Использование капиллярности нетканых материалов для функционирования объектов коммунального хозяйства

Производство нетканых материалов с каждым годом получает все большее развитие. Принципиально новые технологии, широкие возможности вовлечения в производство различных сырьевых ресурсов, в том числе непригодных для переработки стр. 153 из 233 по классическим текстильным технологиям, комбинирование материалов и технологий позволяет создавать нетканые материалы с новыми свойствами и использовать их в областях, где ранее текстиль вообще не применялся [4; 6].

В сервисных технологиях коммунального хозяйства Российской Федерации, как и в других странах, широко используются текстильные полотна. В последнее время большое внимание вызывают нетканые материалы, выработанные по различным технологиям, которые могут использоваться для защиты растений от неблагоприятных условий среды, мульчирования почвы, а также её осушения.

Одной из актуальных проблем является разработка способов и устройств, обеспечивающих экологическую безопасность объектов коммунального хозяйства [1]. В частности, одним из наиболее серьезных факторов, влияющих на изменение экологической среды, является изменение режима движения грунтовых вод. Самой распространенной и опасной считается водная эрозия, наносящая наибольший ущерб почвам, что выражается в разрушении плодородных слоев, смыве их талыми, дождевыми и грунтовыми водами. Грунтовые воды, поднимаясь вверх, подтопляют поверхность почвы и, при отсутствии хорошего естественного дренажа, вызывают заболачивание и засоление грунта [1]. Кроме того, во время весеннего таяния снега и обильных осенних дождей происходит большое скапливание воды в тех местах населенных пунктов или автомагистралей, где недостаточно эффективно функционируют сточные трубопроводы. Подобное явление характерно для населённых пунктов, где в весенне-осенний период происходит подтапливание зданий, сооружений и других объектов коммунального хозяйства, требующих наличия инженерных систем, понижающих уровень грунтовых вод [3].

Защита грунта от переувлажнения включает комплекс мероприятий, требующих серьезного научного и инженерно-экологического обоснования [2; 3]. Одним из возможных вариантов удаления избыточной влаги из грунта, а также влаги, скопившейся на поверхности земли, может быть создание испарительных колонн из капиллярнопористых материалов.

Одно из новых направлений, в котором нетканые материалы получили распространение, – это геотекстильные материалы. Названные материалы используются в разных областях – от строительства в условиях слабых оснований, защиты и армирования откосов до создания прослоек различного назначения в дорожных конструкциях, а также при проведении мелиоративных мероприятий.[1]

Мировой и отечественный опыт подтверждает высокую эффективность применения геотекстиля в строительстве фундаментов различных зданий, отмечается снижение затрат при строительстве, реконструкции и ремонте автодорог, особенно при удорожании добычи и доставки к месту проведения работ традиционно используемых материалов (песка, щебня и др.).

Геотекстильные материалы выполняют избирательно или в комплексе различные функции:

• •    предотвращение смешивания двух или нескольких прилегающих грунтов, отличающихся различным гранулометрическим составом;

• •    усиление конструкций насыпей, в том числе откосов, оснований в результате перераспределения геотекстильным материалом напряжений, возникающих в грунтовом массиве;

• •    предотвращение выноса грунтовых частиц в результате волнового воздействия,

• •    водного течения, давления воды из выклинивающихся водоносных горизонтов, предотвращение загрязнения традиционных дренажей;

• •    ускорение отвода воды в плоскости полотна и нормальном ей направлении;

• •    уменьшение или исключение притока воды в грунты рабочей зоны сооружений.

В зависимости от областей применения геотекстильных материалов и выполняемых ими функций к ним предъявляются различные требования и нормы показателей физико-механических и эксплуатационных свойств, которые должны быть учтены производителями при разработке, изготовлении и контроле качества нетканых материалов.

Рассматривая возможность применения геотекстиля для технических нужд [5], необходимо остановиться на вопросах, связанных с отводом избыточной влаги в виде грунтовых и дождевых вод, которая оказывает негативное воздействие на функционирование объектов коммунального хозяйства и сервиса, дорожной насыпи, фундаментов зданий и промышленных сооружений, проч.

Анализ существующих в настоящее время дренажных систем позволяет сделать вывод о том, что самую надежную защиту объектов от грунтовых вод обеспечивает устройство пристеночного и горизонтального пластового дренажа с использованием геокомпозитов в сочетании с трубчатым дренажом. Геокомпозиты различных конструкций, в том числе с использованием геотекстильных нетканых материалов, можно применять при любом типе грунта и глубине заложения сооружения до 15–20 м, а также в условиях воздействия агрессивных грунтовых вод. Кроме того, геокомпозиты весьма эффективны при устройстве внутреннего дренажа зданий. Это исключает возможность образования конденсата на стенах и в углах помещения, обеспечивает надежную защиту эксплуатируемого сооружения от попадания влаги и сохраняет внутренние конструкции сухими в процессе всего периода эксплуатации объекта.

При таком способе процесс водоотвода складывается из двух частей: фильтрация жидкости в материале, расположенном горизонтально в грунте на глубине не более 0,5 м [7] и капиллярного поднятия ее в испарительной колонне. Испарительная колонна представляет собой вертикально установленный жесткий каркас, на котором закреплен водоотводящий материал. Дренажная и испарительная части материала соединены между собой под землей, на уровне укладки дренажного участка. Соединение целесообразно производить в специальном колодце, чтобы обеспечить удобный доступ к месту контакта в случае замены материала испарительной колонны при его засорении частицами грунта, солями и т.п. Эффективность водоотвода из грунта будет определяться скоростью движения жидкости по капиллярам. Непрерывность отвода воды из грунта обеспечивается ее испарением с поверхности материала в атмосферу. Интенсивность испарения зависит от скорости капиллярного течения жидкости в вертикальной части материала (количество влаги, испарившейся с поверхности материала должно быть не меньше количества воды, поступающей в единицу времени по капиллярам к поверхности испарения) и режимом теплообмена с окружающей средой (воздухом). Преимуществом такого способа удаления избыточной влаги являются:

• •    небольшая территория, занимаемая для размещения испарительных колонн;

• •    минимальный (в случае необходимости) расход электроэнергии для интенсификации теплообмена между материалом и внешней подвижной средой (подразумевается вариант обдува испарительной колонны потоком воздуха, температура которого превышает температуру окружающей среды);

• •    возможность использования нетрадиционных источников энергии (например, ветряной двигатель и преобразователь электроэнергии в тепловую).

Выбор класса водоотводных материалов и определение его физико-механических свойств должны основываться на условиях перспективной эксплуатации, в соответствии с которыми материал должен: 1) иметь капиллярно-пористое строение, благодаря которому жидкость будет перемещаться из внутренних слоев материала к поверхностным, что позволит осуществить ее удаление путем испарения; 2) обладать достаточной прочностью, чтобы сохранить свою целостность в результате возникающих нагрузок.

Вышеперечисленным требованиям отвечают текстильные материалы, в частности иглопробивные нетканые полотна, благодаря их высоким физико-механическим свойствам, достаточно простой и экономичной технологии изготовления, возможности использования разнообразного волокнистого состава. При проектировании водоотводящего нетканого материала необходимо учитывать условия эксплуатации и стр. 156 из 233 различное функциональное назначение каждой из частей (которые можно условно подразделить на дренажную и испарительную), поэтому будут различны их свойства и физико-механические характеристики.

Большинство синтетических материалов, используемых в настоящее время, достаточно устойчивы к растворам щелочей, кислот, солей, а также микроорганизмам, содержащимся в грунтовых водах. Однако, как показали исследования, полиэфир разрушается в щелочной среде при рН > 9. Поэтому применение ПЭФ в грунтах с рН > 9 недопустимо без высокоэффективной защиты. Материалы из ПЭФ не должны иметь прямого контакта с материалами, содержащими известь или гидравлические вяжущие вещества.

Согласно современной технологии строительства геотекстиль применяется в изготовлении дренажных геокомпозиционных материалов для вертикального и горизонтального дренажа строительных конструкций. При этом используются такие свойства иглопробивных геотекстильных материалов, как высокая водопропускная способность при достаточной прочности на растяжение, химической стойкости к агрессивным средам. Но вследствие того, что они имеют высокую деформативную способность, водопропускные свойства снижаются под действием грунта и других механических нагрузок. Поэтому геотекстильную прослойку целесообразно применять в сочетании с защитными и (или) изолирующими материалами в двух- или трехслойных конструкциях дренажной системы. При этом геотекстильный фильтр-мембрана выполняет функцию фильтрации мелких частиц почвы и предотвращения заиливания дренажной системы.

Технические характеристики геокомпозитов во многом зависят от исходного сырья. Особенно это влияет на их несущую способность. Так, полотна из вторичного полиэтилена (полученные переработкой первичного ПЭНД) способны выдерживать нагрузку в 1,5–2 раза ниже, чем материал, изготовленный из первичного ПЭНД. В связи с этим их можно применять только при малой глубине заложения сооружения (2–2,5 м).

Одним из факторов, характеризующих долговечность дренажной конструкции, является ее стойкость против заиливания мелкими частицами грунта. Известно, что заиливания не происходит, если на контакте фильтрационного материала с грунтом образуются устойчивые сводики из мелких частиц грунта для несвязных грунтов или из агрегатов глинистых частиц грунта для связных грунтов. Процесс сводообразования осуществляется в том случае, если соблюдаются условия, регламентирующие соотношение между характерным диаметром поровых каналов фильтрационного материала и размером сводообразующих частиц.

В соответствии с классификацией, предложенной академиком П.А. Ребиндером, все формы связи влаги с материалом делятся на три большие группы: химическая связь, физико-химическая связь (адсорбция, осмотическое набухание и иммобилизация жидкости) и физико-механическая связь (смачивание пор, жидкость макро- и микрокапилляров). Преобладание той или иной группы определяется, в основном, молекулярным характером связи поглощенной жидкости со структурными элементами и строением материала. Для волокнистых материалов наиболее характерна физикомеханическая форма связи, количественно оцениваемая показателями водопоглощения и капиллярности, под которой понимают высоту подъема влаги в образце, одним концом погруженным в жидкость [8].

При проектировании и изготовлении водоотводящих волокнистых материалов следует ориентироваться на следующие факторы:

• 1)    использование гидрофобных волокон, поскольку гидрофильные увеличивают свой объем при впитывании воды, что может привести к образованию тупиковых пор и в целом снижению интенсивности водоотвода и испарения вследствие застоя влаги в материале;

• 2)    применение нетканых полотен с неориентированным расположением волокон, что обеспечивает поликапиллярность материала. Под поликапиллярностью понимается разветвленная система капилляров произвольной геометрической формы, сообщающихся между собой.

Таким образом,   проектирование водоотводящего нетканого материала предполагает:

• •    выбор оптимального волокнистого состава исходя из поставленного выше условия гидрофобности;

• •    определение и прогнозирование максимальной высоты капиллярного подъема жидкости в зависимости от его плотности (пористости).