ژئوتکستایل (Geotextile) چیست، چه کاربردی دارد و انواع آن کدام است

ژئوتکستایل‌ها منسوجاتی نفوذپذیر هستند که به منظور جداسازی، فیلتراسیون، حفاظت و تقویت خاک استفاده می‌شوند. ژئوتکستایل‌ها به دوشکل بافته (woven) و (nonwoven) نبافته هستند که بر پایه پلی استر  (PES/PET) و پلی پروپیلن (P.P) و ترکیبی از سایر مواد پلیمری با گرماژ و ابعاد گوناگون تولید می‌شوند. این نوع پارچه از کنار هم قرارگرفتن الیاف ریز پلیمری و در هم تنیدن آن‌ها تشکیل می‌شود. تولید ژئوتکستایل‌ها با روش‌های گوناگون همچون سوزنکاری  (Needle Punching)، حرارتی(Heat Bonding) یا شیمیائی  (Resin Bonding)، انجام می‌گیرد و دارای ساختاری همچون نمد بوده و به طور کلی بدون تار و پودهای مشخص (بی بافت) است.

ساختار متخلخل ژئوتکستایل باعث وجود خواص همچون موئینگی و جذب آب، عبوردهی آب، تحمل فشار و ضربات، جذب قیر و از همه مهمتر امکان عبور دادن سیالات در حالی که ذرات خاک اجازه عبور ندارند، می‌شود.

کاربردهای مهم ژئوتکستایل در صنعت ساختمان و مهندسی عمران

همانطور که اشاره شد از عمده وظایف مهم ژئوتکستایل در صنعت ساختمان و مهندسی عمران می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:

• زهکشی (Drainage)
• محافظت (Protection)
• جداسازی (Separation)
• مقاوم‌سازی (Reinforcement)
• فیلتراسیون (Filtration)

زمینه‌های کاربرد

محصولات ژئوسنتتیک دارای کاربرد‌های گسترده‌ای بوده و به همین دلیل جزء جدایی ناپذیر پروژه‌های بزرگ عمرانی می‌باشند. در این میان عملکرد‌های چندگانه ژئوتکستایل‌ها سبب شده است تا آن‌ها در کنار هر یک از محصولات ژئوسنتتیک در پروژه‌های عمرانی به کار روند. از جمله مهم‌ترین این عملکرد‌ها می‌توان به زهکشی، فیلتراسیون، جداکنندگی، محافظت و مقاوم‌سازی اشاره کرد.

• تفکیک و جداسازی: از این مصالح به منظور جداسازی دو نوع از مصالح ساختمانی با جنس متفاوت استفاده می‌شود جداسازی دو نوع شن، خاک و سنگ و یا دو ناحیه مختلف از مصالح در یک سد خاکی

• مسلح کردن: از ورق‌های ژئوتکستایل به منظور افزایش مقاومت کششی خاک‌های سست دانه ریز استفاده می‌شود. این محصولات سبب می‌شوند تا بار وارده در سطح گسترده‌تری پخش شده و ظرفیت باربری افزایش یابد.
• زهکشی: ژئوتکستایل در انحراف مسیر آب و جلوگیری از جریان آن به سوی یک منطقه مشخص به منظور حفظ پایداری خاک، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• فیلتراسیون: این محصول ضمن عبور آب، مانع از حرکت و فرار ذرات ریز دانه خاک می‌گردد.

با توجه به عملکردهای متنوع ژئوتکستایل، این محصول دارای زمینه‌های کاربردی متعدد و فراوانی است که در زیر به برخی از آن‌‍‌ها اشاره شده است:

• جداسازی لایه‌های خاک در زیرسازی جاده‌ها
• مقاوم سازی روکش جاده در ترکیبب با ژئوگرید آسفالتی
• جداسازی و فیلتراسیون در زیر سازی خط آهن
• فیلتراسیون و جداسازی لایه‌های خاک در سد سازی
• بهبود زهشکی خاک و کنترل فرسایش
• جداسازی لایه‌های مختلف خاک در دیواره‌های محافظ
• زهکشی زیر زمینی، پشت دیوار حائل، ستون‌ها
• کنترل و نگهداری ضایعات در لندفیل‌ها
• سیستم جمع‌آوری مایعات و گازها
• حفاظت از ژئوممبران در اماکن مختلف
• سیستم‌های محافظت و زهکشی زیر چمن مصنوعی
• لاینینگ و ایزولاسیون تونل‌ها
• استحصال زمین‌های باتلاقی
• فیلتر در کانال‌های آبیاری
• فیلتر در سدهای خاکی
• حفاظت سواحل رودخانه و دریاها
• مخازن فاضلاب و لند فیل‌ها
• مخازن ذخیره آب و مواد شیمیائی
• تحکیم بستر خاکریزها و شیب‌های مصنوعی
• احداث باند فرودگاه

نقش محافظ ژئوممبران

ژئوممبران‌ها اغلب در پروژه‌های عمرانی به منظور ایجاد یک لایه‌ی آب بند به کار ‌می‌روند. ژئوممبران باید در طول زمانی که به کار گرفته می‌شود، نفوذ ناپذیر باقی بماند. اما تنش‌های القایی به وجود آمده در اثر مصالح موجود در محل، می‌تواند سبب جابجایی و در مواقعی پارگی ژئوممبران گردد. یک لایه‌ی ژئوتکستایل با ضخامت مناسب می‌تواند نقش به سزایی در کاهش آسیب دیدگی ژئوممبران داشته باشد.

مزایای ژئوتکستایل ژئوفام

• فیلتراسیون و زهکشی عالی
• عملکرد هیدرولیکی بلند مدت
• قابلیت کشش پذیری بالا و تغییرشکل همراه خاک
• مقاومت برشی مناسب در سطح اتصال با خاک
• مقاوم در برابر مواد شیمیایی
• مقاوم در برابر پارگی و سوراخ شدگی

کاربرد در مهندسی هیدرولیک

ژئوتکستایل ژئوفام در انواع سازه‌های مهندسی هیدرولیک، اعم از کشاورزی، آب های زیرزمینی کاربرد دارد. بطور کلی در هر منطقه‌ای که نیاز به آب بندی و همچنین حفظ هندسه دیواره و یا کف کانال یا مسیر آبی و همچنین اجرای درست زهکشی وجود داشته باشد از ژئوتکستایل استفاده می‌شود.

• استخرهای کشاورزی
• کانال‌های آب
• دایک و سازه های آبی
• سواحل (موج شکن)

 استفاده از ژئوتکستایل به عنوان لایه محافظ ژئوممبران در معادن و سدهای باطله

سدهای باطله که در اطراف و حواشی معادنی چون مس، طلا، فولاد و غیره ایجاد می‌شوند، به منظور فرآوری جریان‌های گل ‌و لای احداث می‌گردند تا سنگ ‌ها و آب‌‌ها از آن جدا شده و در نهایت فلزات باقی بمانند. به طور کلی کاربری آن ذخیره و فرآوری پساب‌ها و باطله های معدنی است.

به منظور آب‌بندی مناسب این سدها عموماً از لایه عایق ژئوممبران استفاده می‌شود. ژئوممبران عایقی‌ است که در صورت محافظت در برابر آسیب‌های محیطی و صدمات فیزیکی خاصیت خود را تا سال‌ها حفظ می‌کند. به جهت جلولگیری از این آسیب‌ها، با توجه به خواص فیزیکی و مکانیکی ژئوتکستایل عمرانی استفاده از آن بهترین راه حل است.

تاریخچه

نام کنونی این محصولات در سال 1977، حدود 42 سال پیش، برای اولین بار در مقاله‌ای که توسط Jirud در کنفرانسی در پاریس ارائه شد، مطرح شد. اهمیت کنفرانس سبب شد تا آن‌ها از آن پس به این نام شناخته شوند. تاریخچه کاربرد ژئوتکستایل‌ها به مدت‌ها قبل از شناخته شدنشان به اسم کنونی بر می‌گردد. در دهه 1960 آلمانی‌ها از این محصولات در سیل بند‌ها استفاده می‌کردند. این طراحی در نتیجه‌ی سیل ویرانگری بود که در سال 1953 در هلند رخ داد. دکتر Jirud حتی چند سال قبل از کنفرانس سال 1977 نیز از این منسوجات در طراحی‌های خود استفاده می‌کرد. دکتر Jirud در دهه 1970 برای اولین بار از ژئوتکستایل به عنوان فیلتر در ساخت یک سد در فرانسه استفاده کرد. این سد که در سال 1970 ساخته شد تاکنون دارای عملکرد خوبی بوده است.

عملکرد چندگانه ژئوتکستایل

محصولات ژئوسنتتیک دارای کاربرد‌های گسترده‌ای بوده و به همین دلیل جزء جدایی ناپذیر پروژه‌های بزرگ عمرانی می‌باشند. در این میان عملکرد‌های چندگانه ژئوتکستایل‌ها سبب شده است تا آن‌ها در کنار هر یک از محصولات ژئوسنتتیک در پروژه‌های عمرانی به کار روند. از جمله مهم‌ترین این عملکرد‌ها می‌توان به زهکشی، فیلتراسیون، جداکنندگی، محافظت و مقاوم‌سازی اشاره کرد.

نقش زهکش و فیلتراسیون

نیاز به زهکشی در سازه‌های ژئوتکنیکی سال هاست که مطرح است. این نیاز سبب شده تا فیلتر‌هایی که مانع از شسته شدن خاک می‌شوند، مورد استفاده قرار گیرند. چرا که شسته‌شدگی خاک در اطراف سیستم زهکشی سبب مسدود شدن این سیستم و ناپایداری‌های احتمالی در آن محدوده می‌گردد. ژئوتکستایل به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردش به عنوان پرکاربردترین محصول در سیستم‌های زهکشی سازه‌های عمرانی شناخته شده است. منافذ بسیار ریز آن ضمن عبور جریان آب ذرات خاک را فیلتر کرده و مانع از عبور آن‌ها و آب شستگی می‌شوند. این محصولات به عنوان فیلتر در سیستم‌های زهکشی سد‌های خاکی، راه‌ها و راه آهن‌ها، دیوار‌های حائل و… به کار ‌می‌روند.

نقش جداکننده ژئوتکستایل در راه‌سازی

استفاده از این محصول به عنوان جدا‌کننده ذرات ریز دانه از درشت دانه و نیز جداسازی بستر نامرغوب از مصالح روسازی، در احداث جاده بسیار رایج و مرسوم می‌باشد. اهمیت نقش جداسازی ژئوتکستایل در جاده‌سازی به این دلیل می‌باشد که با جلوگیری از اختلاط مصالح ریزدانه در داخل مصالح درشت دانه از به هدر رفتن مصالح ریزدانه و کاهش خواص مقاومتی مصالح درشت دانه جلوگیری می‌کند. همچنین در مورد عبور جاده از مناطقی با خاک‌های سست، این محصول از اختلاط مصالح مرغوب با بستر نامرغوب و هدر رفتن مصالح جلوگیری می‌کند. بدین ترتیب علاوه بر کاهش مصالح مورد نیاز، عمر مفید راه‌ها هم افزایش می‌یابد. در زیرسازی خط آهن و باند فرودگاه نیز می‌توان از نقش جداسازی آن بهره برد.

کنترل فرسایش

فرسایش خاک یک پدیده پیچیده و یک مسأله مهم زیست محیطی می‌باشد که در سراسر دنیا رخ می‌دهد و می‌تواند زمین‌های کشاورزی یا غیر کشاورزی را تحت تأثیر قرار دهد. مستندات حاکی از این است که فرسایش خاک می‌تواند اثرات منفی اجتماعی، اقتصادی و زیست محیطی فراوانی را در پی داشته باشد. در این میان ژئوتکستایل محصول مناسبی برای کنترل فرسایش می‌باشد. به کارگیری ژئوتکستایل به منظور کنترل فرسایش خاک، برای اولین بار در دهه 1970 انجام شد و به دلیل موفقیت‌آمیز بودن، این محصول به یکی از اصلی‌ترین محصولات کنترل فرسایش در پروژه‌های عمرانی تبدیل شد. این محصول، سطح خاک را از نیرو‌های کششی وارده در اثر آب، باد و بارندگی حفظ کرده و مانع از فرار ذرات خاک در اثر این نیرو‌ها می‌گردد.

مزیت اقتصادی 

به کارگیری این محصول علاوه بر مزایای متعدد فنی از لحاظ اقتصادی نیز مقرون به صرفه می‌باشد. مزایای اقتصادی کاربرد آن را می‌توان بدین صورت خلاصه کرد:

به کارگیری این محصول سبب تسریع و تسهیل انجام پروژه‌ها شده، میزان مصالح خاکی مورد نیاز را کاهش داده، رفتار بلند مدت سازه را ارتقا بخشیده، از هزینه‌های تعمیر و نگهداری کاسته و مانع از بروز بسیاری از مشکلات زیست محیطی می‌گردد.

تاریخچه تکامل ژئوسنتتیک‌ها

زهکشی، جدا‌سازی، فیلتراسون و مسلح‌سازی از اصلی‌ترین موارد کاربردی این نوع از محصول‌ها می‌باشد. در حدود پنج هزار سال پیش در فلات ایران در هزاره اول پیش از میلاد برای ساخت اماکن مسکونی و ساخت عبادتگاه‌هایی چون برج بابل از خاک مسلح شده با قطعات نی استفاده گردید.

سپس استفاده از بوریای بافته شده از نی در ایتالیا و نیز صفحات کرباس در هلند، امریکا و انگلستان جهت تقویت خاکریز‌های کناری رودخانه و جاده ابداع گردید. مصرف اولین نسل از ژئوتکستایل پلیمری از اواخر دهه پنجاه، زمانی آغاز شد که کاربرد آن‌ها به عنوان فیلتر‌های جدید مرسوم گردید.

این دوره شکوفایی از اواخر دهه ٦٠ میلادی شروع و روند استفاده از آن‌ها بصورت پوشش فیلتری و مسلح‌کننده‌ی جاده‌ها، فرودگاه‌ها، سد‌ها و … سیری صعودی را طی نمود.

امروزه در احداث سازه‌های مختلف و بخصوص سازه‌های هیدرولیکی از این محصولات به میزان قابل ملاحظه‌ای استفاده می‌شود. برای اولین بار از ژئوممبران در سال ١٩٦٠ میلادی به عنوان غشای آب بند در برخی از بخش‌های سدی در کانادا استفاده شد و ١٠٠٠٠ متر مربع ژئوتکستایل در فرانسه به عنوان فیلتر در دو بخش مختلف یک سد استفاده گردید.

مصالح ژئوسنتتیک، در حال حاضر توسط ٧٥ تولید‌کننده در سراسر جهان ساخته می‌شود که پیشرفتی بنیادی و زیربنایی در امر مصالح با توسعه همگام و همزمان در زمینه تکنولوژی مهندسی، کاربرد این مصالح را در طراحی و ساخت سد و پی افزایش می‌دهد.

طبقه‌بندی خصوصیات اصلی

خصوصیات ژئوسنتتیک‌ها همانند هر ماده دیگری که در فعالیت‌های مهندسی مورد مصرف قرار می‌گیرد؛ به مواد بکار رفته در تولید آن‌ها، چگونگی ساخت و شکل فیزیکی محصول نهایی بستگی دارد.

خصوصیات اصلی آن‌ها را می‌توان به سه گروه زیر تقسیم کرد:

1.  خصوصیات فیزیکی: وزن مخصوص، ضخامت، انعطاف‌پذیری
2.  خصوصیات مکانیکی: دوام، مقاومت کششی، مقاومت سوراخ شدگی
3. خصوصیات هیدرولیکی: اندازه خلل و فرج، نفوذپذیری، قابلیت انتقال

از روی این خصوصیات می‌توان نوع مناسب محصول را جهت هر فعالیت مهندسی معین، انتخاب نمود.

معرفی محدودیت‌های اجرایی و انتخابی ژئوتکستایل‌ها

به منظور مقابله با اثرات تخریبی اشعه ماوراء بنفش، در زمانی که این نوع محصولات به مدت چند روز در معرض مستقیم نور خورشید قرار دارند، باید پیش‌بینی‌های لازم صورت گیرد. به گونه‌ای که لایه‌های ژئوتکستایل از زمان ساخت تا پایان اجرا نباید جمعا بیش از ٣٠ روز در معرض اشعه فرا بنفش باشند. از طرفی شرایط نفوذپذیری نیز باید بر اساس سطح باز موجود در تکستایل‌ها که در تماس با جریان آب قرار دارند محاسبه گردد.

به فرض نمونه: اگر ٥٠% از سطح تکستایل با بلوک بتنی مسطح پوشانده شود، جریان مؤثر به مقدار ٥٠% کاهش می‌یابد.

• این محصولات در هنگام تعبیه بر روی سطوح شیب دار باید تثبیت شوند.

• این محصولات در هنگام خاکریزی (بارگذاری)، باید مقاومت کافی در برابر آسیب‌های احتمالی داشته باشند.

• آن‌ها با حفظ خصوصیات طراحی و بدون هیچ پارگی، باید قادر به تحمل کرنش‌های موجود در اطراف خاکریز که در اثر بار‌هایی چون زلزله بوجود می‌آید باشند. این نکته اهمیت عملکرد مطلوب تکستایل در حین بروز زمین لرزه را متذکر می‌شود.

تکستایل‌ها بعد از این که در محیط مورد نظر تعبیه می‌شوند، باید یکسری فاکتور‌ها را برآورده کنند. از این میان می‌توان به این مورد اشاره کرد که در اثر موارد طبیعی مانند رشد گیاهان یا ریشه‌های آن‌ها نباید دچار آسیب شوند. مواد تشکیل‌دهنده آن‌ها به دلیل ناپایداری نباید تجزیه شوند.

با توجه به آنکه مقاومت این مواد در صورت غوطه ور شدن در یخ و کاهش دما، کاهش می‌یابد، لازم است که پیشگیری‌هایی به منظور جلوگیری از تماس آن با آب بسیار سرد به عمل آورده شود.

بطور کلی اغلب این محصول‌ها از پلی پروپلین یا پلی استر تشکیل شده‌اند و ممکن است بصورت بافته و یا نبافته تولید گردند.

مواد اولیه این محصول

چهار نوع اصلی از پلیمر‌ها مواد اولیه ترکیبات این محصولات را تشکیل می‌دهد:

• پلی استر

• پلی آمید

• پلی پروپیلن

• پلی اتیلن

قدیمی‌ترین و یا اولین پلیمری که در تولید این محصول مورد استفاده قرار گرفت پلی اتیلن است که در سال 1931 در آزمایشگاه ICI کشف شد. بعد از این پلیمر، پلی آمید بالاترین سابقه را دارد. این پلیمر نیز از سال 1935 مورد مصرف قرار گرفته است به تدریج پلی پروپیلن هم بعنوان ماده اولیه این صنعت شناخته شد و از سال 1941 مورد استفاده قرار گرفت اما پلی استر در رقابت با پلی‌پروپیلن قرار گرفت و از سال 1954 در ساخت آن‌ها نقش اصلی را بازی می‌کند. خواص پلیمر‌های مذکور در لایه مربوط به این محصول به شرح زیر نشان داده شده است:

کم : L      متوسط : M      زیاد : H