Zastosowanie różnych grubości geowłóknin do zabezpieczenia geomembrany poddanej przebiciu w warunkach laboratoryjnych

Zastosowanie materiałów geosyntetycznych do budowy dna składowiska odpadów komunalnych lub przemysłowych (RYS. 1) ma uniemożliwiać kontakt odpadów i produktów ich rozkładu z wodami powierzchniowymi i gruntowymi.

Tego typu osłony buduje się z wykorzystaniem konstrukcji kompozytowych, czyli układanych stycznie różnych rodzajów geosyntetyków, takich jak geomembrany, geowłókniny czy maty bentonitowe, gdzie poszczególne elementy pakietu pełnią różne funkcje - geomembrany i maty bentonitowe stanowią nieprzepuszczalną barierę, a geowłókniny chronią materiały uszczelniające przed przebiciem, separują [1].

Podatność na przebicie to jedna z głównych wad geosyntetyków [2]. W wypadku dna składowiska odpadów ryzyko przebicia stwarzają zarówno same odpady, jak i ostre cząstki gruntu pod składowiskiem [3, 4].

Materiały i metody badań

Badania przeprowadzono na dwóch typach geomembran oraz sześciu typach geowłóknin (TABELA). Badane geomembrany (Gm1 i Gm2) wytworzono z polietylenu o wysokiej gęstości, różniły się jedynie grubością (1,0 mm i 2,0 mm).

Pod względem technologii wykonania były takie same (obustronnie gładkie). Wszystkie użyte do badań geowłókniny wytworzono z włókien polipropylenowych ciągłych lub ciętych.

Na geowłókninie o gr. 0,7 mm (Gw1) widać wyraźne ułożone w jednym kierunku (wzdłużnie) włókna ciągłe, sklejone chemicznie od strony dolnej. Pozostałe geowłókniny (Gw2-Gw6) o gr. od 1,3 mm do 5,9 mm należą do geowłóknin igłowanych. 

Badania przeprowadzono na prasie pionowej (FOT. 1). Służy ona do badania próbek gruntu oraz innych materiałów na ściskanie i zginanie przy nacisku do 50 kN.

Na maszynie zamontowano zestaw do badania przebicia materiałów geosyntetycznych zgodnie z normą PN-EN 14574:2005 [7]. Zestaw składał się z aluminiowej płytki o gr. 3 mm ułożonej na stalowej płycie, tłoka zakończonego stalową piramidką (o 4 bokach i kącie wierzchołkowym 90°) oraz obwodu elektrycznego sygnalizującego moment przebicia (FOT. 2).

Próbki materiałów wykorzystane do badań miały wymiary 100×100 mm (FOT. 3). Przygotowano po 5 próbek każdego geosyntetyku do badania „na sucho" i 5 do badania "na mokro", czyli próbek nawodnionych. Próbki przeznaczone do badań na mokro zostały uprzednio umieszczone w pojemniku z wodą o temp. 19°C na 72 godz. przy całkowitym zanurzeniu.

Badania przeprowadzono w dwóch seriach:

• seria pierwsza obejmowała geomembranę o gr. 1 mm (Gm1) badaną samodzielnie oraz w osłonie z 6 typów geowłóknin (Gw1-Gw6). Badania przeprowadzono na sucho i na mokro (razem 14 próbek);
• seria druga obejmowała badanie (także na sucho i mokro) geomembrany o gr. 2 mm (Gm2), również sa-modzielnie oraz w osłonie z geowłóknin, jak w serii pierwszej (razem 14 próbek).

Łącznie badaniu poddano 28 próbek i kombinacji geosyntetyków. Każdą próbkę zbadano w 5 powtórzeniach, dzięki czemu uzyskano 140 wartości średnic otworów przebicia (FOT. 4. i FOT. 5.). Prezentowane dane dla każdej z próbek stanowią wartości uśrednione z 5 powtórzeń.

Wyniki i analiza

Aby ułatwić analizę danych, pomierzone średnice przebicia poszczególnych próbek przedstawiono w formie graficznej (RYS. 2., RYS. 3., RYS. 4. i RYS. 5.).

Zestawiono wartości uzyskane w badaniach próbek suchych i hydratyzowanych. 

 Analiza wyników badań przeprowadzonych w serii pierwszej (geomembrana Gm1 i geowłókniny) wskazuje, że:

• średnice przebicia dolnej strony geomembrany są małe i zbliżone do siebie (RYS. 2). Średnice te są więk-sze w przypadku próbek badanych na mokro;
• średnice przebicia górnej strony geomembrany (RYS. 3.) zmniejszają się mniej więcej trzykrotnie, kiedy zastosuje się warstwę osłaniającą z geowłókniny (w odniesieniu do próbek na sucho).

W badaniach na mokro średnice są większe. Wraz z zastosowaniem grubszych geowłóknin różnice między średnicami w badaniach próbek suchych i hydratyzowanych się zmniejszają.

Wyniki badań przeprowadzonych w serii drugiej (geomembrana Gm2 i geowłókniny) pozwalają na sformułowanie następujących wniosków (RYS. 4. i RYS. 5.):

• średnice przebicia dolnej strony geomembrany są mniej więcej dwukrotnie mniejsze w porównaniu ze średnicami po stronie górnej;
• średnice przebicia górnej strony geomembrany są zbliżone do siebie w wypadku zastosowania osłony z grubszych geowłóknin.

Efektywna średnica przebicia po dolnej stronie membrany Gm1 wahała się od 0,52 mm do 0,68 mm przy badaniu na sucho, dla próbek hydratyzowanych wyniosła od 0,58 mm do 0,80 mm.

W odniesieniu do geomembrany Gm2 o gr. 2,0 mm pomierzone średnice powstałych uszkodzeń po stronie dolnej wyniosły 0,56-1,20 mm, a próbek hydratyzowanych - 0,56-1,20 mm.

Podsumowanie

Podczas budowy warstwy dennej składowiska bardzo często wykorzystuje się (oprócz materiałów naturalnych – iłu, żwiru) geosyntetyki. Są to materiały wytworzone z tworzyw termoplastycznych, takich jak polipropylen, polietylen, poliester, poliuretan, polichlorek winylu, rzadziej poliamid, polistyren i poliakrylonitryl.

Na wymaganej warstwie uszczelnienia mineralnego [8] można ułożyć geomembranę, wyrób zasadniczo nieprzepuszczalny dla substancji płynnych i gazów, jednak mało odporny na uszkodzenia mechaniczne.

Geomembrany ochrania się obustronnie warstwą geowłókniny, która zabezpiecza głównie przed przebiciem, zarówno w czasie budowy składowiska, jak i w czasie jego eksploatacji. W praktyce każda geomembrana może przeciekać z powodu nieszczelnych złączy, niedokładności w wykonaniu folii i uszkodzeń powstałych podczas montażu.

Warto uzyskać gwarancję szczelności od wykonawcy uszczelnienia, gdyż najwięcej zależy od procesu łączenia geomembran (temperatury, materiałów, kontroli jakości spawów itp.).

Przedstawione badania wykonano według normowej procedury standaryzującej proces powstawania uszkodzeń na podłożu nieodkształcalnym.

Wielkość uszkodzonej powierzchni zależy wyłącznie od zastosowanej geowłókniny chroniącej geomembranę od strony przebicia.

W praktyce ważny jest dokładny kontakt z podłożem, a także to, by geomembrana była ułożona wprost na warstwie słabo przepuszczalnej, co wydatnie zmniejsza prędkość przesączania się odcieków.

Literatura

1. P. Wodziński, "Wykorzystanie odpadów mineralnych w budowie składowisk odpadów komunalnych", "Annual Set The Environment Protection. Rocznik Ochrona Środowiska", nr 11/2009, s. 485-496.
2. H.J. Xie, Y.M. Chen, Z.H. Lou, "An Analytical Solution to Contaminant Transport Through Composite Liners with Geomembrane Defects", "Science China Technological Sciences", vol. 5/2010, s. 1424-1433.
3. R.W.I. Brachman, S. Gudina, "Gravel Contacts and Geomembrane Strains for a GM/CCL Composite Liner", "Geotextiles and Geomembranes", vol. 26/2008, s. 448-459.
4. J.F. Lupo, K.F. Morrison, "Geosynthetic Design and Construction Approaches in the Mining Industry", "Geotextiles and Geomembranes", vol. 25/2007, s. 96-108.
5. M. Piotrowska, "Wpływ rodzaju podłoża na uszkodzenia mechaniczne geowłóknin", "Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej", z. 29/2006, s. 181–189.
6. R.K. Rowe, M.Z. Islam, "Impact of Landfill Liner Time-Temperature History on the service Life of HDPE Geomembranes", "Waste Management", vol. 29/2009, s. 2689-2699.
7. PN-EN 14574:2005, "Geosyntetyki. Wyznaczanie oporu na przebicie piramidką geosyntetyków osłonowych". 
8. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 marca 2003 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących lokalizacji, budowy, eksploatacji i zamknięcia, jakim powinny odpowiadać poszczególne typy składowisk odpadów (DzU 203.61.549 z dnia 10 kwietnia 2003 r.).
9. M. Cholewa, "Wpływ wbudowania geomembrany oraz elementów drenujących na filtrację przez nasyp z mieszanki popioło­ żużlowej", "Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich", 2/IV/2012, s. 105-115.
10. R.M. Koerner, "Designing with Geosynthetics. Pearson Prentice Hall", Upper Saddle River.
11. F. Tatsuoka, "Geosynthetics Engineering, Combining Two Engineering Disciplines. Special Lecture", 4th GeoSynthetics Asia, Shanghai, June 2008.
12. C. Venkataramaiah, "Geotechnical Engineering", New Age International Publishers, Daryaganj, Delhi 2006.
13. M. Cholewa, M. Steczko, E. Zawisza, "Wpływ cyklicznego zamrażania - rozmrażania na wytrzymałość na przebicie geosyntetyków", "Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych", z. 532/2008, s. 55-65.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!