش و ناپايداري خاكريز وجود دارد. در اين صورت ميتوان از يك يا چند لايه ژئوتكستايل مطابق شكل 5 استفاده كرد براي طراحي خاكريزها و شيروانيها مسلح ميتوان از تئوري تعادل حدي با اعمال تغييراتي استفاده كرد. در اين تئوري از سطح گسيختگي فرضي دايروي استفاده ميشود و نسبت لنگر مقاوم به لنگر محرك به عنوان پارامتر ضريب ايمني تعريف ميگردد. چنانچه در شكل مشاهده ميشود، اثر ژئوتكستايل را ميتوان به صورت نيروهاي افقي (Ti) كه توسط لايه هاي مختلف آن اعمال ميشود، در نظر گرفت. اين نيروهاي افقي باعث ايجاد لنگر مقاوم (Mr) حول مركز دايره گسيختگي ميشود كه به همراه لنگر مقاوم ناشي از وزن قطعات، در مقابل لنگر محرك واژگوني شيرواني مقاومت ميكنند. لازم به ذكر است در صورتي كه لايه هاي ژئوتكستايل به صورت مماس بر دايره گسيختگي به كار ميرود ميتواند لنگر مقاوم بيشتري ايجاد كند. ولي تحقيقات نشان ميدهد كه اين كار ميتواند تاثير بسزايي در افزايش ضريب ايمني داشته باشد. مضاف بر اينكه مشكلات اجرايي خاص خود را به همراه خواهد داشت.
و بنابراين معمولا لايه ها به صورت افقي به كار ميروند. نكته حائز اهميت ديگر در مورد نقش ژئوتكستايل در تسيلح خاكريزها، اختلاف موجود بين مقاومت كششي ژئوتكستايل در محاسبه و واقعيت ميباشد. بدين معني كه آنچه به عنوان مقاومت كشي مجاز ژئوتكستايل در محسبات به كار ميرود بامقاومتي كه ژئوتكستايل در عمل در حالت گسيختگي از خود نشان ميدهد، متفاوت است كه اين امر ميتواند به دليل عدم توزيع يكنواخت T در ارتفاع خاكريز باشد همچنين عدم تطبيق نرخ كرنش آزمايشگاهي در تعيين با نرخ كرنشي كه درعمل براي نمونه هاي بزرگتر ژئوتكستايل اتفاق ميافتد نيز عامل موثري است. بنابراين اگر نسبت بعد بزرگتر به بعد كوچكتر در ژئوتكستايل در حدود 10 باشد، استفاده از مقاومت كششي مجاز، خطاي ناچيزي به همراه خواهد داشت.
3-3- تسيلح جاده ها به وسيله ژئوتكستايل
تركيب خاك به عنوان ماده اي با قابليت تحمل فشار و ژئوتكستايل به عنوان ماده اي با قابليت تحمل كشش گسترده تازه اي را از كاربرد ژئوتكستايل در ساخت جاده ها و زير سازي آنها به وجود آورده است.
هزاران كيلومتر جاده هاي شوسه كه به صورت موقت براي دسترسي يا به عنوان مسيرهاي ثانويه ساخته ميشوند. توجه خاص به طراحي راههاي شوسه را ضروري ميسازند. البته در مورد راههاي روكش دار نيز ميتوان از ژئوتكستايل استفاده كرد. نكته حائز اهميت اين است كه روكش آسفالته يا بتني را نميتوان روي خاك ضعيف اجرا كرد. زيرا در اين صورت به آساني ترك ميخورد. بنابراين يكي از راههاي رفع اين محدوديت، استفاده از ژئوتكستايل ميباشد. اصول طراحي ژئوتكستايل بر اساس رسيدن به حدي از تغيير شكل است كه مقاومت كششي ژئوتكستايل به قابليت باربري مجموعه كمك كند.
