ЛЕКЦИЯ СМБ 11 ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ План лекции 1. Определения. Виды геосинтетических материалов. 2. Требования, предъявляемые к исходным волокнам синтетических материалов. 3. Требования к синтетическим материалам, используемых для армирования грунтов оснований зданий и сооружений, а также для армирования асфальтобетонных покрытий. 4. Основные конструктивные решения использования ГМ. Примеры эффективного использования ГМ. д. т. н. , профессор Братчун В. И. 1
Геосинтетические материалы (ГМ) в дорожном строительстве Геосинтетические материалы (полотна, георешетки) – материалы в виде полотна или решетки из синтетических волокон, расположенных в одном направлении или беспорядочно (ткани, полотна). Для производства геотекстилей и георешеток главным образом используют полиэфир, полипропилен, ацетатное, натуральное волокно и их смеси. Если в 70 -х годах ХХ столетия на мировом рынке было всего 5 – 6 ГМ: например, георешетки «Тенсар» (Англия) – с размерами ячеек 28 х38 мм и 51 х71 мм, пределом прочности 12, 5, 7, 5 и 16, 1 к. Н/м, шириной 4 м и длиной 50 м; геосетка «Хоте» (ФРГ) с размерами ячеек 20 х20 мм и пределом прочности при разрыве 30 к. Н/м и др. , то к 2000 г. их количество составило около 600 видов, а в 2006 г. на международной конференции в японском городе Йокогама было представлено более 1000 видов. 2
Объемы использования ГМ составляют один триллион квадратных метров в год на общую сумму около 1, 5 млрд $. Во многих случаях использование геосинтетических материалов может существенно повысить прочность, долговечность и надежность покрытий и снизить стоимость строительства. В Украине в 2005 году корпорацией «Укравтодор» разработаны и введены с 2006 года «Рекомендации по применению геосинтетических материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог» Р. В. 3. 2 -21802070915 -496: 2005, что позволило использовать геосинтетические материалы при реконструкции дороги «Киев – Борисполь» , при строительстве автобана «Киев – Одесса» и других дорог. 3
Виды ГМ Геотекстили – тонкие, гибкие полотна, которые получают объединением волокон или нитей синтетического сырья (полиэфир, полиамид, полипропилен и др. ). К геотекстилям относят тканые, нетканые, плетеные (вязаные) синтетические материалы с размером ячеек меньше 10 мм. Геосетки – ткани и вязанные геотекстили с размерами ячеек более 10 мм. Геосетки изготавливают из послойно переплетенных нитей или ровингов. При этом ровинги располагают крестообразно и связывают в местах контактов. 4
Георешетки – это плоские или объемные полимерные изделия, которые имеют открытую решетчатую конструкцию и представлены регулярными открытыми ячейками, которые созданы переплетением нитей или пучков полимерных материалов. Имеют узловые соединения, поэтому достигается лучшее распределение нагрузок между продольными и поперечными элементами. . 5
Геомембраны – тонкие водонепроницаемые материалы, которые изготовлены из листового пластика или каучука. Геокомпозиты – комбинированный материал, который состоит из геотекстиля и георешетки; геотекстиля и геомембраны; геотекстиля, георешетки и геомембраны или любой другой комбинации. . 6
Важнейшими признаками геотекстильных материалов является: их сплошность, т. е. объединение волокон в единое полотно, обладающее прочностью при растяжении; тонкость – толщина полотна незначительна по сравнению с его длиной и шириной; гибкость – малое сопротивление изгибу полотна; пористость структуры, обеспечивающая пропуск воды и задерживающие песчаные и более крупные зерна. 7
Геотекстильные материалы применяют для создания армирующих, дренирующих и противозаиливающих прослоек в верхней части, например, земляного полотна (основания грунта), в конструктивных слоях дорожной одежды, для защиты откосов от эрозии и др. Прослойки позволяют уменьшать расход дорожно-строительных материалов, снизить объем земляных работ, сократить сроки строительства, энергозатраты и транспортные расходы, повысить эксплуатационную надежность и сроки службы оснований зданий и сооружений, конструктивных слоев нежестких дорожных одежд. . 8
Характеристика Сфера применения Тканый полиэстерный геотекстиль. Высокопрочный материал Укрепление слабых оснований, тела насыпи, стабилизация откосов Геосинтетичная сетка из высокопрочных полиєстерных волокон, обработанными ПВХ. Проявляет высокое сопротивление ползучести, стойка к действию химических и биологических факторов Армирование высоких насыпей, крутых откосов (первичное укрепление), сооружение подпорных стенок, армирование откосов мостов Нетканный термооскрепленный материал, изготовленный из полипропилена. Проявляет высокую работоспособность в конструкции благодаря высокому показателю энергии абсорбции (объединение прочности и деформативности). Стойкий к действию агрессивных сред Разделяющий, стабилизирующий (вторичное укрепление) и фильтрующий материал Геокомпозитный материал, который составляется из дренажного ядра, объединенного с одним или двумя фильтрами из нетканого термоскрепленного материала. Пространственное ядро изготовлено из сплавленных между собой синтетических нитей Вертикальный и горизонтальный дренаж Объемный материал, изготовленный из полиамидных нитей, скрепленных термическим образом. Свыше 90% объема материала составляют пустоты, которые способны удерживать грунт и семена трав на склонах, содействуя прорастанию корневой системы растений в тело откоса Защита крутых откосов от коррозии 9
Стеклянная решетка Характеристика Сфера применения Изготовляются из стекловолокнистых ровингов. Имеют несимметричное строение. При испытаниях показывают значительный разброс результатов. Относительное удлинение при разрыве 3 -4% Полиефирная решетка (Германия) Обеспечение одноразового проезда транспортных средств на слабых основах. Дороги с низкой интенсивностью движения. Укрепление обочины Тканый полиэстерный геотекстиль. Геосинтетическая сетка из высокопрочных полиэстерных волокон, подкладка из полипропилена минимальной толщины. Решетка пропитана органическим вяжущим которое обеспечивает ее адгезию к асфальтобетону. Относительное удлинение при разрыве – 1214% Армирование асфальтобетонного покрытия при ремонте и реконструкции автомобильных дорог с большой интенсивностью движения. Увеличивает прочность при растяжении асфальтобетонного покрытия и при нагрузках, распределяет возникающие горизонтальные напряжения на большую площадь. 10
Полиєфирная решетка (Чехия) Геокомпозитный материал в виде георешетки изготовлен из нетканого иглопробивного полотна, армированного полиэфирной сеткой, которая состоит из продольных и поперечных нитей (ребер), скрепленных между собой и нетканого полотна прошивными нитями. Относительное удлинение при разрыве – 10 -12% Область применения аналогична полиэфирной решетки немецкого производства. Появление отраженных трещин в значительной мере замедляется. Решетка из поливинилхлоридных волокон Геокомпозитный материал в виде георешетки изготовлен из нетканого иглопробивного полотна, армированного полиэфирной сеткой, которая состоит, из продольных и поперечных нитей (ребер), скрепленных между собой, и нетканого полотна прошивными нитями. Относительное удлинение до 5% Используется для армирования асфальтобетонного покрытия магистральных улиц, дорог и аэродромов, и предотвращает проявление отраженных трещин. Решетка изготовлена из поливинилхлорида, имеет значительно меньшее удлинение при одинаковой прочности, которая должна обеспечивать лучшее перераспределение усилий при нагрузке покрытия автомобильных дорог. 11
а) геотекстиль тканный моноволокнистый б) геотекстиль тканный мультиволокнистый в) геотекстиль нетканый иглопробивной (внешний вид и под микроскопом) г) геотекстиль нетканныйй термично скрепленный (под микроскопом) д) геомембрана рельефная/ Геопрослойка е) геокомпозит в качестве дрены 12
Материалы: полиэфир, полиамид, полипропилен. Полимер расплавляют в емкости 2 (рис. ) и продавливают расплав через многочисленные калиброванные отверстия (фильеры (3). Полимерные волокна направляется под большим давлением со скоростью превышающей в 200 -500 раз при выходе из фильер. Происходит молекулярная ориентация полимера в волокне, повышается его прочность. Производительность выработки холста массой от 200 до 300 г/м 3 составляет 10 -25 м/мин. 13
Полиэстерные волокна – получают из полиэтилентерефталата (П) – сложный полиэфир терефталевой кислоты и этиленгликоля. O O [– CH 2 OC – –C– 0–]n Используют, главным образом в производстве полиэфирных волокон П-твердый полимер белого цвета М=20000 -40000. Степень кристалличности 40 -65%. При комнатной температуре П практически не растворим в воде и органических растворителях. П → сохраняет эксплуатационные свойства от минус 60°С до 170°С. П характеризуется достаточно высокой термостойкостью в расплавленном состоянии (до 280 -290°С). Выше 300°С начинается значительная деструкция П. При 180°С сохраняется 50% прочности, которая полностью восстанавливается при охлаждении до 20°С. Модуль упругости от 50 до 16000 Мн/м 2. Высокая эластичность, относительное удлинение 5 -8%; деформация полностью обратима; высокая сопротивляемость многократным изгибам; ударная прочность в 4 раза выше, чем у полиамидного и в 20 раз выше, чем у вискозного. Прочность при растяжении П выше, чем у других типов химических волокон. 14
Полимерный холст упрочняется иглопробивным способом; волокна переплетаются иглами с зазубринами, расположенными на пластине при плотности 200 -300 иголок на линейный метр при ширине 0, 3 -0, 4 м. Пластина приводится в возвратно-поступательное движение приводом синхронно с ходом холста. Прочес вводится в рабочую часть иглопробивного устройства транспортером. Иглы пробивают прочес с определенной частотой, что придает ему заданную прочность. 15
Способ горячего склеивания прочеса заключается в пропуске его между двумя нагретыми цилиндрами при большом давлении. Способ предусматривает предварительное введение в смесь некоторого количества легкоплавких волокон (например полиэтилена). При нагревании и сближении легкоплавкие волокна сплавляются, образуя каплевидные сростки в точках контакта. При охлаждении контакты оказываются зафиксированными, а холст упрочненным. 16
По типу геотекстиля геотекстильные материалы подразделяются на нетканые и тканые. Нетканые имеют беспорядочную спутанно-волокнистую структуру. Тканые материалы имеют упорядоченную структуру в виде двух взаимно перпендикулярных систем нитей, переплетенных между собой. Подавляющее большинство синтетических материалов являются неткаными (меньшая трудоемкость). 17
Производство нетканых материалов состоит из двух основных операций: формирование холста из волокон и его упрочнение. Нетканые материалы получают; сухим способом из полимерных волокон; мокрым способом из полимерных волокон; фильерным способом. Наиболее распространенным способом является фильерный, нетканый материал изготавливают непосредственно из расплава полимера. 18
19
Схема упрочнения нетканого полотна иглопробивным способом: 1 - готовое полотно; 2 – игольница; 3 – иглы; 4 - прочес. 20
Общая характеристика геотекстилей по наиболее распространенному сырью (табл. ) Таблица Показатель Сырье Полиамид Полипропилен Хорошая 1 Полиэфир Снижение прочности до 30% при увлажнении Хорошая – Хорошая Плохая Водостойкость 2 Биостойкость 3 Стойкость к действию кислотных и щелочных сред 21
Физико-механические свойства полимерных волокон Таблица Волокна на основе Показатель Полиэфира Полипропилена Полиамида Полиэтилена 1, 36 -1, 38 0, 90 -0, 92 1, 14 095 -0, 96 256 165 218 -256 130 Водопоглощение, % 0, 2 -0, 5 0 3, 5 -4, 5 0 Разрывная прочность волокна, МПа 35 -90 22 -25 45 -70 32 -65 Петлевая прочность, от нормальной, % 30 -95 85 -95 70 -90 Незначительная Большая Плотность, т/м 3 Температура плавления, °С Склонность к ползучести 22
Требования к геосинтетичным материалам 1. Модуль упругости арматуры ГМ должен быть намного (в 6 -8 и более раз) выше, чем у армируемого материала, например, асфальтобетона. Иначе асфальтобетон может получить избыточные деформации раньше, чем ГМ воспримет и перераспределит растягивающие напряжения. 2. Прочность ГМ на растяжение должны быть значительно выше прочности армируемого материала с учетом усталостных явлений от многократных кратковременных силовых воздействий. 3. Необходимо прочное сцепление ГМ с асфальтобетоном для обеспечения перераспределения возникающих напряжений. 4. ГМ должен располагаться в слое арматурного материала с небольшими растягивающими напряжениями. 23
5. ГМ не должен обладать чрезмерной ползучестью для восприятия длительных температурных напряжений. Иначе арматура может быть либо не выдержать напряжений, возникающих в покрытии при низких отрицательных температурах, либо релаксировать эти напряжения. 6. Прочность и деформативность армирующего ГМ должны быть стабильны во времени, как при низких отрицательных, так и при повышенных температурах. 7. Коэффициенты температурного расширения армируемого и армирующего материалов должны иметь близкие значения. 8. ГМ не должен растворяться и окислятся в воде, теряя прочность. 9. ГМ недолжен создавать экологических осложнений при строительстве и эксплуатации покрытий. 10. Стоимость армирующего материала не должна вызывать удорожание строительства, превышающее эффект от его применения. 24
Рис. Основные конструктивные решения для устройства зашитно-армирующих прослоек из СМ в асфальтобетонных слоях (а-г) и под сборным железобетонным покрытием (д): 1, 2 – асфальтобетонные слои, усиления; 3 – трешинопреривающая прослойка; 4 – старое покрытие: 5 – основа дорожной одежды; 6 – песчаный подстилающийся слой; 7 – земляное полотно; 8 – температурные трещины; 9 – слой дорожной одежды из неорганических вяжущих (цементогрунт, обработанный цементом щебень и др. ); 10 – сборное железобетонное покрытие; lm – расстояние между трещинами; bct – ширина СМ. 25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
Скачать презентацию ЛЕКЦИЯ СМБ 11 ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ План
Лекция Геосинтетические ма-лы для 2 курса ИСПРАВЛЕН 11 МАЯ 2013.ppt