Typy geowłóknin i ich funkcje w konstrukcjach budowlanych

Opublikowano 14.07.2014

Ogólnie geosyntetyki można podzielić na sześć głównych grup: geowłókniny, geosiatki, geosieci, geomaty, geomembrany oraz geokompozyty. Każdy wyrób z tych grup pełni w konstrukcji określoną, niezastąpioną funkcję i staje się integralną częścią projektowanej konstrukcji. Ze względu na obszerność zagadnienia zastosowania i projektowania wyrobów geosyntetycznych, niniejszy artykuł poświęcony będzie wyłącznie grupie geowłóknin.

W budownictwie geowłókniny pełnią przede wszystkim funkcję separacyjną, filtracyjną oraz ochronną. Warunkowo mogą być również stosowane do funkcji stabilizacyjnej, zbrojeniowej, drenażowej oraz przeciwerozyjnej. Właściwości geowłóknin, które wpływają na sposób ich zastosowania w konstrukcji, zależą przede wszystkim od rodzaju i jakości zastosowanego surowca podstawowego oraz od technologii produkcji. Jaką geowłókninę zatem wybrać do wymaganej funkcji?

Geowłókniny i ich zastosowanie w budownictwie

Geowłókniny są wyrobami budowlanymi, czyli produktami przeznaczonymi do trwałego wbudowania w konstrukcje. Początki ich stosowania sięgają lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku, kiedy to zaczęto je wbudowywać w konstrukcje dróg. W ciągu swojego istnienia ta grupa geosyntetyków przeszła odpowiedni rozwój i obecnie jest powszechnie stosowana w wielu aplikacjach, nie tylko w budownictwie drogowym, ale także w budownictwie kubaturowym, inżynieryjnym, podziemnym oraz wodnym.

W budownictwie geowłókniny pełnią przede wszystkim funkcję separacyjną, filtracyjną i ochronną. Warunkowo mogą być również stosowane do funkcji stabilizacyjnej, zbrojeniowej, drenażowej oraz przeciwerozyjnej. Właściwości geowłóknin, które wpływają na sposób ich zastosowania w konstrukcji, zależą przede wszystkim od rodzaju i jakości zastosowanego surowca podstawowego oraz od technologii produkcji.

Typy geowłóknin

Jakość i rodzaj zastosowanego surowca produkcyjnego wpływają przede wszystkim na charakterystyki odpornościowe, takie jak odporność chemiczna, biologiczna czy odporność na warunki atmosferyczne. Z powodów ekonomicznych (cena surowca podstawowego) w budownictwie stosuje się geowłókniny wykonane z włókien poliestrowych lub polipropylenowych, ponieważ oferują one najlepszy stosunek ceny do parametrów użytkowych. Ze względu na rosnący nacisk na aspekt ekologiczny, na rynek stopniowo wprowadzane są również tekstylia wykonane w 100% z włókien naturalnych (ekotekstylia) lub z mieszanek surowców wtórnych. Jednakże z reguły nie osiągają one wymaganych właściwości mechanicznych lub hydraulicznych, co w znacznym stopniu ogranicza ich zastosowanie.

Z punktu widzenia technologii produkcji, zgodnie z klasyfikacją krajowych oddziałów International Geosynthetics Society, rozróżniamy trzy główne typy geowłóknin:

• geowłókniny tkane – składają się z dwóch układów równoległych włókien (nici) przeplatanych pod kątem prostym w tkaninę w taki sposób, aby utworzyć regularną, wzajemnie powiązaną strukturę
• geowłókniny nietkane – składają się z włókien ułożonych w nieregularnej strukturze, wytwarzanych poprzez wzmacnianie elementów konstrukcyjnych metodami mechanicznymi lub fizykochemicznymi, ewentualnie ich kombinacją
• geowłókniny dziane – składają się z nici uformowanych w oczka wzajemnie powiązane, ewentualnie z zastosowaniem dodatkowych elementów wiążących, ułożonych w kolumny i rzędy

Należy mieć na uwadze, że każdy typ geowłókniny – ze względu na zastosowaną technologię produkcji oraz późniejsze procesy wykończeniowe – charakteryzuje się odmiennymi właściwościami mechanicznymi i hydraulicznymi. Z tego powodu konieczne jest dokładne zdefiniowanie wszystkich warunków brzegowych oraz wymagań, które muszą zostać spełnione w konstrukcji, tak aby dany typ geowłókniny prawidłowo pełnił swoją funkcję przez cały deklarowany okres trwałości konstrukcji i nie wpływał negatywnie na jej niezawodność oraz bezpieczeństwo. Poniżej przedstawiono nasze zalecenia dotyczące stosowania geowłóknin w poszczególnych aplikacjach, wraz z rekomendacją odpowiedniego typu.

Najczęstszą funkcją, jaką geowłókniny pełnią w konstrukcjach ziemnych, jest oddzielanie warstw gruntów o różnych właściwościach. Przy projektowaniu należy w szczególności uwzględnić maksymalną wielkość ziaren, ich wskaźnik kształtu, technologię układania materiału oraz sztywność podłoża. W zależności od maksymalnej wielkości ziarna zasypu, głównym kontrolowanym parametrem jest odporność mechaniczna na przebicie, dlatego standardowo zalecamy zachowanie następujących wartości:

Wielkość ziaren	Min. CBR
≤ 16 mm	2 000 N
≤ 32 mm	4 000 N
≤ 63 mm	6 000 N
≤ 125	8 000 N
> 125 mm	10 000 N

Równocześnie z wymaganiem dotyczącym wartości odporności mechanicznej na przebicie powinien być spełniony wymóg minimalnej przepuszczalności w kierunku prostopadłym do geowłókniny wynoszącej 15 l/m2s. Do funkcji separacyjnej można stosować zarówno geowłókniny tkane, jak i nietkane.

Oprócz separacji poszczególnych warstw geowłóknina musi być zdolna zapewnić bezpieczny przepływ wody przez układ warstw, bez nadmiernego wzrostu ciśnienia wody w porach gruntu, a jednocześnie zapobiegać unoszeniu drobnych cząstek do warstwy chronionej. Wymagania te są zazwyczaj oceniane łącznie.

Z punktu widzenia funkcji filtracyjnej bardziej odpowiednie jest zastosowanie geowłókniny tkanej, która umożliwia powstanie tzw. filtru gruntowego. Na styku gruntu i geowłókniny tworzy się wówczas struktura z większych ziaren gruntu, stanowiąca naturalną barierę dla ziaren drobniejszych. W takim układzie woda może przepływać przez geowłókninę przy minimalnym ryzyku jej kolmatacji. Natomiast geowłóknina nietkana, ze względu na drobne pory, z czasem ulega zamuleniu – małe pory spowalniają prędkość przepływu wody w układzie gruntowym i powodują osadzanie się drobnoziarnistych cząstek (szlamu) na powierzchni geowłókniny, co ogranicza jej zdolność filtracyjną. Aby zapewnić funkcję filtracyjną, projektowana geowłóknina musi spełniać (zgodnie z TP 97 „Geosyntetyki w korpusie ziemnym dróg”) kryterium przepuszczalności, kryterium zatrzymania oraz kryterium zapobiegania zatykaniu.

Przy projektowaniu geowłókniny do funkcji ochronnej należy uwzględnić przede wszystkim wrażliwość chronionej konstrukcji na uszkodzenia, rodzaj zastosowanego materiału zasypowego, technologię zasypywania oraz zdolność geowłókniny do absorbowania oddziaływań od zasypywanego gruntu. Z tego względu jednoznacznie bardziej odpowiednie są geowłókniny nietkane, które – ze względu na technologię produkcji oraz większą grubość – wykazują znacznie wyższy potencjał absorpcyjny.

Dla funkcji stabilizacyjnej geowłókniny są zasadniczo odpowiednie jedynie dla bardzo miękkich podłoży o module odkształcenia E_def,2 < 5 MPa; w pozostałych konstrukcjach nie przynoszą one istotnego efektu. W tej aplikacji geowłókniny pracują pod obciążeniem jak membrany rozciągane. Aby więc zmobilizować ich wytrzymałość, musi dojść do pionowych odkształceń, co prowadzi do powstania niedopuszczalnych deformacji, których nie można zaakceptować w konstrukcjach trwałych. Z tego powodu ich zastosowanie ogranicza się do konstrukcji tymczasowych, na miękkich podłożach umożliwiających wystąpienie efektu membranowego. Do mechanicznej stabilizacji zalecamy stosowanie monolitycznych geosiatek (geomreż), które wykazują najwyższą skuteczność stabilizacyjną.

Funkcję drenażową mogą częściowo pełnić geowłókniny nietkane, przede wszystkim o dużej grubości. Z reguły nie jest to jednak ich podstawowa funkcja w konstrukcjach ziemnych, lecz funkcja wtórna. Ze względu na niewielką przepuszczalność w płaszczyźnie geowłókniny, która często gwałtownie spada wraz z jej ściskaniem, prędkość przepływu wody osiąga niskie wartości, geowłóknina stopniowo się zamula i dochodzi do ograniczenia jej zdolności drenażnych. Geowłókniny stosuje się w tej aplikacji jedynie w rozwiązaniach mało wymagających i wyłącznie w połączeniu z piaskiem lub kruszywem. W bardziej wymagających zastosowaniach właściwszym rozwiązaniem jest użycie geokompozytu drenażowego, który osiąga wielokrotnie wyższe przepuszczalności w swojej płaszczyźnie niż geowłókniny nietkane.

Stosowanie geowłóknin jako elementów zbrojących przenoszących rozciąganie jest warunkowo odpowiednie przy budowie stromych skarp. W projektach najczęściej stosuje się geowłókniny tkane, ewentualnie dziane, wykonane z poliestru, rzadziej z polipropylenu. Istotnym aspektem prawidłowego projektowania zbrojenia jest – obok nominalnej długoterminowej wytrzymałości – również jego sztywność sieczna przy małych odkształceniach, charakteryzująca II stan graniczny konstrukcji, przy czym przebiegi przeprowadzonych prób rozciągania często wskazują na wyraźny wzrost deformacji przy niewielkich generowanych siłach (niska sztywność początkowa). Zjawisko to bardzo często prowadzi do niekontrolowanych przemieszczeń konstrukcji, które w końcowej fazie mogą wpływać nie tylko na jej wygląd estetyczny, ale również na bezpieczeństwo i niezawodność.

Poniższy wykres przedstawia diagramy pracy próbek geowłóknin tkanych, z których wynika, że przy niskich odkształceniach wykazują one bardzo małą sztywność początkową. W obszarze małych deformacji (do 5%) na pewnym etapie badania dochodzi do wzrostu odkształceń przy niezmieniającej się sile. Dopiero w dalszej fazie próbki wykazywały mniej więcej równomierny (liniowy) wzrost siły oporu w zależności od wydłużenia.

W projektach należy więc uwzględnić tę okoliczność i określić zarówno długoterminową wytrzymałość w zależności od częściowych współczynników redukcyjnych (uwzględniających uszkodzenia w trakcie instalacji, zachowanie pełzaniowe geosyntetyku, oddziaływania chemiczne i biologiczne), jak i początkową sztywność wyrobu w obszarach małych odkształceń, tj. dla 0,5%, 1% oraz 2%.

Do określenia minimalnej sztywności zalecamy zastosowanie następującego wzoru, przy czym dla wytrzymałości odpowiadającej przyjętemu odkształceniu dopuszczamy maksymalnie 10% odchylenia od liniowego przebiegu badania:

Tε = X ≥ (0,9 × ε × Tmax) / εmax, gdzie
Tε ... wytrzymałość przy x% wydłużenia [kN/m]
ε ... x% odkształcenia zgodnie z ČSN EN ISO 10319 [%]
Tmax ... maksymalna wytrzymałość na rozciąganie zgodnie z ČSN EN ISO 10319 [kN/m]
εmax ... maksymalne odkształcenie zgodnie z ČSN EN ISO 10319 [%]

Dostawcy i producenci geowłóknin zazwyczaj podają wartość wytrzymałości na rozciąganie przy 2% wydłużenia, wówczas zmodyfikowany wzór ma postać:

Tε ≥ (1,8 × Tmax) / εmax

Zakończenie

Z powyższego wynika, że projektowanie odpowiedniej geowłókniny podlega tym samym zasadom, co projektowanie jakiejkolwiek innej konstrukcji. Konieczne jest więc dokładne rozważenie jej przyszłej funkcji w konstrukcji, w tym ocena wszystkich pozostałych aspektów (trwałość konstrukcji, sposób instalacji itp.).

Przy założeniu prawidłowego projektu i respektowania podstawowych zasad instalacji wyrób przynosi poprawę właściwości całej konstrukcji. Należy jednak mieć świadomość, że w przeciwnym przypadku lub w razie zastosowania niewłaściwego wyrobu zachowanie konstrukcji może się wręcz pogorszyć. Awaria geowłókniny może w końcowej fazie oznaczać znaczne koszty inwestycyjne związane z późniejszą naprawą (przerwanie wału, deformacje torów na drodze, awaria systemu drenażowego).