غشاء أرضي
الغشاء الجيولوجي عبارة عن بطانة أو حاجز غشائي اصطناعي ذي نفاذية منخفضة للغاية، يُستخدم مع أي مادة هندسية جيوتقنية للتحكم في هجرة السوائل (سائلة أو غازية) في المشاريع والمنشآت والأنظمة التي من صنع الإنسان. تُصنع الأغشية الجيولوجية من صفائح بوليمرية متصلة رقيقة نسبيًا، ولكن يمكن أيضًا تصنيعها من خلال تشريب المنسوجات الجيولوجية بالإسفلت أو المطاط الصناعي أو رذاذ البوليمر ، أو كمركبات جيولوجية متعددة الطبقات من البيتومين . وتُعد الأغشية الجيولوجية المصنوعة من صفائح البوليمر المتصلة هي الأكثر شيوعًا.
تصنيع
تبدأ عملية تصنيع الأغشية الأرضية بإنتاج المواد الخام، والتي تشمل راتنج البوليمر ومضافات متنوعة مثل مضادات الأكسدة، والملدنات، والحشوات، والكربون الأسود، ومواد التشحيم (كمواد مساعدة في التصنيع). ثم تُعالج هذه المواد الخام (أي "التركيبة") لتُشكّل صفائح بأطوال وسماكات مختلفة عن طريق البثق ، أو الدرفلة ، أو الطلاء السطحي.
أشارت تقديرات عام 2010 إلى أن الأغشية الجيولوجية تُعدّ أكبر مادة جيوسينثيتيكية من حيث القيمة الدولارية، حيث بلغت قيمتها 1.8 مليار دولار أمريكي سنويًا على مستوى العالم، أي ما يعادل 35% من السوق. [ 2 ] وينقسم سوق الولايات المتحدة حاليًا بين البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، والبولي إيثيلين الخطي منخفض الكثافة (LLDPE)، والبولي بروبيلين المرن (fPP)، والبولي فينيل كلوريد (PVC)، والبولي إيثيلين سليلوز المُقوّى (CSPE-R)، والإيثيلين بروبيلين ديين مونومر المُقوّى (EPDM-R)، وغيرها (مثل البولي إيثيلين إيزوبروبيلين المُقوّى (EIA-R) والأغشية الجيولوجية المُقوّاة (BGMs ))، ويمكن تلخيصها على النحو التالي: (لاحظ أن Mm² تشير إلى ملايين الأمتار المربعة).
- البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE) ~ 35% أو 105 مم²
- البولي إيثيلين الخطي منخفض الكثافة (LLDPE) ~ 25% أو 75 مم²
- كلوريد البولي فينيل (PVC) ~ 25% أو 75 مم²
- البولي بروبيلين المرن (fPP) ~ 10% أو 30 مم²
- البولي إيثيلين المكلورسلفونات (CSPE) ~ 2% أو 6 مم²
- بوليمر إيثيلين بروبيلين ديين ثلاثي (EPDM) ~ 3% أو 9 مم²
يمثل ما سبق مبيعات عالمية تقارب 1.8 مليار دولار. وتعتمد توقعات استخدام الأغشية الجيولوجية في المستقبل بشكل كبير على التطبيق والموقع الجغرافي. من المرجح أن تشهد بطانات وأغطية مدافن النفايات في أمريكا الشمالية وأوروبا نموًا طفيفًا ( حوالي 5%)، بينما قد يكون النمو كبيرًا في أجزاء أخرى من العالم (10-15%). ولعلّ أكبر الزيادات ستُسجّل في احتواء رماد الفحم واستخراج المعادن الثمينة بالترشيح الركامي.
ملكيات
تعتمد غالبية طرق اختبار الأغشية الجيولوجية العامة المعتمدة عالميًا على منهجية الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) نظرًا لتاريخها الطويل في هذا المجال. وفي الآونة الأخيرة، طورت المنظمة الدولية للتوحيد القياسي (ISO) أيضًا طرق اختبار خاصة بها. كما طور معهد أبحاث المواد الجيوسينثيتيكية (GRI) طرق اختبار لسد الثغرات التي لم تتناولها ASTM أو ISO. غالبًا ما تمتلك الدول والشركات المصنعة طرق اختبار خاصة بها (وأحيانًا طرقًا حصرية).
الخصائص الفيزيائية
الخصائص الفيزيائية الرئيسية للأغشية الأرضية المصنعة هي:
- السماكة (سطح أملس، سطح خشن، ارتفاع النتوءات)
- كثافة
- مؤشر تدفق الذوبان
- الكتلة لكل وحدة مساحة (الوزن)
- انتقال البخار (الماء والمذيب)
الخواص الميكانيكية
توجد عدة اختبارات ميكانيكية طُوّرت لتحديد قوة المواد الصفائحية البوليمرية. وقد اعتُمد العديد منها لتقييم الأغشية الجيولوجية. وهي تمثل كلاً من مراقبة الجودة والتصميم، أي اختبارات المؤشر مقابل اختبارات الأداء.
- قوة الشد والاستطالة (المؤشر، العرض الواسع، التناظر المحوري، والدرزات)
- مقاومة للتمزق
- مقاومة الصدمات
- مقاومة للثقب
- قوة القص البينية
- قوة التثبيت
- التصدع الناتج عن الإجهاد (حمل ثابت ونقطة واحدة)
تَحمُّل
أي ظاهرة تُسبب انقطاع السلاسل البوليمرية ، أو تكسر الروابط، أو استنفاد المواد المضافة، أو استنزافها داخل الغشاء الأرضي، يجب اعتبارها مُؤثرة سلبًا على أدائه على المدى الطويل. وهناك عدد من المخاوف المحتملة في هذا الصدد. وبينما يختلف كل منها باختلاف المادة، فإن الاتجاه العام للسلوك هو جعل الغشاء الأرضي هشًا في استجابته للإجهاد والانفعال بمرور الوقت. وهناك العديد من الخصائص الميكانيكية التي يجب تتبعها لمراقبة هذا التدهور طويل الأمد: انخفاض الاستطالة عند الفشل، وزيادة معامل المرونة ، وزيادة (ثم انخفاض) الإجهاد عند الفشل (أي القوة)، والفقدان العام للمطيلية. ومن الواضح أنه يمكن استخدام العديد من الخصائص الفيزيائية والميكانيكية لمراقبة عملية تدهور البوليمر.
- التعرض للأشعة فوق البنفسجية (في المختبر أو الميدان)
- التحلل الإشعاعي
- التحلل البيولوجي (الحيوانات أو الفطريات أو البكتيريا)
- التحلل الكيميائي
- السلوك الحراري (ساخن أو بارد)
- التحلل التأكسدي
حياة
تتحلل الأغشية الأرضية ببطء شديد لدرجة أن سلوكها على المدى الطويل لا يزال غير معروف. لذا، فإن الاختبارات المعجلة ، سواءً عن طريق الإجهاد العالي أو درجات الحرارة المرتفعة أو السوائل الكاوية، هي الطريقة الوحيدة لتحديد كيفية تصرف المادة على المدى الطويل. تستخدم طرق التنبؤ بالعمر الافتراضي الوسائل التالية لتفسير البيانات:
- اختبار حد الإجهاد: طريقة تستخدمها صناعة أنابيب البولي إيثيلين عالي الكثافة في الولايات المتحدة لتحديد قيمة إجهاد التصميم الهيدروستاتيكي الأساسي.
- طريقة معدل العملية: تُستخدم في أوروبا للأنابيب والأغشية الأرضية. تعطي هذه الطريقة نتائج مماثلة لاختبار حد الإجهاد.
- نهج هوكست متعدد المعايير: طريقة تستخدم الإجهادات ثنائية المحور واسترخاء الإجهاد للتنبؤ بالعمر الافتراضي ويمكن أن تشمل اللحامات أيضًا.
- نمذجة أرهينيوس: طريقة لاختبار الأغشية الجيولوجية (وغيرها من المواد الجيولوجية التركيبية ) الموصوفة في كورنر لكل من الظروف المدفونة والمكشوفة. [ 1 ]
خياطة
تتمثل الآلية الأساسية لربط صفائح الأغشية الجيولوجية البوليمرية في إعادة تنظيم بنية البوليمر مؤقتًا (عن طريق الانصهار أو التليين) للسطحين المتقابلين المراد ربطهما بطريقة مضبوطة، بحيث يؤدي تطبيق الضغط إلى ربط الصفيحتين معًا. وتنتج إعادة التنظيم هذه عن طاقة مستمدة من عمليات حرارية أو كيميائية . وقد تتضمن هذه العمليات إضافة بوليمر إضافي في المنطقة المراد ربطها.
من الناحية المثالية، لا ينبغي أن يؤدي لحام طبقتين من الأغشية الأرضية إلى أي فقدان صافٍ في قوة الشد عبر الطبقتين، وأن تعمل الطبقتان الموصولتان كطبقة واحدة. مع ذلك، ونظرًا لتركيز الإجهاد الناتج عن شكل اللحام، قد تؤدي تقنيات اللحام الحالية إلى فقدان طفيف في قوة الشد و/أو الاستطالة مقارنةً بالطبقة الأصلية. وتعتمد خصائص منطقة اللحام على نوع الغشاء الأرضي وتقنية اللحام المستخدمة.
التطبيقات
تم استخدام الأغشية الجيولوجية في التطبيقات البيئية والجيوتقنية والهيدروليكية والنقل والتطوير الخاص التالية:
- كبطانات لمياه الشرب
- كبطانات للمياه الاحتياطية (على سبيل المثال، الإغلاق الآمن للمنشآت النووية)
- كبطانات للسوائل النفايات (مثل حمأة الصرف الصحي)
- بطانات للنفايات السائلة المشعة أو الخطرة
- كبطانات للاحتواء الثانوي لخزانات التخزين تحت الأرض
- كبطانات لأحواض الطاقة الشمسية
- كبطانة لمحاليل المحلول الملحي
- كبطانات للصناعة الزراعية
- تُستخدم كبطانات لصناعة الاستزراع المائي، مثل البرك المستخدمة لتربية الأسماك أو الروبيان.
- تُستخدم كبطانات لحفر المياه في ملاعب الجولف ومخابئ الرمل
- تُستخدم كبطانات لجميع أنواع البرك الزخرفية والمعمارية
- كبطانات لقنوات نقل المياه
- كبطانات لقنوات نقل النفايات المختلفة
- تُستخدم كبطانات لمدافن النفايات الصلبة الأولية والثانوية و/أو الثلاثية وأكوام النفايات
- كبطانات لأحواض ترشيح الأكوام
- كأغطية (أغطية) لمدافن النفايات الصلبة
- كأغطية لأجهزة هضم السماد الهوائية واللاهوائية في الصناعة الزراعية
- كأغطية لرماد الفحم في محطات توليد الطاقة
- كبطانات للجدران الرأسية: مفردة أو مزدوجة مع خاصية كشف التسرب
- كحواجز داخل السدود الترابية ذات المناطق للتحكم في التسرب
- كبطانات للمفيضات الطارئة
- كطبقات عازلة للماء داخل الأنفاق وخطوط الأنابيب
- كطبقة عازلة للماء لسدود التربة والصخور
- كطبقة عازلة للماء لسدود الخرسانة المدكوكة بالأسطوانات
- كطبقة عازلة للماء للسدود المبنية من الطوب والخرسانة
- داخل السدود المؤقتة للتحكم في التسرب
- كخزانات عائمة للتحكم في التسرب
- كأغطية عائمة للخزانات لمنع التلوث
- احتواء ونقل السوائل في الشاحنات
- احتواء ونقل المياه الصالحة للشرب والسوائل الأخرى في المحيط
- كحاجز للروائح المنبعثة من مكبات النفايات
- كحاجز للأبخرة (الرادون، والهيدروكربونات، وما إلى ذلك) تحت المباني
- للسيطرة على التربة المتمددة
- للسيطرة على التربة المعرضة للصقيع
- لحماية المناطق المعرضة لخطر الانهيارات الأرضية من المياه المتدفقة
- لمنع تسرب المياه في المناطق الحساسة
- لتشكيل أنابيب حاجزية كالسدود
- لمواجهة الدعامات الهيكلية كسدود مؤقتة
- لتوجيه تدفق المياه إلى المسارات المفضلة
- تحت الطرق السريعة لمنع التلوث الناتج عن أملاح إزالة الجليد
- تحت الطرق السريعة وبجوارها لالتقاط انسكابات السوائل الخطرة
- كهياكل احتواء للأحمال الإضافية المؤقتة
- للمساعدة في تحقيق تجانس انضغاطية وهبوط باطن الأرض
- تحت طبقات الأسفلت كطبقة عازلة للماء
- للحد من خسائر التسرب في الخزانات الموجودة فوق سطح الأرض
- باعتبارها أشكالاً مرنة لا يُسمح فيها بفقدان المواد
انظر أيضاً
مراجع
- 1 2 كورنر، آر إم (2012). التصميم باستخدام المواد الجيوسينثيتيكية ( الطبعة السادسة). شركة إكس ليبريس للنشر، 914 صفحة.
- مولر ، دبليو دبليو؛ ساثوف، إف. (2015). "المواد الجيوسينثيتيكية في الهندسة الجيوبيئية" . مجلة علوم وتكنولوجيا المواد المتقدمة . 16 (3) 034605. Bibcode : 2015STAdM..16c4605M . doi : 10.1088 / 1468-6996/16/3/034605 . PMC 5099829. PMID 27877792 .
للمزيد من القراءة
- نشرة ICOLD رقم 135، أنظمة إحكام الأغشية الجيولوجية للسدود ، 2010، باريس، فرنسا، 464 صفحة.
- August, H., Holzlöhne, U. and Meggys, T. (1997), Advanced Landfill Liner Systems , Thomas Telford Publ., London, 389 pgs.
- Kays, WB (1987), Construction of Linings for Reservors, Tanks and Pollution Control Foundation , J. Wiley and Sons, New York, NY, 379 pgs.
- Rollin, A. and Rigo, JM (1991), Geomembranes: Identification and Performance Testing , Chapman and Hall Publ., London, 355 pgs.
- مولر، دبليو. (2007)، أغشية البولي إيثيلين عالي الكثافة في الهندسة الجيوتقنية ، دار نشر سبرينغر-فيرلاغ، برلين، 485 صفحة.
- شارما، إتش دي ولويس، إس بي (1994)، أنظمة احتواء النفايات، تثبيت النفايات ومدافن النفايات ، جيه وايلي وأولاده، نيويورك، نيويورك، 586 صفحة.
- المواد الجيوسينثيتيكية
- مواد البناء
- مكب النفايات