Sissejuhatus geosünteetidesse
| Õpikeskkond: | Tallinna Tehnikakõrgkooli Moodle |
| Kursus: | Geosünteedid koolitusmaterjal külalistele (ERA080) - S. Sillamäe |
| Raamat: | Sissejuhatus geosünteetidesse |
| Printija: | Külaliskasutaja |
| Kuupäev: | neljapäev, 25. aprill 2024, 19.39 PM |
Kirjeldus
Loeng käsitleb kõike, mida oleks vaja teada enne, kui alustada konkreetselt geosünteetilistest toodetest: vajadus, ajalugu, toodete nimistu, valmistusmaterjalide omadused, geosünteetide kasutusvaldkonnad; geosünteetide erinevate omaduste seos kasutamisega; kasulikud lingid
1. Sissejuhatus
|
Seoses loodusressursside pideva vähenemisega vähenevad ka võimalused ehitada kauakestvaid insenerrajatisi headest pinnastest. Üha suuremas ulatuses tuleb kasutusele võtta halvemate füüsikalis-mehaaniliste omadustega pinnaseid. Maa kui ressursi pidev väärtustumine ja kallinemine sunnib nii auto- kui ka raudteede ehitajaid ning ka paljude muude insenerrajatiste (lennuväljade maandumisrajad, tammid, puutornide alused jms.) püstitajaid minema üha nõrgematele aluspinnastele. Selleks aga, et neile pinnastele ja ka neist pinnastest ehitada kauakestvaid ja püsivaid rajatisi, tuleb neid pinnaseid parandada, panna nad nii tööle, et nad nn ületaksid endid. Üheks selles teeks on võtta kasutusele geosünteedid: tugevduskangad, geovõrgud, komposiitmaterjalid ja nende baasil luua uues konstruktiivsed lahendid.
Sarnane lugu on ka keskkonnakaitses ja –ehituses. Nõlvade ehitamisel on vaja tagada erosiooni- ja varisemiskindlus; prügilate ehitusel tagada, et reovesi ei pääseks aluspinnasesse ja seekaudu põhjavette; hoonete ehitamisel ei tohi pinnas hakata alt vajuma põhjustades nii suuri kahjusid; näiteid võib tuua kümneid. Halbade pinnaste asendamine parematega on tihti väga kulukas, näiteks kui suurte mahtude korral on vaja tuua need kohale väga kaugelt. Prügilate ehitusel on muidu vaja mõnikord rajada alusesse lausa meetritepaksuseid savikihte peatamaks reovee liikumise. Külmakergetest tekkinud praod asfaldisse nõuavad iga-aastaselt miljoneid kroone remondiraha. Kõike seda oleks võimalik vältida kasutades vastavalt õigetele meetoditele erinevaid geosünteete. Lisaks juba eespool loetletutele veel asfaldivõrke, geomembraane, savikangaid, erosiooni- ja haljastusmaterjale. |
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License.
2. Geosünteetika ajalugu
|
Juba tuhandeid aastaid tagasi oli ehitajatel probleeme pehmete pinnaste ja nende kandevõimega. Seega tuli leida uusi lahendusi ning võimalusi, kuidas pinnaseid parandada. • 3000 e.Kr. - esimene teadaolev pinnase armeerimine teedel. Iidsed britid rajasid Thamesi jõe kallastel teid üle pehmete, turvast sisaldavate pinnaste. Aluse kandevoime parandamiseks kasutati siis langetatud puid. • 1500 a.e.Kr. – babüloonlased rajavad Zigurat templi sealsamas asuvast pinnasest. Iga 1 meetri järel kindlustati rajatis bambuse võrsete kihiga. Tempel on alles tänapäevani. • 800 p.Kr. – viikingid kasutavad teede all põõsaid. • 1926 – esimene teadaolev sünteetika kasutus armeerimisel. Ameerikas, South - Carolinas kindlustati tee alust paksu puuvillase materjaliga, millele paigaldati kuum asfalt. Pärast aastaid kestnud jälgimistööd kinnitati, et meetod õigustas end, kuna defektid ilmusid teele oluliselt hiljem, kui see oleks tavaolukordades juhtunud. • 1936 – Inglise firma Bidim hakkab tootma spetsiaalseid kardinaid tee kindlustamiseks. Hiljem hakkas Bidim tootma geotekstiile ning teeb seda tänapäevani. |
3. Geosünteetidest tulenev kasu
|
Geosünteete kasutatakse tänapäeval väga laialdaselt erinevates valdkondades: transport, geotehnika, keskkond, hüdraulika, hooneteehitus. Pärast nende esimesi kasutusi on geosünteetika levinu väga kiiresti ja jõuliselt nimetatud valdkondadesse. Selleks on mitmeid põhjuseid nagu näiteks:
Ehituskonstruktsioonides täidavad geosünteedid viite erinevat peamist ülesannet:
Kõiki neid ülesandeid saaks täita ka muudel viisidel muude materjalide ja tehnikatega, kuid geosünteete kasutatakse, kuna reeglina annavad need parema tulemuse (nt. hoiavad kindlalt reostuse pinnasest eemal) ja on odavamad kui kasutada traditsioonilisi meetodeid ja materjale (nt. metsateedel saab hakkama vähema ehitusmaterjaliga kui ilma geotekstiilita; selgitus tuleb hiljem) |
4. Geosünteetide tüübid
Geosünteete on kaheksa peamist liiki:
|
5. Polümeerid
|
Suurem emanud (üle 95%) geosünteetidest on valmistatud sünteetilistest polümeeridest. Antud peatüki peamine eesmärk on anda mingitki arusaamist polümeeridest ja nende omadustest, kuna iga toote omadused sõltuvad väga suurel määral algmaterjalide omadustest. Tööstusharu, mis tegeleb polümeeridega, on meeletu. Iga aasta müüakse üle 50 miljardi dollari eest polümeere (aastal 2000 termoplastilisi polümeere (nendest on valmistatud ka geosünteedid) tarbiti kokku 117 331 000 tonni). Õnneks geosünteetides kasutatakse vaid mõningaid polümeere tuhandete olamasolevate seast. Järgnevalt laialdasemalt levinud: • kõrge tuhedusega polüetüleen (high-density polyethylene; HDPE) – avastatud 1941; • Lineaarse struktuuriga madaltihe polüetüleen (linear low-density polyethylene LLDPE) – avasatud 1956; • Polüpropüleen (polypropylene; PP) – 1957; • Polüvinüülkloriid (polyvinyl chloride; PVC) – 1927; • Polüester (polyester; PET) – 1950; • „Laiendatud“ polüstürool (expanded polystyrene; EPS) – 1950; • Klorosulfoonitud polüetüleen (chlorosulphonated polyethylene; CSPE) – 1965; |
5.1. Polümeeride koostise analüüsimisviisid
|
Määramaks kindlaks, mis polümeeriga täpselt on tegu ja mida ta sisaldab, kasutatakse keemiatööstuses järgnevaid meetodeid: • Põletamine (burning) – igal polümeeril on oma põlemisviis nii algus- ja lõppfaasis kui ka põlemise kestel; • Termogravimeetriline analüüs (thermogravimetric analysis) – uuritakse massi ja temperatuuri omavahelist seost – erinevatel materjalidel tekib massikadu erinevate temperatuuride juures; põhiline test, millega määratakse polümeeride söemusta sisaldust; • Energeetiline skanneerimine (differential scanning calorimetry) – kuidas temperatuuri tõstes materjali kristalliline koostis käitub, kuidas ja mis temperatuuril toimub materjalis soojusvahetus; mingil temperatuuri hakkavad polümeeri koostises olevad kristallid järk-järgult sulama, kuniks saabub täielik materjali sulamine; • Oksüdatsiooninduktsiooni aeg (oxidative induction time) – määratakse polümeeri antioksüdantide sisaldus ning sellega seoses materjali vastupidavus ajale; • Termomehaaniline analüüs (thermomechanical analysis) – mõõdetakse katsekeha mõõtmete suurenemist temperatuuri tõstmisel; • Dünaamiline mehaaniline analüüs (dynamic mechanical analüsis) – mõõdetakse polümeeri käitumist dünaamilise koormuse käigus muutuvas temperatuuris. Võimalik kasutada näiteks roomeomaduste uurimiseks; • Infrapuna spektroskoop (infrared spectroscopy) – polümeeri kiiritatakse infrapunavalgusega, teatud polümeeril on teatud infrapunaväli, mida ta neelab. Vigase struktuuriga polümeer peegeldab mingid sagedused tagasi ning saadakse toote kvaliteet; • Kromatograafia (chromatography) – polümeer muudetakse gaasiliseks ning eraldatakse erineva koostisega komponentideks, mis kas lahustuvad, absorbeeruvad või reageerivad indikaatorina kasutatud ainega. Alternatiiv on vedeldamine; • Molekulaarmassi määramine (molecular weight determination); • Loomuomase viskoossuse määramine (intrinsic viscosity determination) – alternatiivne viis molekulaarmassi määramiseks. |
5.2. Polümeeride koostis
| Mitte ühegi geosünteedi polümeer pole 100% seostatav tema nimega. Kõikidel juhtumitel algne tooraine on segatud või ümberformuleeritud antioksüdantidega, selekteerivate ainetega, filleritega ja teiste materjalidega olenevalt vajadusest. Iga lisandi kogus varieerub vastavalt retseptile suuresti alustades 1%, lõpetades 50%. Lisanditena, kas tahkel või vedelal kujul, kasutatakse UV-valguse absorbeerijatena, antioksüdantidena, termiliste stabilisaatoritena, plastifikaatoritena, biotsiididena, põlemise aeglustajatena, libestajatena, värvainetena, vahtu tekitavate või antistaatiliste osakestena. Tulemuseks võidakse saada homogeenne või heterogeenne segu sõltuvalt lisandite lahustuvusparameetritest võrreldes algse toorainega. Tavalised lisaained on söemust (carbon black); erinevad antioksüdandid; kaltsiumkarbonaat; metallide pulbrid ja helbed; silikaatmineraalid nagu savi, talk ja vilgukivi; ränimineraalid nagu kvarts, diatomiitkivim ja novakuliit (kvartsi ja räni sisaldav settekivim); metallilised oksiidid nagu alumiiniumoksiid, biotsiidid, ja teised sünteetilised polümeerid. Erineva suurusega söemusta osakesed on väga levinud lisandid, kuna polümeerid on suhteliselt tundlikud UV-kiirgusele ning söemust ise on odav. Selle sisalduse mõõtmine on standardiseeritud (ISO 6964), samuti selle hajutatus tootes (ISO 11420). Levinud vedelad lisandid on plastifikaatorid, fillerid ja värvained. Levinud fiiberlisandid (kuigi neid kasutatakse harva) on klaas; karbon ja grafiit; alfa tselluloos; sünteetilised polümeerid nagu nailon; metallid nagu teraskiud ja –traadid; ning boor. Lõpptulemus toote koostises kõigub, kuid on võimalik üldistada levinud polümeeride juures, millest geosünteete valmistatakse (vaata allolevat tabelit. Kõik numbrid on massiprotsendid).
Nagu näha, on teadus polümeeridest väga keeruline, kuid tähtis, kuna algmaterjalide omadustest ning nende lisanditest olenevad geosünteetide omadused ning nende kasutusvaldkonnad. |
5.3. Enimkasutatavad polümeerid, nendest valmistatud geosünteedid ja omadused
Kõige levinumad polümeerid on polüpropüleen (PP), kõrge tihedusega polüetüleen (HDPE) ja polüester (PET).
Peamine põhjus, miks enamik geotekstiile valmistatakse polüpropüleenist on odavus. Konstruktsioonides, mis on madala riskiga sobib PP ideaalselt. Teine eelis on suurepärane keemiline ja pH kõikumiste vastupidavus (tänu semikristallilisele struktuurile). PP on aldis roomele, seega ei sobi kohtadesse, kus on pidev koormus ja struktuuri pikaajaline püsivus sõltub geosünteedist. Polüestrit (PET) on hakatud järjest enam kasutama geovõrkude valmistamiseks tänu materjali suurele roomekindlusele ja tugevusele. Keemiline vastupidavus on suurepärane, kardab vaid suuri pH väärtuste kõikumisi (nt. leeliselised materjalid - tsemendiga stabiliseeritud teede alused). Muude polümeeride omadused on alljärgnevas tabelis:
Esitatud tabelist saab määrata kindlaks kõige levinumate polümeeride sobivuse erinevate keskkonnatingimustega. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
6. Geosünteetika kasutusvaldkonnad
Uuesti nimekiri geosünteetide ülesannetest ja nende lühikirjeldused (mõned omadused, võrreldes teise peatükiga, on juures):
Igal geosünteedil on peamine funktsioon ning kõrvalfunktsioon. Peafunktsioon tähendab, et geosünteet on tehtud täitma just ühte teatud ülesannet ning tema kõrvalfunktsioon on justkui lisaboonus. Järgnev tabel toob välja funktsioonide ja sünteetide omavahelise seose.
GTX = geotekstiil, GGR = geovõrk, GNT = drenaažvõrk (geonet), GMB = geomembraan, GFM = geofoam, GPP = geotoru, GCP = geokomposiit. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
6.1. Geosünteetide võimalikud kasutuskohad
Kasutusvaldkonna all mõeldakse siin kohta, kus enamasti teatud geosünteedi tüüpi kasutatakse. Esitatud on kokkuvõtlik tabel näitamaks ära peamised kasutuskohad. Kasutamine määratakse kindlaks vastavalt peamisele funktsioonile, kuid mingil määral arvestatakse ka kõrvalfunktsioone, mis täiustavad veelgi ehitust.
Nagu näha, geosünteete saab edukalt kasutada väga paljudes insenerehitistes, kus nad mängivad tähtsat rolli. Kõikide funktsioonide juures põhieelduseks on, et toode peab vastu pinnases ja vees esinevatele keemilistele ja bioloogilistele keskkonna iseärasustele. Lisaks (vajaduse korral) peab toode kokku sobima teiste sünteetiliste materjalidega ja ehitusainetega. |
6.2. Füüsikaliste omaduste seos tööfunktsioonidega
Eri tööfunktsioonides nõutakse erinevaid omadusi. Järgnevas tabelis on välja toodud tööfunktsioonide ja omaduste vahelisi seoseid. |
6.3. Mehhaaniliste omaduste seos tööfunktsioonidega
6.4. Geosünteetide tööfunktsioonide tähtsus eri valdkondades
7. Kasulikud veebilingid
| Kasulikud internetilehed ja materjalid: en.wikipedia.org/wiki/Geosynthetic - üldine ingliskeelne teave www.geosyntheticssociety.org/indexigs.htm - geosünteetide ühing www.geosyn.co.uk – Suurbritannia geosünteetide ühing www.mnt.ee/atp/failid/juhised/geosynteetide_kasutamise_juhis.pdf - Geosünteetide kasutamise juhis, Maanteeamet Suuremate tootjate koduleheküljed: www.terram.com – põhirõhk on tekstiilidel www.colbond.com www.tencate.com www.tensarinternational.com – põhirõhk jäikadel pinnasevõrkudel www.naue.com – pinnase- ja asfaldivõrgud www.huesker.com www.geogrid.com – põhirõhk tugiseinte ehitusel www.triumphgeo.com www.terrafixgeo.com – keskkonnaehitus www.tenax.net www.sigeosolutions.com www.geotextile.com www.poly-flex.com – geomembraanid www.terraforce.com – retaining wall Eesti suuremate edasimüüate kodulehed: www.roadservice.ee – Tensari edasimüüja www.viacon.ee – geosünteetide ja torutruupide edasimüüja www.viikon.ee – Viaconi Tartu filiaal www.hydroseal.ee – Typar geotekstiilide edasimüüja. |
8. Kasutatud materjal
| 1. Tee ajalugu. 2006. Eesti Maanteemuuseum 2. Tallinna Tehnikakõrgkooli loengumaterjal 3. Geosünteetide kasutamise juhis. 2006. Maanteeamet 4. Sanjay Kumar Shukla, Jian-Hua Yin. Fundamentals of geosynthetic engineering. 2006. London 5. Robert M. Koerner. Designing with geosynthetics. Fift edition. 2005. New Jersey |