Проблемы устройства противофильтрационных экранов на мерзлых и вечномерзлых грунтах

Авторы: Яковлев В.А., технический директор "БентИзол", Степанов О.Н., коммерческий директор "БентИзол"

Современные тенденции строительства требуют применения надежной и долговечной гидроизоляции. Аналогичные требования предъявляются и к защите почвы и грунтовых вод от негативного влияния мест захоронения отходов, нефтехранилищ, промышленных водоемов и т.п. Всем этим требованиям отвечают материалы на основе минерала из семейства глин (бентонита) — бентонитовые маты.

В настоящее время при проектировании противофильтрационных экранов для водоемов чистой воды, накопителей жидких отходов, промышленных и ливневых сточных вод, биологических прудов-накопителей, прудов-отстойников, бассейнов-испарителей, накопителей твердых бытовых и промышленных отходов, хвостохранилищ, золоотвалов теплоэлектростанций, шламохранилищ, навозохранилищ, огаркохранилищ, городских свалок и противопожарных водоемов, проектные организации в основном руководствуются СН 551-82 «Инструкция по проектированию и строительству противофильтрационных устройств из полиэтиленовой пленки для искусственных водоемов». Соответственно в качестве противофильтрационных экранов в проектной документации закладываются полимерные мембраны.

Полимерные мембраны

Современные полимерные мембраны, используемые при гидроизоляции фундаментов и тоннелей, применяются за рубежом с середины 1960-х годов, а в России – с середины 1990-х годов.

Полимерные мембраны обладают повышенной стойкостью к атмосферным и климатическим воздействиям, стойкостью к УФ-излучению, эластичностью в широком диапазоне температур, имеют высокую прочность, химическую и биологическую стойкость к микроорганизмам и прорастанию корней, более долговечны, чем битумно-полимерные рулонные материалы.

Однако при использовании рулонных полимерных мембран в сложных климатических условиях районов Севера и крайнего Севера, а также при устройстве противофильтрационных экранов выше сезонного уровня промерзания грунта имеется ряд ограничений.

Пунктом 1.3. Инструкции по проектированию и строительству противофильтрационных устройств из полиэтиленовой пленки для искусственных водоёмов определено, что применение противофильтрационных устройств из полиэтиленовой плёнки в накопителях жидких и твёрдых отходов не допускается в следующих случаях:

• если в основании сооружения залегают грунты, не удовлетворяющие требованиям, предъявляемым главой СНиП по проектированию плотин из грунтовых материалов, а также если эти грунты склонны к неравномерным деформациям, вечномерзлые или нестойкие к агрессивному воздействию складируемых промышленных отходов;
• при возможности образования морозобойных трещин в основаниях;
• применение пленочных противофильтрационных устройств требует обоснования в случаях наличия в основании просадочных или пучинистых грунтов.

Данные требования, предъявляемые к монтажу противофильтрационных экранов из геомембран, возникли по причине одного из недостатков устройства противофильтрационных экранов из геомембран. Таковым является значительная величина коэффициента линейного расширения полимерных материалов, а при устройстве экрана на большой площади пленочный элемент подвержен значительным температурным деформациям. Например, сокращение линейных размеров полиэтиленовой пленки при разнице температур монтажа-эксплуатаци на 50-60°С составляет до 1 метра на каждые 100 погонных метров. При жестком закреплении кромок экрана и невозможности его «движения» в пленочном элементе развиваются значительные растягивающие напряжения, которые могут привести к разрывам пленки с нарушением целостности полотна и снижением противофильтрационных свойств экрана.

Аналогичные нарушения противофильтрационного экрана возможны при неравномерных осадках и деформация основания.

Геомембраны при низких температурах в значительной мере теряют свою эластичность, вследствие чего любые подвижки основания приводят к нарушению целостности пленки.

На практике при температуре воздуха +20ОС в солнечную погоду во время укладки черная поверхность материала нагревается до +60ОС. Из этого следует, что для возникновения критических напряжений в материале противофильтрационного экрана во время эксплуатации, достаточно лишь падения температуры рабочей среды до +10ОС (см. таблицу №1).

Таблица №1. Линейное тепловое расширение полиэтиленовой плёнки

Тепловое расширение ( м) равно:

ΔL=а* α* ΔТ

Где:

ΔТ =T - TO – разница температур монтажа и эксплуатации.

а – длина полотна, м;

α - коэффициент теплового линейного расширения полиэтилена, (1/( оС))* 10^-6;

В Таблице №2 приведен результат лабораторных испытаний температурного расширения пленок ряда российских производителей, с различным процентом добавления вторичного сырья.

Данные таблицы получены как средние значения по трем замерам с интервалом 2 часа и средней температурой поверхности -20ОС для образцов №1,2,3,4 полимерных рулонных материалов и бентонитового мата (Рисунок №1-№10).

Таблица №2. Результаты испытаний на линейное тепловое расширение полиэтиленовой плёнки

Обычно производители в технических характеристиках геомембран указывают прочность на разрыв полимерного листа 20 МПа при растяжении до 700% (испытания по ГОСТ 11262-80), но данные испытания проводятся в лабораторных условиях, при температуре окружающей среды +23ОС±2 и постоянной скорости растяжения. В реальности подобных условий добиться практически невозможно. Поэтому при значительных перепадах температур в полевых условиях создаются критические напряжения в конструкции противофильтрационного слоя, приводящие к нарушению герметичности (как правило, в сварных швах, т.к. прочность шва до 40% меньше прочности самого материала конструкции) и, как следствие, утечкам.

Существуют критерии ограничения по сварке геомембран «Стандартные процедуры обеспечения качества при инсталляции геомембран», разработанные Международной ассоциацией инстоллеров геосинтетики (IAGI). Основные критерии ограничений показаны на рисунке №9.

Данные критерии ограничения на практике не всегда соблюдаются, зачастую производители мембран указывают минимальную температуру монтажа до -25ОС. Но это в корне неверно, так как при таких низких температурах практически невозможно обеспечить равномерное сопряжение двух полотен всё из-за той же критической разницы температур горячего клина и полимера.

Оптимальное решение - бентонитовые маты

Мировой опыт показывает, что оптимальным решением вышеописанной проблемы при устройстве противофильтрационных экранов в сложных климатических условиях является применение бентонитовых матов.

Бентонитовые маты не подвержены существенным температурным расширениям, вследствие своей композитной структуры - тканый, нетканый материал и основной компонент бентонитовый наполнитель.

Коэффициент температурного расширения бентонита - природного материала, близок к коэффициенту температурного расширения грунтов основания. Это также компенсируется технологией укладки внахлест, с перекрытием полотнищ на 15-25 см по краю с просыпкой перекрытия бентонитовыми гранулами, что обеспечивает демпфирование температурных расширений-сжатий и водонепроницаемость соединений. Укладка бентонитовых матов не зависит от температуры окружающей среды, в отличие от монтажа геомембран, поэтому ее можно проводить в любое время года при любых положительных и отрицательных температурах. Это позволяет производить строительство объекта в любое время года. Бентонитовые маты стойки к многократным циклам замораживания-оттаивания без потерь своих противофильтрационных свойств.

Важнейшим преимуществом бентонитовых матов перед полимерными материалами является их уникальная способность "самозалечиваться". При взаимодействии с водой гранулы из бентонитовой глины, составляющие основу изделия, увеличиваются в объеме до 14–16 раз, самостоятельно восстанавливая гидроизоляционные свойства при небольших механических повреждениях.

На основе изложенного можно прийти к заключению, что применение бентонитовых матов в районах Крайнего Севера, Севера и районах сезонного уровня промерзания грунта ниже глубины укладки противофильтрационного экрана является самым технологически обоснованным и приемлемым.