Wyroby geosyntetyczne pojawiły się w latach 50. XX w., wkrótce po wynalezieniu polimerowych tworzyw sztucznych, które stały się surowcem do ich wytwarzania. Zalety nowych materiałów szybko sprawdziły się w warunkach środowiskowych, a dzięki wysokiej wytrzymałości mechanicznej, elastyczności, nieuleganiu korozji biologicznej, wodoodporności, łatwości montażu, odporności na czynniki starzeniowe i wielu innym cechom stały się wręcz niezastąpione w przedsięwzięciach geotechnicznych.
Jedną z pierwszych udokumentowanych realizacji geoinżynierskich z udziałem geosyntetyków stały się przeprowadzone w 1958 r. prace przy wzmacnianiu geotekstyliami nabrzeży na Florydzie. W 1968 r. francuski koncern Rhône-Poulenc wyprodukował pierwsze poliestrowe geowłókniny igłowane, które w 1970 r. z powodzeniem m.in. zastosowano w pracach hydroinżynierskich.
Postęp technologiczny i konkurencja na rynku przyniosły daleko idącą specjalizację w wytwarzaniu takich wyrobów. Współczesne geosyntetyki to zarówno jednowarstwowe płaty, wśród których znajdują się nieprzepuszczalne geomembrany oraz przepuszczalne geosiatki i geotekstylia (geowłókniny, geodzianiny oraz geotkaniny), jak i wielowarstwowe geomaty (w tym geokompozyty – geomaty łączone lub przedzielone z warstwami gruntów mineralnych, np. maty bentonitowe, piaskowe). W ich zakres wchodzą również geosyntetyki komórkowe, geopiany, gabiony, geofibry, geożele, geosystemy kształtujące krajobraz i inne. Dobierane tworzywa sztuczne oraz struktura pozwalają produkować wyroby o różnym stopniu podatności na odkształcenia użytkowe. W każdej z grup obecne są podgrupy produktów o właściwych sobie parametrach, które nadają im specjalistyczne funkcje użytkowe. W większości są to gotowe wyroby układane w określonych realizacjach, ale wśród nich są i takie, które wytwarza się in situ (geożele i geopiany, jedno- lub dwuskładnikowe żywice oparte np. na bazie rezorcynu, występujące samodzielnie jako szybkowiążące mieszanki gruntowe zabezpieczające stany awaryjne budowli ziemnych). Rozwój badań geotechnicznych prowadzących do trafniejszego rozpoznawania gruntów i sposobów poprawy ich własności zaowocował wyodrębnieniem się geosyntetyków jedno-, dwu- i trójkierunkowych przeznaczonych do stabilizacji i wzmocnień ustrojów konstrukcyjnych: 1×D (liniowych), 2×D (na płaszczyźnie) i 3×D (w przestrzeni).
Funkcje geosyntetyków
Optymalny dobór materiałów geosyntetycznych uzależniony jest od lokalnych warunków gruntowych i zamierzonych efektów. Funkcje, które mogą spełniać te produkty, są następujące:
- separacja – polega na oddzielaniu podłoża gruntowego od warstwy konstrukcyjnej lub oddzielaniu poszczególnych warstw konstrukcyjnych z kruszyw o różnych parametrach;
- filtracja – zapewnia swobodny przepływ wody na granicy warstw gruntu przy zachowaniu nienaruszonej struktury szkieletu gruntowego;
- drenaż – właściwość odprowadzania płynów w płaszczyźnie materiału; wzmocnienie gruntu przez poprawę własności mechanicznych gruntu podłoża, warstw konstrukcyjnych, także stateczności skarp (fot. 1);
- ochrona systemu geotechnicznego – zabezpieczanie innych geosyntetyków przed uszkodzeniem mechanicznym, dodatkowe mocowanie innych geosyntetyków, ale także ochrona przed spadającym rumoszem skalnym czy działaniem fal morskich;
- przeciwerozja – zabezpieczanie gruntów przed powierzchniową erozją wodną (deszczową) i wiatrową, a także przed erozją od wód powierzchniowych i gruntowych;
- uszczelnienie systemu geotechnicznego dzięki stworzeniu bariery nieprzepuszczalnej dla płynów/gazów;
- wzmocnienie nawierzchni drogowych dokonywane przez zbrojenie mas bitumicznych geosyntetykami, ale i przez wzmacnianie podłoża nawierzchni dróg gruntowych;
- zazielenienie – oddziaływanie na rozwój roślinności poprzez stabilizację humusu, wilgoci, nasion lub sadzonek oraz mulczowania (nawożenia) przez rozkład materiałów biodegradowalnych;
- kształtowanie przestrzeni w aranżacjach krajobrazowych przy zastosowaniu geosyntetyków w formie brył przestrzennych.
Przegląd grup geosyntetyków
Do wytwarzania geosyntetyków służą różne tworzywa sztuczne, ale z racji zalet surowcowych najczęściej sięga się po: aramidy, poliamidy, poliestry, polietylen, polipropylen, polistyren, polichlorki winylu, kauczuki syntetyczne epdm. Pozyskiwane do produkcji surowce często pochodzą z recyklingu, co znacząco obniża koszty produkcji. Geosyntetyki obejmują kilka grup produktów, które umownie klasyfikowane są jako: geowłókniny (geotekstylia), geotkaniny, geosiatki, geokompozyty, geomembrany, systemy komórkowe, pokrycia przeciwerozyjne.
Geowłókniny (geotekstylia)
Są to płaskie geosyntetyki wykonane najczęściej z włókien polipropylenowych lub poliestrowych (ciągłych lub ciętych) o nieuporządkowanej strukturze, łączonych mechanicznie (igłowanych, przeszywanych) lub termicznie (zgrzewanych). Mogą występować w odmianach filtracyjnych (funkcje filtracji, separacji, przeciwerozyjne) zwiększających wydajność i żywotność systemów drenażowych – chronią je przed zamulaniem oraz grunt przed wypłukiwaniem powodowanym wypływem wód gruntowych. Są również produkowane w odmianach separacyjno-filtracyjnych (separacja, filtracja, ochrona, drenaż, przeciwerozja, wzmocnienie gruntu), skracających czas konsolidacji i stabilizacji podłoża gruntowego, redukujących lub eliminujących konieczność wymiany gruntu, wzmacniających podłoże gruntowe, przeciwdziałających erodującemu oddziaływaniu wód gruntowych. Inne odmiany geowłóknin to: dwuwarstwowe (separacja, filtracja, drenaż, ochrona), chroniące podłoża gruntowe obiektów hydrotechnicznych przed erozją spowodowaną wymywaniem gruntu (fot. 2); ochronne (ochrona, separacja, drenaż), chroniące geomembrany przed uszkodzeniami mechanicznymi, separujące warstwy konstrukcji chroniących lub uszczelniających grunt, odprowadzające wody lub odcieki w płaszczyźnie materiału; a także drogowe do nawierzchni bitumicznych (uszczelnienie, wzmocnienie nawierzchni drogowych), gdzie rozpraszają naprężenia występujące pomiędzy warstwami konstrukcyjnymi nawierzchni oraz uszczelniają połączenia między warstwami konstrukcyjnymi przeciw przenikaniu wody i powietrza, a dzięki temu przedłużają żywotność nawierzchni bitumicznych.
Geotkaniny
To płaskie geosyntetyki wykonane najczęściej z włókien albo tasiemek polipropylenowych lub poliestrowych, którym nadaje się na krosnach tkackich uporządkowaną, zwartą strukturę „wątek-osnowa”. W zależności od rodzaju konstrukcji, w której grunt wymaga wzmocnienia, stosowane są geotkaniny o dominującej wytrzymałości w jednym kierunku (np. „jednokierunkowe” do wzmocnienia zbrojenia skarp), ewentualnie o zbliżonych wytrzymałościach dla kierunków wątku i osnowy (np. „dwukierunkowe” do wzmocnienia podłoża gruntowego w drogownictwie). Zwykle spotykane są w odmianach: separacyjno-wzmacniających (separacja, wzmocnienie), skracających czas konsolidacji i stabilizacji podłoża gruntowego, wzmacniającego grunt, minimalizującego lub eliminującego konieczność wymiany gruntu, a także wzmacniających (separacja, wzmocnienie gruntu), zwiększających stateczność skarp – geotkaniny jednokierunkowe – czy wzmacniających podłoże gruntowe – geotkaniny dwukierunkowe.
