Армодренажный гибкий композитный геотекстильный нетканый материал
REINFORCED DRAINAGE FLEXIBLE COMPOSITE GEOTEXTILE NON-WOVEN MATERIAL

Область техники
Изобретение относится к области строительства, а именно к области производства композитных многослойных нетканых армированных текстильных материалов, применяемых, преимущественно, в промышленном, гражданском и дорожно-транспортном строительстве. Изобретение может быть использовано для армирования, дренирования, фильтрования, теплоизолирования и шумоизолирования в объектах, где предъявляются повышенные требования к прочности материала, величине удлинения при разрыве и однородности (изотропии) механических свойств, когда изделие эксплуатируется в сложном напряженном состоянии при действии значительных циклических нагрузок.
В частности, изобретение может быть использовано при сооружении автомобильных и железных дорог, земляных сооружений, оснований и фундаментов зданий и промышленных сооружений, крутых откосов (вплоть до вертикального) насыпей, дамб, плотин, подпорных, поддерживающих и улавливающих стен, а также контрфорсов, противообвальных и противолавинных галерей, насыпей вторых путей, участков сопряжения искусственных сооружений с подоходными насыпями, укрепления основной площадки земляного полотна, укрепления слабых оснований.
Уровень техники
Современные материалы не только значительно упрощают строительство, но и значительно повышают выносливость многих сооружений и конструкций. К таким эффективным и экономически выгодным элементам относятся и геосинтетики. Нетканые полотна все чаще используются для укрепления фундаментов, холмов и откосов, а также для увеличения срока службы автомобильных дорог и магистралей. Разнообразие синтетических полотен позволяет выбрать наиболее подходящий вариант для каждой конкретной задачи, а также значительно сэкономить.
Прокладка дорожных трасс - дело трудоемкое и достаточно дорогостоящее, поэтому технологии для такого строительства продумывают самым тщательным образом. Однако, несмотря на все старания, часто магистрали требуют ремонта уже через пару лет после прокладки.
Чаще всего дороги приходят в негодность по нескольким причинам, главные из которых:
- интенсивное дорожное движение;
- долгий период эксплуатации и отсутствие промежуточного ремонта;
- погодные катаклизмы и сложные климатические условия.
Конечно, не со всеми факторами можно успешно бороться, однако укрепить дорожную полосу и увеличить срок ее службы вполне реально. Сделать это помогут современные геосинтетические материалы, которые обладают массой преимуществ. Характеристики геотекстиля настолько привлекательны, что сделали его универсальным материалом при строительстве любого объекта, включая автотрассы.
Геотекстильное полотно отлично выполняет поставленные перед ним задачи. Оно способно пропускать воду и создавать легкий и мягкий дренаж. На нестабильном грунте, например, глиняном или торфяном, геотекстиль является гарантией целостности покрытия. Так как почва неустойчивая и часто проседает, то слой щебня нередко рискует быть смешанным с грунтом. Укладка полотна исключает перемешивание и увеличивает срок службы покрытия. Современный геотекстиль способен эксплуатироваться даже в условиях очень низких температур или постоянной жары и значительно увеличивает срок службы автотрасс.
Нетканые материалы, используемые для изготовления геотекстильных материалов, относительно недороги в изготовлении, однако сам принцип их формирования обуславливает не только неоднородность механических свойств плоского материала по различным направлениям, но и недостаточную стабильность свойств во времени.
Нетканый материал в случае его использования в качестве армирующего дорожного или строительного покрытия может быть необратимо деформирован в результате приложения к нему значительных циклических нагрузок.
Независимо от конкретного назначения материал должен иметь достаточную для восприятия эксплуатационных нагрузок прочность, быть устойчивым к воздействию факторов окружающей среды, обеспечивать безопасность при его использовании и иметь приемлемые весовые и стоимостные характеристики.
Поэтому существует потребность в способе, который обеспечивал бы возможность быстрого формирования протяженных гибких армирующих покрытий, однородных и стабильных по своим механическим свойствам.
В настоящее время существует множество разработок в области создания армодренажных нетканых материалов.
Так, из источника информации RU 2247179 С1 (МПК D04H 3/00, 3/04), дата публикации 10.12.2003, известен нетканый материал для армирования дорожных покрытий, содержащий две группы дискретно расположенных волокон, удерживаемых с помощью связующего. Указанные две группы волокон образуют трехслойную структуру таким образом, что группа поперечных волокон расположена между разделенными на верхнюю и нижнюю подгруппы продольными волокнами. В качестве волокон используют стеклоровинг с линейной плотностью не менее 400 текс. Предварительно перед укладыванием волокон группу продольных волокон разделяют на две подгруппы, одну из которых пропитывают. Затем укладывают поперечные волокна между верхней и нижней подгруппами продольных волокон во взаимно перпендикулярном направлении. После этого проводят последовательно термообработку при 150-180°С, повторную пропитку связующим и сушку при 150-220°С до остаточной влажности не более 0.5 мас. %.
Недостатками известного изобретения являются:
- отсутствие фильтрующего слоя;
- скрепление слоев с использованием синтетических связующих и повышенной температуры;
- потеря линейности (распрямленности) армирующих нитей в процессе формирования материала в результате огибания продольных нитей поперечными, т.е. нити переплетены с изгибом, что приводит к увеличению удлинения при разрыве;
- недостаточная прочность многослойной структуры в условиях сложного нагружающего воздействия.
Из источника информации RU 2299284 С1 (МПК D04H 3/04), дата публикации 10.01.2006, известен нетканый материал для армирования дорожных покрытий, содержащий группы продольных и поперечных волокон, образующих многослойную сетчатую структуру материала и расположенных под углом друг к другу, удерживаемых с помощью связующего и отдаленных в каждой группе одно от другого с заданным шагом, при этом группа продольных волокон разделена на подгруппы, отличающийся тем, что группа продольных волокон разделена на не менее чем три подгруппы: верхнюю, среднюю и нижнюю, а группа поперечных волокон разделена на две подгруппы, при этом одна подгруппа поперечных волокон уложена между верхней и средней подгруппами продольных волокон, другая подгруппа поперечных волокон уложена между средней и нижней подгруппами продольных волокон, причем подгруппы поперечных волокон уложены со сдвигом в горизонтальной плоскости одна относительно другой на один заданный шаг между волокнами группы. Уложенные подгруппы волокон в виде пяти слоев сетки поступают с цепного транспортера на основной вал, образуя сетчатую пятислойную структуру, при этом происходит обрезка кромки группы поперечных волокон сетки. Сетчатая пятислойная структура подается через систему валов в пропиточную ванну для нанесения на нее клеящего состава и последующего отжима. После чего сетчатая структура поступает в термокамеру и сушится при температуре 120-180°С. Из термокамеры сетчатый материал попадает на систему валов для естественного досушивания.
Недостатками известного изобретения являются:
- отсутствие фильтрующего слоя;
- скрепление слоев с использованием синтетических связующих и повышенной температуры;
- потеря линейности (распрямленности) армирующих нитей в процессе формирования материала в результате огибания продольных нитей поперечными, т.е. нити переплетены с изгибом, что приводит к увеличению удлинения при разрыве;
- сложность технологии.
Из источника информации RU 2357029 С2 (МПК D04H 1/46, 3/05), дата публикации 16.07.2007, известно нетканое полотно, выполненное из не менее чем пяти-семи прочесов и уложенных на подкладочной поверхности материала упрочняющих нитей из стекловолокна, закрепленных волокнами полотна способом иглопробива или с использованием полимерных связующих.
Недостатками известного изобретения являются:
- недостаточная фильтрующая способность материала вследствие использования синтетических связующих;
- недостаточная стойкость материала к сдвиговым деформациям, возникающим в армируемой материалом конструкции в процессе ее эксплуатации из-за направленности армировки вдоль матрицы, обуславливающей анизотропию материала по деформируемости;
- недостаточная механическая прочность материала;
- высокое удлинение при разрыве в продольном и поперечном направлениях (до 28%).
Из источника информации RU 2360050 С2 (МПК D04H 1/54, В32 В 7/08), дата публикации 16.07.2007, известен способ получения нетканого иглопробивного материала, армированного сеткой, включающем образование первого и второго нетканого слоя, расположение сетки из стекловолокна между первым и вторым слоями, каландрирование сборки, образованной первым, вторым нетканым слоем и одной сеткой из стекловолокна, добавление связующего и сушку сборки, при этом перед каландрированием сборку, состоящую из первого, второго нетканого слоя и сетки, предварительно иглопрокалывают для первого упрочнения, согласно изобретению первый и второй нетканые слои формируют в виде продольных и поперечных прочесов, полученных после рыхления исходного волокнистого сырья, эмульсируют смесь волокон, подвергают вылежке, прочесы формируют на чесальных машинах и вводят сетку из стекловолокна между прочесами, повторно иглопрокалывают, полученный материал перед каландрированием выравнивают путем натяжения с последующей пропиткой связующим, термофиксируют, после чего материал сушат и обрабатывают на холодном каландре.
Недостатками известного изобретения являются:
- недостаточная фильтрующая способность материала вследствие использования синтетических связующих;
- скрепление слоев с использованием синтетических связующих, повышенной температуры и давления;
- неравномерность по прочности в продольном и поперечном направлениях в 2 раза;
- недостаточная механическая прочность материала;
- высокое удлинение при разрыве в продольном и поперечном направлениях (до 27%).
Из источника информации RU 114721 U1 (МПК E21D 11/00), дата публикации 02.08.2011, известно нетканое сетчатое полотно, предназначенное для крепления тоннелей, выработок и прочих подземных разработок, а также для армирования строительных и дорожных сооружений, укрепления откосов и содержит ортогонально расположенные с образованием ячеек и воспринимающие нагрузку нити. Проходящие в направлении основы и в направлении утка нити образованы из ровингов неорганических волокон, пропитанных связующим и соединенных между собой в узлах пересечения. Для повышения прочности сетчатого полотна и увеличения срока его эксплуатации нити образованы из ровингов базальтового волокна, прошитых в узлах их пересечения полимерной соединительной нитью с последующей их пропиткой связующим. Соединительная нить может быть выполнена из базальтового, стеклянного, полиэфирного или арамидного волокна, а в качестве связующего может использоваться состав из группы пластизолей с антипиреном в качестве наполнителя, а также фенольно-формальдегидные, кремнийорганические смолы или силикаты.
Недостатками известного изобретения являются:
- отсутствие фильтрующего слоя;
- пропитка материала связующими на основе фенольно-формальдегидных смол, кремнийорганических смол или силикатов;
- потеря линейности (распрямленности) армирующих нитей в процессе формирования материала в результате прошивки в узлах пересечения продольных нитей с поперечными с применением рашельной технологии.
Из источника информации RU 131735 U1 (МПК Е01С 5/20), дата публикации 29.03.2013, известен армодренажный композитный текстильный материал, включающий матрицу из нетканого фильтрующего материала, армирующие элементы из однонаправленного жгута, размещенные на матрице и скрепленные с матрицей, отличающийся тем, что армирующие элементы выполнены каждый из двух однонаправленных жгутов, размещенных на матрице с зазором в одном из направлений армирования и без зазора в другом направлении армирования, армирующие жгуты скреплены с матрицей посредством провязки (прошивки) матрицы и армирующих жгутов нитью, при этом зазор между жгутами в одном из направлений армирования составляет 0,5÷1,5 ширины жгута, а размер петель провязки составляет 0,7÷2,5 ширины жгута.
Недостатками известного изобретения являются:
- неравномерность по прочности в продольном и поперечном направлениях;
- потеря линейности (распрямленности) армирующих нитей в процессе формирования материала в результате скрепления жгутов с матрицей прошивкой (провязкой) синтетическими нитями;
- недостаточная механическая прочность материала вследствие использования жгутов из синтетических волокон (капрон или полиэфир);
- высокое удлинение при разрыве в продольном и поперечном направлениях.
Из источника информации RU 2537457 С2 (МПК Е01С 5/20), дата публикации 29.03.2013, известен армодренажный композитный текстильный материал, включающий матрицу из нетканого фильтрующего материала, армирующие элементы из однонаправленного жгута, размещенные на матрице и скрепленные с матрицей, отличающийся тем, что армирующие элементы выполнены каждый из двух однонаправленных жгутов, размещенных на матрице с зазором в одном из направлений армирования и без зазора в другом направлении армирования, армирующие жгуты скреплены с матрицей посредством провязки (прошивки) матрицы и армирующих жгутов нитью, при этом зазор между жгутами в одном из направлений армирования составляет 0,5÷2,5 ширины жгута, а размер петель провязки составляет 0,7÷2,5 ширины жгута.
Матрица из нетканого фильтрующего материала выполнена из капрона, ароматических полиамидов, хлопка или других волокнистых материалов.
Жгуты выполнены из волокнистого материала, например, капрона, полиэфирных волокон и т.д.
Недостатками известного изобретения являются:
- неравномерность по прочности в продольном и поперечном направлениях;
- потеря линейности (распрямленности) армирующих нитей в процессе формирования материала в результате скрепления жгутов с матрицей прошивкой (провязкой) синтетическими нитями;
- недостаточная механическая прочность материала вследствие использования жгутов из синтетических волокон (капрон или полиэфир);
- высокое удлинение при разрыве в продольном и поперечном направлениях.
Из источника информации RU 2103439 С1 (МПК Е01С 5/20, 11/16) дата публикации 27.01.1998 (наиболее близкий аналог), известен армодренажный композитный геотекстильный материал, включающий матрицу из нетканого фильтрующего материала и армирующие элементы, отличающийся тем, что в качестве армирующих элементов применены полосы из однонаправленного ровингового стекложгута, предварительно пропитанные термопластовым клеем, размещенные на матрице вдоль ее с постоянным шагом, равным 20-50 мм, и скрепленные с матрицей по всей поверхности посредством воздействия на них температуры и давления.
Недостатками известного изобретения являются:
- недостаточная фильтрующая способность материала вследствие пропитки его термопластичным клеем, существенно снижающим аэропрозрачную поверхность материала;
- скрепление слоев с использованием синтетических связующих, повышенной температуры и давления;
- недостаточная стойкость материала к сдвиговым деформациям, возникающим в армируемой материалом конструкции в процессе ее эксплуатации из-за направленности армировки вдоль матрицы, обуславливающей анизотропию материала по деформируемости;
- недостаточная механическая прочность;
- высокое удлинение при разрыве в поперечном направлении.
Таким образом, задачей изобретения является преодоление недостатков известного уровня техники и создание армодренажного гибкого композитного геотекстильного нетканого материала с улучшенными эксплуатационными и физико-механическими характеристиками, подходящего для использования в строительстве и других отраслях промышленности, требующих наличия таких свойств материала.
Раскрытие изобретения
Для решения поставленной технической задачи предложен армодренажный композитный геотекстильный нетканый материал, который выполнен гибким, воздухопроницаемым, паропроницаемым, водопроницаемым, в тоже время материал обладает высокими прочностными характеристиками, устойчив к сдвиговым деформационным воздействиям, обладает разрывным удлинением, не превышающим 5%, и обладает изотропными свойствами. Срок службы такого материала превышает известные аналоги.
Предложенный армодренажный гибкий композитный геотекстильный нетканый материал используют преимущественно для армирования дорожных покрытий. Материал содержит в качестве центральных армирующих элементов две группы расположенных с регулярным шагом в распрямленном (без изгибов) состоянии с контролируемым натяжением и под прямым углом (ортогонально) друг к другу в продольном и поперечном направлениях ровингов из базальтовых волокон с разрывным удлинением не более 3,5%, удерживаемых без использования термообработанных связующих веществ или прошивки нитями только за счет волокон двух слоев фильтрующих нетканых холстов, верхнего и нижнего, причем все четыре слоя соединены методом иглопробива (иглопродавливания) с пониженной частотой движения игл иглопробивного агрегата в диапазоне 20÷150 ударов в минуту.
Технический результат заявленного изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик армодренажного материала, а именно повышение прочности, снижение разрывного удлинения до величины, не превышающей 5% при сохранении гибкости материала, увеличение срока службы, в том числе за счет защиты армирующего слоя от внешних механических повреждений от щебня, гальки и т.п., простота изготовления.
Кроме того, при высоких армирующих показателях сохраняются фильтрующие, дренажные, теплоизолирующие и шумоизолирующие свойства.
Помимо этого, разработанный материал позволяет при варьировании линейной плотностью и плотностью расположения базальтовых ровингов в продольном и поперечном направлениях получить материал с требуемыми прочностными и деформационными параметрами, в том числе с повышенной устойчивостью к сдвиговым деформациям.
Ортогональное расположение нитей базальтового ровинга и использование фильтрующих нетканых холстов из продольного и поперечного прочесов обеспечивает однородность (изотропное состояние) свойств по длине и ширине материала, в частности, стабильность физико-механических характеристик в условиях циклических нагрузок.
Базальтовое волокно производят из базальтовых пород путем их плавления и преобразования расплава в волокна. Основные энергозатраты на подготовку базальтового сырья для производства волокон - обогащение и первоначальное плавление базальтового сырья произведены в природных условиях.
Базальтовые волокна имеют высокую стойкость к воздействию химически активных сред (кислот, щелочей, растворов солей), высоких температур и открытого пламени. Стойкость базальтовых волокон к воде и морской воде составляет 100%, к воздействию щелочи 96% и кислоты 94%. Химическая стойкость базальтовых волокон позволяет применять их для армирования бетонов и асфальтобетонов, производства труб, емкостей для химической и нефтехимической промышленности, композитов для гидротехнического, прибрежного и морского строительства. Диапазон температур длительного применения базальтовых волокон от -2000°С до +6000°С. Базальтовые волокна являются негорючими и огнестойкими, при пожаре выдерживают воздействие пламени. Теплоизоляционные и огнестойкие материалы на основе штапельных и супертонких волокон выдерживают стандартный пожар, при нагреве и воздействии пламени не выделяют дыма. Гигроскопичность базальтовых волокон в 6 раз ниже, чем у стеклянных волокон. Они не набирают лишнюю влагу, не горят, не дымят при пожаре, являются высокотемпературными и огнестойкими.
Указанные характеристики определяют преимущества базальтовых волокон по сравнению с минеральными, стеклянными, углеродными и химическими волокнами по долговечности эксплуатации под воздействием окружающей среды, морской воды и химически активных сред.
Процесс получения иглопробивных полотен с заданными физико-механическими свойствами осуществляется на иглопробивных машинах. Процесс иглопробивания холста основан на использовании давления зазубрин (насечек) игл, которые, проходя через холст, протягивают (перепутывают) волокна в поперечном направлении. Таким образом, рабочим органом иглопробивной машины являются пробивные иглы.
Типичный механизм процесса одностороннего иглопробивания заключается в том, что холст, подаваемый транспортером, подвергается воздействию игольной плиты, приводящейся в движение кривошипно-шатунным механизмом. В зоне иглопрокалывания холст находится между перфорированными плитами. Нижняя перфорированная плита поддерживает холст и служит для регулировки глубины прокалывания, ее часто называют подкладочным столом. Верхняя перфорированная плита поднимает холст и служит для очистки игл от волокон при обратном их движении. Оттягивающие валки оттягивают готовый материал и одновременно протягивают холст через зону иглопрокалывания.
Все это указанное выше позволяет получить ряд коммерческих преимуществ при производстве заявленного армодренажного материала, включая способность производить с низкой себестоимостью в едином технологическом цикле качественное покрытие.
Заявленный технический результат изобретения достигается за счет следующего:
- ортогональное расположение нитей базальтового ровинга и использование фильтрующих нетканых холстов из продольного и поперечного прочесов обеспечивает однородность (изотропное состояние) свойств по длине и ширине материала;
- использование базальтового ровинга с разрывным удлинением не более 3,5% и укладка его в распрямленном (без изгибов) состоянии с контролируемым натяжением и шагом обеспечивает разрывное удлинение готового материала, не превышающее 5%. При этом показателе резко увеличивается жесткость дорожного полотна и оно не разрушается в результате климатических расширений;
- наличие верхнего и нижнего слоев нетканых фильтрующих холстов обеспечивает защиту центрального армирующего слоя из базальтового ровинга от внешних механических повреждений от щебня, гальки и т.п.;
- соединение всех четырех слоев материала с пониженной частотой движения игл иглопробивной головки в диапазоне от 20 до 150 ударов в минуту позволяет сохранить целостность и структуру нитей базальтового ровинга и, как следствие, улучшить эксплуатационные характеристики материала;
- отсутствие термообработанных связующих веществ обеспечивает сохранение гибкости материала его фильтрующих, дренажных свойств, а также воздухопроницаемости, паропроницаемости и водопроницаемости материала;
- за счет изменения качественного состава и линейной плотности верхнего и нижнего нетканых холстов возможно управлять теплоизолирующими, шумоизолирующими и фильтрующими свойствами материала;
- простота изготовления материала с низкой себестоимостью в едином технологическом цикле.
В частных случаях выполнения заявленного армодренажного материала он может быть выполнен следующим образом:
- центральные армирующие элементы выполнены из базальтовых ровингов с разрывным удлинением, не превышающим 3,5% и линейной плотностью от 600 до 4800 текс;
- центральные армирующие элементы в продольном и поперечном направлениях материала расположены с плотностью от 10 до 100 волокон на 10 см;
2
- верхний и нижний фильтрующие холсты выполнены поверхностной плотностью от 150 до 700 г/м;
- верхний и нижний фильтрующие холсты выполнены из волокон линейной плотностью от 0,33 до 2,00 текс и длиной от 60 до 150 мм;
- один из фильтрующих холстов выполнен из продольного прочеса, другой из поперечного;
верхний и нижний фильтрующие холсты выполнены из полипропиленовых волокон, полиэфирных волокон, полиамидных волокон, полиэтиленовых волокон или неорганических волокон (стеклянных, базальтовых и т.п.).
Осуществление изобретения
Были проведены промышленные испытания предложенного армодренажного материала. Результаты некоторых испытаний приведены в таблицах 1 и 2 ниже. Приведенные примеры не являются исчерпывающими и приведены лишь для наглядности.
Представленные примеры подтверждают возможность осуществления изобретения и достижения указанного выше технического результата.