Применение геосинтетических нетканых материалов в дорожном строительстве

УДК 677.076.442.2

С. В. Илюшина, А. И. Бугаева, И. В. Красина, А. Н. Минязова

ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Ключевые слова: геотекстиль, дорожное покрытие, волокна, полиэфир, полипропилен, нетканый материал.

В статье проведен обзор геотекстильных материалов, рассмотрено состояние дорожного покрытия в настоящее время, показана потребность в использовании геотекстиля в дорожном строительстве. Описано влияние геосинтетиков на окружающую среду.

Keywords: geotextile, paving, fiber, polyester, polypropylene, non-woven material.

The article gives an overview of geotextiles, the state of the road surface at the present time, shows the need for use of geotextiles in road construction. Describes the influence of geosynthetics on the environment.

Автомобильные дороги являются важнейшим звеном транспортной системы страны, без которого не может функционировать ни одна отрасль народного хозяйства. Уровень развития и техническое состояние дорожной сети существенно и многообразно влияют на экономическое и социальное развитие как страны в целом, так и отдельных регионов.

В настоящее время качество дорожного асфальтобетонного покрытия не соответствует заявленным требованиям, а именно его ровнота, коэффициент сцепления, а также заужение проезжей части и обочин. Одной из главных проблем остаётся и долговечность покрытия.

По статистике Генеральной прокуратуры Российской Федерации двадцать процентов ДТП происходит из-за не соответствующего требованиям законодательства состояния улиц и дорожного покрытия. Количество ДТП указанной категории в 2014 года составило 42772, за 5 месяцев 2015 года таких аварий произошло 20016 [1].

Применение текстильных материалов в дорожном строительстве может помочь решить данные проблемы и повысить качество дорог.

Таким образом, на сегодняшний день одним из приоритетных направлений текстильной промышленности является разработка дорожного покрытия на основе геосинтетических текстильных материалов.

Рынок геосинтетических дорожных материалов активно развивается. Еще несколько лет назад в нашей стране мало кто знал про существование таких материалов, как геотекстиль, геосетки, георешетки, геомембраны.

Самым распространенным видом

геосинтетических материалов является нетканый геотекстиль. Он представляет собой рулонный нетканый материал из синтетических полимерных волокон, предназначенный для разделения различных грунтов (песок - щебень, щебень - глина, песок - глина и так далее), упрочнения (армирования) слабого грунта, устройства эффективных дренажных систем с длительным сроком эксплуатации. Применение нетканого геотекстиля уменьшает потребность в большом

количестве насыпного грунта. Выполняя функцию разделения слоев, материал позволяет:

- перераспределить напряжение;

- увеличить несущую способность в основании дорожного полотна;

- улучшить условия уплотнения земляного полотна;

- снизить разрушение дорог, вызываемое воздействием мороза;

- повысить устойчивость откосов [2].

Геотекстиль является экологически безопасным

материалом. Он характеризуется высокой химической стойкостью, устойчивостью к термоокислительному старению. Этот материал не впитывает воду, обладает высокой

сопротивляемостью прокалыванию и разрыву, не подвержен гниению, воздействию негативных внешних факторов, не образует никаких побочных продуктов.

Текстиль для дорожного строительства впервые был применен во времена фараонов. Даже они боролись с ухабистой и неустойчивой дорогой. Древние египтяне обнаружили, что ткани из натуральных волокон улучшили качество дорог [3].

В 1920-х годах исследователи штата Южная Каролина использовали хлопчатобумажные материалы для укрепления дорог с плохим качеством почвы. Спустя несколько лет они выкопали и оценили материал, обнаружили, что он находится в хорошем состоянии. Впоследствии пришли к выводу, что использование хлопка в сочетании с асфальтовыми материалами в дорожном строительстве уменьшает образование трещин, провалов и других разрушений.

В 1960-х годах, когда синтетические волокна стали доступнее, текстильные полотна на их основе считались более подходящими для дорожного строительства. В процессе развития происходила путаница с терминами и определениями данных синтетических тканей. Но благодаря работе доктора Жан Пьера [4], синтетический текстиль занял свое место в строительной отрасли. Ученый создал новые оригинальные термины: «геотекстиль» и «геомембраны», с использованием латинской приставки «GEO», что в переводе означает почва.

Геотекстиль - один из видов геосинтетиков; геоткань (тканое полотно), а так же нетканое полотно, изготавливаемое иглопробивным, термоскрепленным (каландрирование) или гидроскрепленным способами из

полипропиленовых и/или полиэфирных нитей - из одной бесконечной нити (мононить), либо из обрезков 5 - 10 (штапель).

Геомембрана - это геосинтетик, изолирующий материал, применяющийся в строительстве для гидроизоляции [5].

Благодаря технологии изготовления

иглопробивные материалы обладают достаточно низким начальным модулем деформации при высокой деформативной устойчивости. Продольная деформация такого полотна может составлять до 30% с сохранением целостности [5].

Микроволоконная структура придает хорошую упругость материалу при толщине до 5 мм, это позволяет создать условия для умеренной водопроницаемости и замедлить фильтрацию, что исключает размывание насыпного слоя.

Но такие свойства приводят к невозможности применения иглопробивного геотекстиля при глубоком закладывании - большой вес грунта приводит к деформации структуры и снижению фильтрационной способности [3].

Применение данного материала значительно уменьшает степень и скорость смешивания насыпных материалов различных фракций, что хорошо отражается на качестве дорожного покрытия. Высокая прочность и деформационная устойчивость дает возможность изначально снизить толщину дорожного основания [4].

Дорожное полотно, армированное нетканым иглопробивным материалом, имеет высокие эксплуатационные свойства, такие как: снижение колееобразования; повышение устойчивости дорожного полотна к температурной деформации (замерзание и оттаивание).

Применение данного нетканого материала при строительстве дренажных элементов железных дорог, автобанов значительно увеличивает их пропускную способность и продлевает срок службы на 50-60%. Это объясняется высокой фиксационной способностью нетканого полотна - мелкие частицы грунта не вымываются и не смешиваются с крупными, что приводит к повышенной дренирующей способности последних.

Для изготовления геотекстильного полотна используется следующее сырье:

- волокно полиэфирное (ПЭФ) извитое номинальной линейной плотности (0,3 - 1,7), текс и номинальной длиной (60 - 90) мм;

- волокно полипропиленовое (ПП) номинальной линейной плотности (0,3 - 0,68) текс и номинальной длиной (60 - 90) мм;

- смесь полиэфирных и полипропиленовых волокон в любом соотношении, обеспечивающем нормы показателей качества.

ПЭФ волокна обладают отличительными свойствами, такими как высокая термостойкость, способность выдерживать длительную

эксплуатацию при повышенных температурах, устойчивость к истиранию и сопротивление многократным изгибам ПЭФ волокон ниже, в сравнении с полиамидными волокнами, а ударная прочность их выше. ПЭФ волокна обладают большой упругостью и низкой гигроскопичностью, устойчивостью к действию ацетона, четырёххлористого углерода, дихлорэтана и других растворителей. Механические свойства ПЭФ волокон практически не меняются [6].

Недостатками ПЭФ волокна являются повышенная жесткость, склонность к пиллингу, повышенная электризуемость, низкая

гигроскопичность и трудность крашения обычными методами, полностью разрушаются при кипячении в концентрированных щелочах. Недостатки чаще всего можно устранить химической модификацией исходного полимера.

Полипропилен обладает высокой стойкостью к кислотам, щелочам, растворам солей и другим неорганическим агрессивным средам. При комнатной температуре полипропилен не растворяется в органических жидкостях, при повышенных температурах набухает и растворяется в некоторых растворителях, например, в бензоле, четыреххлористом углероде, эфире [7].

Химическая структура полипропилена изначально устойчива к действию различных химических агентов, что объясняет область применения данного полотна при укреплении грунтов на автомобильных дорогах [8].

Смесь полиэфирных и полипропиленовых волокон позволяет создавать материал, отвечающий заявленным требованиям ГОСТ 15902 [9] и нормам качества.

Процесс получения иглопробивных полотен с заданными физико-механическими свойствами осуществляется на иглопробивных машинах. В технологии получения иглопробивных нетканых материалов этот процесс может быть вспомогательным или основным. В первом случае, холст, прошедший иглопробивную машину, подвергается дальнейшей химико-физической обработке (клееные прокладочные, напольные покрытия и т.п.). Во втором случае процесс иглопробивания применяется как способ упрочнения, при этом получают готовый нетканый материал с необходимыми физико-механическими и структурными свойствами. Иглопробивные материалы, получаемые таким путем, могут иметь различное назначение: для декоративных или напольных покрытий, прокладочные, изоляционные, фильтрационные материалы. В процессе иглопробивания возможно использование волокнистого холста или холста, дублированного тканью, трикотажем, сеткой, пряжей и т.п. [10].

Процесс иглопробивания холста основан на использовании давления зазубрин (насечек) игл, которые, проходя через холст, протягивают (спутывают) волокна в поперечном направлении. Таким образом, рабочим органом иглопробивной машины являются пробивные иглы.

Качество вырабатываемой продукции во многом зависит от качества применяемых игл. Конструкция и размеры игл определяют важнейшие параметры технологического процесса: глубину прокалывания, плотность прокалывания, возможность и необходимость применения тканого каркаса и т.д.

Технология изготовления позволяет получать материалы с различной удельной плотностью от 50 до 1500 г/м2 В зависимости от заказа потребителя полотно может быть шириной до 4 метров, а длиной до 500 метров. Именно плотность определяет область применения нетканого геотекстильного материала.

Модификации геополотна, обладающие высокой плотностью (плотность более 600 г/м2) используются в качестве элемента первичной прокладки при строительстве взлетно-посадочных полос, а также многополосных автомагистралей. Комбинация геополотна и геомембраны является эталоном при строительстве дренажных систем. При расположении геополотна поверх геомембраны снижается риск повреждения последней.

Использование геосинтетических материалов в структуре насыпных откосов дорог, позволяет улучшить их дренирующую функцию и замедляет процесс размытия обочин. Как следствие, уменьшается растягивающее напряжение на само полотно дороги. Для разделения естественной скальной оболочки от искусственных стен при строительстве тоннелей применяется нетканый геотекстиль. Прокладывая тоннели метро в сыпучих грунтах, используется прокладка в виде нетканого геотекстильного полотна, которая позволяет снизить напряжение между грунтом и бетонными тюбингами [9].

Все вышеперечисленные факты позволяют утверждать, что геотекстиль, обеспечивает дополнительную прочность дорожного покрытия и повышает устойчивость к неблагоприятным воздействиям любого характера.

Безопасность для окружающей среды, рентабельность и положительный опыт практического использования позволяет сделать выводы о перспективности применения

геосинтетических материалов в дорожном

строительстве.

Литература

1. Справочник Справочная энциклопедия дорожника. Том II. Ремонт и содержание автомобильных дорог [Электронный ресурс] : Под редакцией заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, д-ра техн. наук, проф. А.П. Васильева МОСКВА 2004 // Помощь по ГОСТам -Режим доступа: http://www.gosthelp.ru/text/SpravochnikSpravochnayaen3.h tml, свободный.

2. Красная линия. Дороги [Электронный ресурс]: Российский рекламный журнал. / Электрон.журн. -ООО "Журнал современных строительных технологий "Красная линия"". - Режим доступа к журналу : http://www.line-

red.ru/index.php?option=com_content&view=article&id= 19 &Itemid=27&lang

3. Geotextiles in road construction, maintenance and erosion control [Электронныйресурс]: Geotextile Engineering Manual Federal Highway Administration March 1985 // Режимдоступа:

http://baystateroads.eot.state.ma.us/tech_note_uploads/0701 ca16f9e065604cf2960a968c41c9.pdf, свободный.

4. Geotextiles and Geomembranes, Definitions, Properties and Design, third edition Giroud Jean Pierre, Industrial Fabrics Association International, St Paul, Minnesota 1984. - 85 с.

5. Гильман А.Б. Синтетические волокна и нити / А. Б. Гильман, В. К. Потапов// Прикладная физика. - 1995. -№ 3. - С.14-22

6. Полипропилен: основные свойства, область применения [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://plastinfo.ru/information/ articles/52/, свободный.

7. Виды геотекстиля, что такое геотекстиль? [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.geoplenka.ru/articles/other/vydy-geotextiles/, свободный.

8. Полипропилен химические свойства [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://chem21.info/info/559484/, свободный.

9. ГОСТ 15902.3 Полотна нетканые. Метода определения прочности. - Введ. 01.07.1980. - М.: Издательство стандартов, 1999. - 8 с.

10. Попов Л.Н. Текстильные материалы технического назначения: справочник-каталог / Л. Н. Попов, С. Г. Керимов. - Ярославль, 2006. - 492 с.

© С. В. Илюшина - к.т.н, доцент каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КНИТУ, strelfy@mail.ru; А. И. Бугаева - магистрант КНИТУ; И. В. Красина - д.т.н., зав. каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КНИТУ; А. Н. Минязова - ассистент каф. технологии химических, натуральных волокон и изделий КНИТУ.

© S. V. Ilyushina - candidate of engineering sciences, associate professor of department of Technology chemical, natural fibers and products, Federal State Educational Institution of Higher Education Kazan National Research Technological University, strelfy@mail.ru; A. I. Bugaeva - undergraduate of Federal State Educational Institution of Higher Education Kazan National Research Technological University; I. V. Krasina - Ph.D., head the Department of Technology chemical, natural fibers and products, Federal State Educational Institution of Higher Education Kazan National Research Technological University; A. N. Minyazova - assistant of department of Technology chemical, natural fibers and products, Federal State Educational Institution of Higher Education Kazan National Research Technological University.