Geomembranele

Geomembranele

Definitie: Geomembranele sunt produse polimerice plane, subtiri, sub forma de folii, cu permeabilitate foarte scazuta, utilizate pentru etansare (impermeabilizare), in contact cu pamanturi sau alte materiale, in domeniul constructiilor.

Utilizari

Geomembranele au ca principala functie impermeabilizarea unor constructii sau parti ale acestora, fiind utilizate la:

Etansari de rezervoare sau bazine pentru lichide (apa, hidrocarburi, solventi);

Etansari la canale de transport pentru lichide;

Etansari pe paramente sau in alte zone ale digurilor sau barajelor;

Etansari la tuneluri sau galerii;

Etansari de baza si suprafata la depozite de deseuri menajere sau industriale;

Etansari verticale la depozite de deseuri pentru controlul contaminarii laterale a

terenului cu diversi poluanti (ecrane de etansare);

Etansari la drumuri sub imbracaminti asfaltice;

Etansari pentru evitarea infiltratiilor in pamanturi argiloase cu umflari si contractii

mari, pamanturi sensibile la umezire, gelive.

In figurile 1-4 sunt prezentate exemple de folosire a geomembranelor.

Figura 1.Diverse tipuri de etansari pentru bazine de lichide

a - sistem simplu de etansare, tara protectie, b - etansare cu protectie minerala, c - etansare cu geotextil dedesubt, d - etansare cu geotextil dedesubt si protectie minerala, e - etansare dubla cu strat de detectare a scurgerilor, f- etansare dubla cu strat de detectare a scurgerilor si protectie

minerala

Figura 2. Rezervor gonflabil din geomembrana

Figura 3. Exemplu de sistem de etansarere cu geomembrana la depozite de deseuri olide

Figura 4. Etansarea tunelurilor cu geomembrana

Tipuri, materii prime, procedee de fabricatie

In Tabelul 3 sunt prezentate principalele tipuri de geomembrane clasificate in functie de materialul din care sunt alcatuite, cu specificarea avantajelor si dezavantajelor lor.

Tabelul 3. Principalele tipuri de geomembrane

Geomembranele din PVC se fabrica intr-un strat sau mai multe, prin calandrare, fara insertia unei retele.

Geomembranele din CSPE se produc tot prin calandrare in 3 - 5 straturi de polimeri, intre care este introdusa o retea de ranforsare din fibre de poliester sau nylon.

Geomembranele din polietilena - HDPE, MDPE si LDPE se produc utilizand doua tehnologii:

Extruderea masei plastice prin dispozitive speciale plate din care ies folii cu grosimi intre 0.15 - 5 mm, late de pana la 7.5 m;

Extruderea masei plastice prin dispozitive circulare, la iesire produsul fiind insuflat cu

aer astfel incat se formeaza un balon cilindric. Dupa stabilizarea termica cilindrul se taie pe generatoare obtinandu-se folii de pana la 10.5 m latime, cele mai late care se produc in prezent.

Pentru marirea rugozitatii suprafetei, astfel incat sa creasca coeficientul de frecare cu stratul suport, se utilizeaza urmatoarele tehnologii:

activarea unui agent care se afla in masa polimerului si care se umfla, formand protuberante

pe suprafata;

stropirea la cald a geomembranei gata fabricate cu un polimer care formeaza protuberante;

cutarea stratelor de suprafata in cazul geomembranetor multistrat.

In acest fel, unghiul de frecare cu stratul suport sau cu acoperirea poate creste de la cca 10° la 35°.

Caracteristicile geomembranelor

Caracteristici fizice

Pentru prelevarea probelor se aplica prevederile EN 13416:2001.

Pentru determinarea dimensiunilor se aplica prevederile EN 1848-2:2001.

Grosimea(t)

Geomembranele au grosimi mai mari de 0.5 mm (sub aceasta dimensiune denumindu-se filme, care nu se folosesc de obicei in constructii) si pana la 5 mm.

Grosimea uzuala pentru geomembranele ce intra in structura sistemelor de etansare variaza intre 1 - 3 mm, o grosime mare asigurand o robustete sporita, dar o flexibilitate redusa.

Determinarea grosimii se realizeaza prin masuratori pe mostre decupate din mijlocul unui rulou si se exprima ca o medie a acestora. Numarul rulourilor testate este convenit cu beneficiarul.

La geomembrane vechi, care au striuri, sau la geomembrane multistrat, numarul de mostre si de masuratori se va mari, in concordanta cu prevederile din caietele de sarcini si prevederile contractuale cu furnizorii si beneficiarii.

Pentru determinarea grosimii se vor aplica prevederile SR EN 964-1:1999 si SR EN ISO 9863-2:1996.

Densitatea (ρ) si masa pe unitatea de suprafata (µ_A)

Densitatea depinde in principal de polimerul din care este realizata geomembrana si, ca valoare, variaza intre 0,85 si 1,5:

cauciuc butil

policlorura de vinil

polietilena de inalta densitate (HDPE) 0,95.

Masa pe unitatea de suprafata difera in functie de natura materialului si grosimea produsului. Astfel, la geomembrane de 0.5 mm, greutatea specifica este de cea 400 - 500 g/m², iar la cele foarte groase de 2 mm atinge 2 000-2 500 g/m².

Aceste caracteristici pot oferi informatii si cu privire la rezistenta, respectiv la robustetea geomembranei.

Alte standarde aplicabile: STAS 5886-68.

Caracteristici hidraulice

Permeabilitatea

Permeabilitatea geomembranelor, in sensul legii lui Darcy (k), este extrem de scazuta (de ordinul a 10^-15 m/s), dar intrucat nici un material nu este impermeabil, evaluarea impermeabilitatii relative a geomembranelor reprezinta un factor important.

Metodele experimentale de determinare a permeabilitatii geomembranelor se grupeaza astfel:

metode bazate pe masurarea distributiei concentratiei agentului de difuzare pe toata grosimea geomembranei - in caz particular prin determinarea de aceeasi concentratie(izo - concentratie);

metode asociate cu determinarea concentratiei de substanta chimica pe cele doua suprafetele opuse ale geomembranei si calculul fluxului de difuzie si a penetrabilitatii;

metode care se bazeaza pe inregistrarea cantitatii de substanta difuzata absorbita de proba in procesul de difuzie, bazate deci pe cinetica sorbtiei - desorbtiei prin geomembrane;

metode care implica masurarea curgerii stationare si determinarea fluxului de difuzie a coeficientului de difuzie.

Din punct de vedere al principiului metodelor si aparatelor de masura, se deosebesc:

metode fizice (densitate optica, refractie, spectroscopie, microduritate, vacuumetrie, anomalia cineticii

sorbtiei,cromatografie, calorimetrie);

metode chimice (variatia concentratiei, variatia indicelui de refractie, indicativi reactivi);

metode electro-microscopice (marcatori atomici, micro-analiza prin raze X, foto-electrica, gaz

cromatografica).

Pentru determinarea transmisiei de vapori de apa prin geomembrane se vor aplica prevederile EN 1931:2000.

Atunci cand se iau in considerare alte lichide in afara de apa trebuie avut in vedere fenomenul de selectivitate. Marimea moleculelor si atractia lichidului fata de materialul polimeric al geomembranei poate duce la valori

foarte diferite a transmisivitatii vaporilor de solvent fata de cele obtinute in cazul apei, in special la solventii organici.

O incercare de permeabilitate la solventi se realizeaza atunci cand geomembrana este utilizata pentru:

rezervoare de lichide chimice de compozitie cunoscuta;

etansare de baza la depozite de deseuri (contact cu lixiviati):

etansare de suprafata la depozite de deseuri (contact cu gazele de fermentatie);

rezervoare de hidrocarburi;

rezervoare de radon.

Valoarea obtinuta dintr-un test asemanator cu cel pentru vapori de apa se numeste transmisia vaporilor de solvent.

Se vor aplica prevederile: EN 13111:2001, EN 1928:2000, EN

Caracteristici mecanice

Rezistenta la intindere

Pentru determinarea rezistentei la intindere se utilizeaza aceleasi principii ca si in cazul geotextitelor, probele avand forme speciale (dublu T - dumb-bell, banda). Se masoara:

valoarea rezistentei la rupere;

alungirea la rupere;

valoarea rezistentei la limita de curgere;

alungirea la limita de curgere

si se calculeaza modulul de deformatie.

Testul cu dublu T.

Se vor aplica prevederile EN 12311-2:2000. Ruperea geomembranei are loc in zona centrala si, datorita latimii mici din aceasta zona, acest test furnizeaza informatii despre comportarea la tractiune numai dupa o directie.

Figura. 5 Rezultatele incercarii de tractiune pe mostre in dublu T (Koerner, 1990).

Testul cu latime constanta.

Se utilizeaza si la geomembrane testul folosit pentru geotextile, cu o mostra de latime constanta.

Figura.6 Rezultatele incercartii de intindere (Koemer, 1990)

a) mostra cu latimea de 25mm; b) mostra cu latimea de 200mm

Testul tridimensional

Se determina rezistenta la intindere a geomembranei in conditii de solicitare tridimensionale (axial simetrice), in cazul in care geomembrana ar fi solicitata perpendicular pe planul sau.

In Tabelul 4-2 sunt prezentate valori orientative ale rezistentei la intindere pentru cateva tipuri de geomembrane.

Rezistenta la sfasiere

Pentru determinarea acestei rezistente se folosesc doua tipuri de teste:

cu proba de forma trapezoidala cu taietura de initiere, pentru determinarea rezistentei la initierea sfasierii

Tabelul 4. Valori orientative ale rezistentelor la intindere ale diverselor geomembrane

Nota:

-pentru PVC - ultima rezistenta masurata;
* - pentru CSPE - la ruperea retelei;

-pentru HDPE - la cedare;
** - nu s-a produs ruperea;

-cu proba de tip 'despicata', pentru determinarea rezistentei la propagarea sfasierii.

Rezistenta la sfasiere determinata cu proba trapezoidala pentru geomembranele subtiri, neranforsate este relativ scazuta, variind intre 18 si 130 N. Pentru geomembrane ranforsate testate pe mostre 'despicate' rezistenta variaza intre 90 si 450 N.

Asemenea solicitari pot apare in special la instalarea geomembranelor, sub efectul unor intinderi sau taieturi accidentale pe margini, la rafale puternice de vant.

Rezistentele reduse obtinute prin aceste teste pun in evidenta precautiile ce trebuie luate in aceste faze.

Pentru determinarea rezistentei la sfasiere se vor aplica prevederile STAS 6127/87, STAS 4030-1/79, EN1231.0-2:2000.

Rezistenta si comportarea imbinarilor

In lucrarile de etansare, geomembranele trebuie sa acopere de obicei suprafete mari si de aceea, desi se livreaza la lungimi importante, iar in prezent se produc cu latimi de pana la 10.5 m, imbinarile sunt numeroase si constituie unul din punctele sensibile ale lucrarilor.

Testarea imbinarilor se face prin incercari de forfecare sau prin incercari de 'jupuire' (exfoliere, incercare de desprindere in unghi de 90°).

In cadrul incercarilor de forfecare, cele doua parti ale sudurii supuse fiecare la tractiune, determinand forfecarea zonei sudate. Pentru incercarea de 'jupuire' se trage de cele doua folii sudate in sensuri opuse (Figura 7).

Incercarea sudurilor la forfecare Incercarea sudurilor la jupuire

Figura 7. Scheme de incercare ale sudurilor

In general, valorile obtinute pentru incercarea de exfoliere sunt mai mici decat cele din incercarea de forfecare. Incercarea de forfecare este mai potrivita pentru realizarea unor incercari de performanta (in conditii specifice amplasamentului), iar incercarea de exfoliere este mai curand un test de caracterizare (in conditii standard).

Pentru testarea rezistentei sudurilor se aplica prevederile standardelor EN 12316-2:2000, EN 12317-2:2000.

Rezistenta la impact (soc)

mecanice cum ar fi lovituri produse de caderea unor obiecte (agregate minerale, anrocamente, elemente de beton), lovituri ale echipamentelor utilajelor sau circulatia lor, in special a celor pe senile, sau chiar circulatia oamenilor, care se produc in special in faza de montaj.

Pentru determinarea rezistentei la impact se foloseste o metoda dinamica, testul 'Elemendorf' sau cel al pendulului, in care un brat oscilant cu cap conic este lasat sa cada pe o mostra din produs, masurandu-se energia la care are loc penetrarea (norme ASTM D 1822-99, D 746-98). O varianta a acestei incercari este cea a lui Spencer, cuprinsa in norma ASTM D 1424-96.

Se pot utiliza si alte metode de determinare ce utilizeaza greutati care sunt lasate sa cada pe materialul geosintetic de la anumite inaltimi. Normele aplicabile sunt: ASTM D 1709-01, D 5628-96.

Alte norme aplicabile: EN 12691:2001

In Tabelul 5 sunt prezentate valori ale rezistentei la impact pentru diferite geomembrane determinata conform ASTM D 1424-96.

Tabelul 5.Valori orientative ale rezistentei la impact (ASTM D 1424) pentru diverse tipuri de geomembrana

Rezistenta la poansonare statica

Pentru determinarea rezistentei la poansonare se foloseste o mostra circulara de geomembrana, fixata pe un inel, pe care este aplicata o forta de compresiune, determinand momentul ruperii.

Se stabileste marimea actiunii ce produce ruperea si care variaza intre 45 - 450 N pentru geomembrane subtiri si intre 200 pana la 2200 N pentru geomembrane groase armate.

Pentru a proteja geomembrana fata de asemenea actiuni cea mai buna solutie este utilizarea de geotextile de protectie.

Pentru determinarea rezistentei la poansonare statica se vor aplica prevederile EN 12730:2001.

Rezistenta la forfecare pe interfata

Incercarea se realizeaza in aparatul de forfecare directa, ca si in cazul geotextilelor, avand ca scop obtinerea de valori pentru proiectare in cazul in care geomembranele se instaleaza pe pante.

In Tabelul 6 sunt prezentate valori orientative pentru raportul de eficienta

Tabelul 6. Valori orientative ale unghiului de frecare, δ la interfata geomembrana - pamant

Atunci cand geomembrana este asezata pe un geotextil, se constata o micsorare a unghiului de frecare la interfata produselor, conform datelor din Tabelul 7.

Tabelul 7. Vulori orientative ale unghiului da frecare la interfata geomembrana - geotextil

In faza de montaj, pentru a evita alunecarea, geomembranele trebuie ancorate la partea superioara si lestate provizoriu cu elemente compatibile, cum ar fi pneuri uzate, saci de nisip, pana la acoperirea definitiva.

In cazuri deosebite, cum ar fi etansarile pentru depozite de deseuri, unde geomembranele trebuie instalate uneori pe argile impermeabile, raportul de eficienta este dat de:

E_c=; Eφ= 

in care: E_c este eficienta componentei coezive - argila;

Eφ - eficienta contactului;

δ- unghiul de frecare geomembrana/argila;

Φ- unghiul de frecare interna al argilei;

C_a - adeziunea geomembrana/argila;

C - coeziunea argilei.

In Tabelul 8 sunt prezentate orientativ valori ale raportului de eficienta pentru diverse interfete geomembrana/pamant.

Tabelul 8. Valori orientative privind eficienta contactului geomembrana/pamant (Koerner, 1990)

LEGENDA

P - pamant,

G - geomembrana,

c - in kPa; E_c Eφ - in %; Φ, δ- in grade

ML - prafuri anorganice si nisipuri foarte fine, nisipuri fine prafoase sau argiloase cu o oarecare plasticitate;

CL - argile anorganice cu plasticitate medie sau scazuta, argile cu pietrisuri, argile nisipoase, argile prafoase, argile slabe;

SP - nisip cu coeficient de neunifomitate mic, nisip cu pietris, parte fina putina sau lipsa;

CH - argile anorganice cu plasticitate mare, argile grase.

Caracteristici durabilitate

Degradarea chimica

Functia principala a geomembranelor este cea de bariera contra lichidelor poluate.

In Tabelul 9 sunt prezentate informatii referitoare la rezistenta diferitelor tipuri de geomembrane la diverse medii chimice.

In practica pot apare aspecte specifice:

lichidul la care geomembrana trebuie sa reziste este format din mai multe substante chimice care pot determina interactiuni chimice dificil de estimat;

compozitia chimica exacta a lichidului nu este suficient cunoscuta, (exemplu in cazul depozitelor de deseuri menajere);

geomembrana este realizata din mai multe tipuri de materiale;

geomembrana este imbinata cu adaos din alt tip de material;

geomembrana va functiona ca bariera pe o durata de timp mai mare decat cea considerata in teste;

conditii extreme de temperatura care nu au fost luate in considerare in timpul incercarilor.

Testarea presupune imersarea geomembranei intr-o substanta chimica pe o perioada de 30, 60, 90 sau 120 zile, dupa care se determina:

proprietatile fizice (grosime, masa, lungime, latime, duritate);

proprietatile mecanice (rezistenta la tractiune, la sfasiere, poansonare si impact);

proprietatile chimice (pentru determinarea modificarilor in structura polimerului).

Standarde aplicabile: STAS 6339/80 , EN ISO 14030:2001, EN 1847:2001, EN ISO 175:2000.

In  Tabelul 10 sunt prezentate recomandari de valori limita acceptate pentru diferite caracteristici, pe tipuri de geomembrane

Tabelul 9. Informatii referitoare la rezistenta la medii chimice a unor tipuri de geomembrane

Continuare tabel 9

LEGENDA:X-rezistenta buna.

Tabelul 10. Recomandari privind limitele modificarilor acceptate pentru degradarea chimica a geomembrane/or

a)polimeri flexibili termoplastici (CSPE, PVC etc.)

polimeri semicristalini, de ex. HDPE

Fisurarea sub actiunea factorilor de mediu

Se obtine din incercari specifice pe tipuri de produse, dupa ce esantioanele au fost supuse diversilor factori de mediu.Se evalueaza " rezistenta esantionului expus fata de cea a probei de control (intacta).

Degradare datorita razelor UV

Este dificil de estimat gradul de degradare datorat razelor UV, in special pe baza incercarilor de laborator.

Normele ASTM G 155-00 si G 154-00 prezinta incercari accelerate de laborator, iar normele ASTM D 1435-99 si D 4364-94 incercari de degradare in aer liber.

Degradare datorita radioactivitatii

Geomembranele nu sunt utilizate pentru depozitarea deseurilor puternic radioactive datorita degradarilor polimerilor prin ruperea lanturilor polimerice la o radioactivitate mai mare de 10⁶ - 10⁷rads.

Degradarea biologica

Degradarea biologica a geomembranelor poate fi produsa de animale, ciuperci sau bacterii. In general acest tip de degradare nu este relevant pentru cazul geomembranelor, dar in anumite cazuri specifice, cum ar fi de exemplu materiale realizate din noi tipuri de polimeri, poate fi util de studiat.

Degradarea termica

Mai multe proprietati ale geomembranelor sunt sensibile la variatii de temperatura.

Temperaturi inalte.

Geomembranele expuse la temperaturi inalte sufera modificari ale proprietatilor fizice, mecanice si chimice. Probele sunt testate in cuptoare, iar cedarea lor este definita prin modificari ale aspectului, greutatii, dimensiunilor sau altor proprietati care produc degradari ale materialului astfel incat acesta nu mai poate fi utilizat pentru functia pentru care a fost definit.

Temperaturi joase.

Pentru temperaturile uzuale degradarile geomembranelor nu sunt semnificative. Singurul efect notabil este cel al lucrabilitatii, deoarece flexibilitatea se reduce, iar sudurile sunt mai dificil de realizat.

Se vor aplica prevederile EN 1107-2:2001, EN 1296:2000.

Degradarea prin oxidare

Degradarea prin oxidare este datorata radicalilor liberi care se combina cu molecula de oxigen, creand un radical hidroperoxid care trece in structura moleculara a polimerului.

Pentru a combate acest efect, se utilizeaza agenti antioxidanti. Pentru intarzierea procesului se recomanda acoperirea cat mai rapida a geomembranei dupa asternere.

Standarde aplicabile: ASTM D 5885-97, ENV ISO 13438:1999.

Imbinarea geomembranelor

Imbinarea foliilor de geomembrane folosite in sistemele de etansare este impusa de urmatoarele considerente:

dimensiunile la care sunt livrate, respectiv latimi de maximum 10.5 m si lungimi de maximum 150 - 200;

formele variate ale suprafetei de etansat, necesitand clinuri si colturi la schimbarile de directie sau de nivel;

tehnologia de executie care impune realizarea unor rosturi de lucru;

existenta unor puncte de trecere obligate prin etansare pentru sistemele de drenaj a lixiviatului si/sau gazelor,

racorduri cu diverse constructii;

deteriorari inerente la punerea in opera, cand folia a fost sfasiata sau strapunsa si este nevoie de reparatii.

Imbinarea foliilor constituie principala zona sensibila a unei etansari, de aceea trebuie acordata o atentie deosebita acestui aspect.

Procedeul de imbinare a geomembranelor depinde de natura produsului, de disponibilitatea unei tehnologii si a aparaturii aferente, de fiabilitatea necesara, de conditiile din santier. Procesul tehnologic de imbinare presupune un aport extern de energie de natura termica sau chimica, ce reorganizeaza temporar structura polimerica a geomembranelor ce vin in contact.

Rezultatul se apreciaza intr-o prima faza prin rezistenta mecanica a imbinarii.

Pe santiere se utilizeaza doua tipuri principale de procedee, pe baza de procese termice sau de procese de dizolvare - chimice.

In Figura 8 sunt redate tipurile de procese si efectul produs in imbinare.

Pentru aplicarea acestor procedee este necesara obtinerea unui agrement tehnic.

Tabelul 11 cuprinde sinteza diverselor procedee de, imbinare in functie de tipul geomembranei.

Tabelul 11. Sinteza procedeelor de imbinare a gcomembranelor

LEGENDA:

-aplicabil;

Figura 8. Diverse metode de realizare a imbinarilor la geomembrane

Imbinarile realizate pe santier se verifica prin urmatoarele operatii:

A. Realizarea de imbinari de proba.

B. Incercarea de mostre prelevate din imbinare.

C. Incercarea intregului sistem de imbinari.

Realizarea de imbinari de proba.

Testul este de tip 'distructiv', mostra prelevata fiind incercata la tractiune prin forfecare si exfoliere ('jupuire'), utilizand un tensiometru de santier.

Incercarea de mostre prelevate din lucrare.

Pentru aceasta este necesara prelevarea de mostre din imbinarile realizate in sistemul de etansare propriu-zis. Testul este distructiv, creand puncte sensibile in suprafata acoperita cu geomembrana, unde trebuie apoi refacuta continuitatea sistemului.

In Figura 9 este prezentata o sinteza a modalitatilor in care poate avea loc fenomenul de desprindere a imbinarii in cazul realizarii acesteia la cald prin extindere. Tipurile de distrugere a imbinarii reprezentate de la (a) la (g) pot fi considerate corespunzatoare (atentie pentru (f) si (g) numai daca este indeplinita conditia de rezistenta), iar cele de la (h) si (i), la care se produce desprinderea foliei din 'masa imbinarii', dovedesc o executie necorespunzatoare.

Incercarea intregului sistem de imbinare.

Incercarea intregului sistem de imbinare care se realizeaza printr-un test nedistructiv constituie cerinta majora de verificare.

Metodele de incercare difera prin sistemele si tehnicile folosite (jet de aer, camera de vacuum, poansonare, ultrasunete etc).

Pentru controlul imbinarilor, ca si pentru monitorizarea lucrarii dupa faza de executie, exista sisteme bazate pe realizarea unei retele de senzori (captori) sub geomembrana (Figura 10). Acestia sunt conectati prin fire electrice izolate la un calculator. Pentru a verifica etansarea, o sursa de curent electric este plasata pe geomembrana, sistemul de senzori aflati sub geomembrana masurand intensitatea curentului electric. Eventualele perforatii ale etansarii vor genera valori anormale ale intensitatii. Un program de calcul permite analizarea datelor sub forma unor diagrame tridimensionale, putandu-se determina astfel cu precizie pozitia defectelor.

Figura 9. Modalitatile prin care se poate produce degradare imbinarilor realizate prin sudura cu extrudare.

Figura 10. Controlul etansarilor cu retele de senzori (captori).

Exista geomembrane care au fata inferioara conductoare. Stratul conductor este incarcat prin inductie, iar fata neconductoare este testata prin baleiaj electric (Figura 11). Orice perforatie declanseaza o scanteie si o alarma sonora.

Figura 11. Sistem de detectare a defectelor prin baleiaj electric.

Standarde aplicabile pentru controlul imbinarilor sunt: ASTM D 5820-95(2001), ASTM D 6214-98, ASTM D 6392-99.

Tabelul 12.Schematizarea actiunilor la care este supusa o geomembrana in depozitele de deseuri (Koerner, 1992)

Elemente de calcul specifice