تغییر دمای داخلی انواع ژئوممبران تحت آزمایش کشش

منبع: Hamza Tahir, Guillaume Stoltz, Nesrin Akel, Guillaume Veylon, Laurent Peyras. «Internal temperature change of various types of geomembranes subjected to tensile test». E3S Web of Conferences (EDP Sciences)، ۲۰۲۵. doi.org/10.1051/e3sconf/202564402019

این متن ترجمه‌ی فارسی کامل این مقاله است که تحت مجوز Creative Commons Attribution 4.0 (CC BY 4.0) منتشر شده است. ترجمه با کمک هوش مصنوعی انجام و ویرایش شده؛ فهرست منابع حذف شده و شکل‌ها و جدول‌های کامل در مقاله‌ی اصلی در دسترس‌اند. در صورت هرگونه اختلاف، متن انگلیسی ملاک است. تصویر شاخص: آرشیو پروژه‌های آرابل.

حمزه طاهر (Hamza Tahir)، گیوم استولتز (Guillaume Stoltz)، نسرین اکل (Nesrin Akel)، گیوم ویلون (Guillaume Veylon) و لوران پیرا (Laurent Peyras)

چکیده

امروزه ژئوممبران‌ها به‌طور گسترده‌ای برای آب‌بندی (waterproofing) سدها در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از مشخصه‌هایی که هنگام طراحی ژئوممبران برای یک ساختگاه مورد توجه قرار می‌گیرد، مقاومت کششی (tensile strength) آن‌ها است. تاکنون به‌خوبی اثبات شده است که مقاومت کششی ژئوممبران‌ها وابسته به دما (temperature dependent) است. برای پلیمرهای (polymers) متداول ژئوممبران [قیر (Bitumen)، ای‌پی‌دی‌ام (EPDM)، پلی‌اتیلن سنگین (HDPE)، پی‌وی‌سی (PVC) و پلی‌پروپیلن (PP)]، هرچه دما در طول آزمون بالاتر باشد، مقاومت کششی کمتر است و بالعکس.

به‌منظور دستیابی به نتایج قابل مقایسه میان ژئوممبران‌های گوناگون و بین آزمایشگاه‌های متفاوتی که آزمون‌های کشش را بر روی ژئوممبران‌ها انجام می‌دهند، استانداردهای متداول آزمون، دمای ثابتی را در طول آزمون الزامی می‌دانند. با این حال، هنگامی که یک نمونه ژئوممبران تحت نیروی کششی قرار می‌گیرد، پدیده اتلاف حرارت (heat dissipation) ناشی از تغییر شکل (deformation) نمونه می‌تواند شرایط دمای ثابت را به‌صورت موضعی تغییر داده و در نتیجه رفتار نمونه تحت آزمون را دگرگون سازد.

این مقاله بر تعیین کمّی تغییرات دمای داخلی انواع مختلف ژئوممبران در طول آزمون‌های کشش با هدف مشخصه‌یابی بهتر مقاومت کششی ژئوممبران‌ها تمرکز دارد. برای این پژوهش، از یک دوربین فروسرخ حرارتی (thermal infrared camera) جهت تعیین کمّی تغییرات دما در طول آزمون‌های کشش استفاده شد. از طریق انجام آزمون‌های آزمایشگاهی متعدد، مشخص گردید که تغییرات دمای داخلی در طول آزمون کشش برای انواع مختلف ژئوممبران‌ها یکسان نبوده و در طول آزمون نیز یکنواخت نیست. افزایش دما برای برخی ژئوممبران‌ها از قبیل PVC و HDPE چشمگیر است، در حالی که برای برخی دیگر نظیر قیر ناچیز می‌باشد. این نتایج نشان می‌دهند که ترکیب ژئوممبران‌ها دلیل اصلی رفتارهای متفاوت مشاهده‌شده است.

1 مقدمه

ژئوممبران‌ها (GMs) نقش بسیار مهمی را در کاربردهای گوناگون زیست‌محیطی و مهندسی، از مهار پسماند (waste containment) گرفته تا حفاظت از منابع آب (water conservation) ایفا می‌کنند. ژئوممبران یک ماده پلیمری مصنوعی (synthetic polymeric material) است که معمولاً به دسته‌های پلی‌اتیلن (PE - polyethylene)، پلی‌وینیل کلراید (PVC - polyvinyl chloride)، لاستیک (rubber) یا قیر (bitumen) تقسیم می‌شود. برای سازه‌های هیدرولیکی (hydraulic structures)، پلی‌اتیلنی که به‌طور گسترده در چین به کار می‌رود عمدتاً شامل ممبران پلی‌اتیلن با چگالی بالا (HDPE - high-density polyethylene membrane) و ممبران پلی‌اتیلن با چگالی کم (LDPE - low-density polyethylene membrane) است، در حالی که در اروپا و ایالات متحده بیشتر از PVC استفاده می‌شود [1].

عملکرد این مواد، به‌ویژه خواص کششی (tensile properties) آن‌ها، به‌شدت تحت تأثیر عوامل محیطی قرار دارد که در این میان دما یک مؤلفه کلیدی به شمار می‌رود [2, 3]. درک اثر دما بر رفتار ژئوممبران برای طراحی آن‌ها به‌منظور اطمینان از طول عمر و کارایی سیستم‌های مانع ژئوسنتتیک (geosynthetic barrier systems) امری ضروری است.

ژانگ و همکاران (Zhang et al.) آزمون‌های کشش تک‌محوره (uniaxial tensile tests) را در دماهای مختلف محیط بر روی ژئوممبران PVC انجام دادند. یافته‌ها نشان داد که با کاهش دما، مدول یانگ (Young's modulus) افزایش می‌یابد و بازه خطی تنش و کرنش (linear interval of stress and strain) کاهش می‌یابد؛ برعکس، با افزایش دما، اثر معکوس مشاهده می‌شود [4]. هسوان و همکاران (.Hsuan, Y.G. et al) [5] دریافتند که در دماهای پایین، انعطاف‌پذیری (flexibility) انواع مختلف ژئوممبران کاهش یافته، در حالی که تردی (brittleness) آن افزایش می‌یابد. ژیرو (Giroud) [6] بیان کرد که تغییرات دمای محیط منجر به تخلیه نرم‌کننده‌ها (plasticizers) در ژئوممبران PVC شده که این امر انقباض و متعاقباً افت انعطاف‌پذیری را به دنبال دارد. رو و همکاران (.Rowe et al) [7] در مطالعه خود ممبران‌های HDPE را در معرض دماهای مختلف محیطی قرار دادند و مشاهده کردند که با افزایش دما، دوام (durability) کاهش می‌یابد. آکپینار و همکاران (.Akpinar, M.V. et al) [8] نشان دادند که مقاومت برشی بین‌سطحی (interfacial shear strength) میان ژئوممبران و ژئوتکستایل (geotextile) تحت تأثیر دما قرار دارد.

در طول یک آزمون کشش تک‌محوره، بخشی از کار نیروی کششی در حین بارگذاری به انرژی حرارتی (thermal energy) تبدیل می‌شود، در حالی که باقی‌مانده آن به‌صورت انرژی الاستیک (elastic energy) در جسم جامد ذخیره شده و بخش دیگری نیز تا حدی صرف سخت‌شوندگی (hardening) [9] و تکامل ریزساختاری (microstructural evolution) [10] می‌گردد. دمای ماده ممکن است به دلیل گرمای ناشی از کار پلاستیک (plastic work) افزایش یابد. افزایش دما در سرتاسر فرآیند آزمون می‌تواند تأثیر بسزایی بر پاسخ مکانیکی (mechanical response) داشته باشد، زیرا کاملاً اثبات شده است که رفتار مکانیکی (mechanical behaviour) پلیمرها به دما وابسته است.

طی نیم‌قرن گذشته، حجم قابل‌توجهی از پژوهش‌ها بر روی رفتار مکانیکی پلیمرهای ترموپلاستیک (thermoplastic polymers) انجام شده است [11-15]. زنجیره‌های بلند و انعطاف‌پذیری که توسط پیوندهای هیدروژنی (hydrogen bonds) و وان‌دروالسی (van der Waals bonds) به یکدیگر متصل شده‌اند، پلیمرهای ترموپلاستیک را تشکیل می‌دهند. در پلیمرهای نیمه‌بلورین (semi-crystalline polymers)، برخی از زنجیره‌ها به‌صورت منظم روی هم تا می‌خورند تا فازهای بلورین (crystalline phases) را ایجاد کنند، یا اینکه تمام زنجیره‌ها با جهت‌گیری تصادفی قرار می‌گیرند تا پلیمرهای بی‌شکل یا آمورف (amorphous polymers) را به وجود آورند. تحت بارگذاری کششی، زنجیره‌های آمورف کشیده شده و به‌تدریج در جهت بارگذاری هم‌راستا می‌شوند. لغزش زنجیره‌های سازمان‌یافته، نواحی بلورین را از هم می‌گسلد که این نواحی تحت کرنش‌های بالا در نهایت به ساختاری رشته‌ای یا فیبریلی با جهت‌گیری بالا (highly orientated fibrillar structure) تبدیل می‌شوند [16]. بر اساس مشاهدات تجربی ماکروسکوپی، رفتار پلیمرهای ترموپلاستیک در تغییر شکل‌های کوچک عموماً الاستیک (elastic) یا ویسکوالاستیک (viscoelastic) است، در حالی که در تغییر شکل‌های بزرگ رفتار ویسکو-الاستیک-پلاستیک (visco-elastic-plastic) از خود نشان می‌دهند. علاوه بر این، آسیب ناشی از تغییرات برگشت‌ناپذیر در ریزساختارها در حین تغییر شکل، مانند تغییر شکل پلاستیک در نواحی بلورین [17] یا جوانه‌زنی، گسترش و به هم پیوستن میکروحفره‌ها (micro-voids) [18] رخ می‌دهد. این آسیب رفتارهای مکانیکی خاصی را به پلیمرها تحمیل می‌کند؛ مانند اثر مولینز (Mullins effect) در لاستیک استایرن-بوتادین تحت بارگذاری چرخه‌ای (cyclic loading) [19]، نرم‌شوندگی کرنشی (strain softening) در پلیمرهای آمورف تحت بارگذاری یکنواخت (monotonic loading) [20]، و کاهش سفتی (stiffness reduction) در آزمون‌های بارگذاری مکرر [21]. همچنین، تغییر شکل پلاستیک و آسیب موضعی ممکن است باعث آغاز پدیده گلویی‌شدن یا باریک‌شدگی موضعی (necking) در کرنش‌های بالا پیش از شکست پلیمر گردد.

پاسخ مکانیکی پلیمرهای ترموپلاستیک تحت تأثیر شرایط بارگذاری، به‌ویژه دما قرار دارد [22-25]. تنش تسلیم (yield stress) و مدول الاستیک (elastic modulus) پلیمرهای ترموپلاستیک به‌طور چشمگیری تحت تأثیر دما هستند. با افزایش دما، تحرک زنجیره‌های آمورف به‌ویژه در ناحیه انتقال لاستیکی-شیشه‌ای (rubber-glass transition zone) به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. با گذار پلیمرها از حالت شیشه‌ای (glassy state) به حالت لاستیکی (rubbery state)، تنش تسلیم و مدول الاستیک به‌میزان چشمگیری کاهش می‌یابند. پاسخ‌های تنش-کرنش در فازهای شیشه‌ای و لاستیکیِ برخی از

پلیمرهای آمورف (amorphous polymers) مانند پلی‌کربنات (polycarbonate) و پلی‌متیل متاکریلات (polymethylmethacrylate) آشکارا با یکدیگر تفاوت دارند [26]. از سوی دیگر، تغییرشکل (deformation) یک ماده بر دمای آن اثر می‌گذارد. پلیمرهای ترموپلاستیک (thermoplastic polymers) در نتیجه اتلاف انرژی ناشی از جریان ویسکوپلاستیک (viscoplastic flow) دچار خودگرمایش (self-heating) می‌شوند [27, 28]. رفتار تسلیم (yielding) و جریان ویسکوپلاستیک پلیمرهای ترموپلاستیک تحت تأثیر نرخ کرنش (strain rate) قرار دارد.

تغییرات دما در طول آزمون کشش تک‌محوره (uniaxial tensile testing) در شماری از پژوهش‌ها با استفاده از دوربین‌های حرارتی (thermal cameras) برای پلی‌پروپیلن (polypropylene - PP)، پلی‌کربنات (PC) و پلی‌آمید 6 (polyamide 6) مورد ارزیابی قرار گرفته است [29, 30, 31]. با این حال، این پلیمرها (به جز PP) معمولاً در کاربردهای سازه‌های هیدرولیکی (hydraulic structures) به کار نمی‌روند. از این رو، این پژوهش با هدف رفع این محدودیت از طریق بررسی و ارزیابی تغییرات دما در حین آزمون‌های کشش تک‌محوره پلیمرهایی که معمولاً بر روی سازه‌های هیدرولیکی نصب می‌شوند، نظیر EPDM ،HDPE ،PVC ،PP و قیر (Bitumen) انجام شده است. بدین منظور، از یک دوربین حرارتی مادون قرمز (infrared thermal camera) استفاده شد. نمونه‌های دمبلی‌شکل (dumbbell-shaped) در یک دستگاه کشش تک‌محوره با نرخ کشش استاندارد 100 میلی‌متر بر دقیقه مورد آزمایش قرار گرفتند و تغییرات دمای داخلی آن‌ها در طول آزمون اندازه‌گیری شد.

2 روش‌شناسی

2.1 دستگاه آزمون کشش تک‌محوره

از یک دستگاه آزمون کشش تک‌محوره 10 کیلونیوتنی استفاده شد. این دستگاه کشش توانایی آزمایش نمونه را در نرخ‌های کشش در بازه 0.01 میلی‌متر بر دقیقه تا 500 میلی‌متر بر دقیقه دارد. آزمایش‌ها در یک محیط بسته و تحت کنترل دما به منظور حفظ دمای محیطی یکنواخت به انجام رسید. دمای آزمایشگاه مطابق با مشخصات استاندارد اروپایی EN 17323 برای آزمون کشش ورق‌های پلیمری، برابر با 23 ± 2 °C و رطوبت نسبی (relative humidity) برابر با 50 ± 10% بود. طبق استاندارد ASTM D7275 − 07، به منظور آزمون ژئوممبران‌های قیری (bituminous geomembranes) تحت کشش، دمای آزمایشگاه باید 21 ± 2 °C و رطوبت نسبی 60 ± 10% باشد.

جدول 1 مشخصات آزمون کشش را از نظر دما و رطوبت‌سنجی برای متداول‌ترین استانداردهای اروپایی و آمریکایی ارزیابی مقاومت کششی (tensile strength) ژئوسنتتیک‌ها (geosynthetics) ارائه می‌دهد.

جدول 1. مشخصات آزمون کشش ژئوممبران‌ها در استانداردهای مختلف.

استاندارد	ماده مورد نظر	دما (℃)	رطوبت نسبی (%)
EN 12311-1	ورق‌های قیری برای عایق‌بندی رطوبتی بام	23 ± 2	50 ± 20
EN 12311-2	ورق‌های پلاستیکی و لاستیکی برای عایق‌بندی رطوبتی بام	23 ± 2	50 ± 5
EN 17323	موانع ژئوسنتتیکی پلیمری	23 ± 2	50 ± 10
ASTM D7272-07	ژئوممبران‌های قیری	21 ± 2	60 ± 10
ASTM D7003/D7003M-03	ژئوممبران‌های مسلح	21 ± 2	60 ± 10
ASTM D6693/D6693M-20	ژئوممبران‌های پلی‌اتیلنی و پلی‌پروپیلنی انعطاف‌پذیر (غیرمسلح)	21 ± 2	-
ASTM D4885-21	ژئوممبران‌های مصنوعی	21 ± 2	60 ± 10

نیرو توسط سیستم داده‌برداری (acquisition system) دستگاه کشش ثبت شد، در حالی که برای محاسبه تغییرشکل نمونه از یک اکستنسومتر (extensometer) استفاده گردید. دو نشانه بر روی بخش باریک نمونه علامت‌گذاری شد که فاصله آن‌ها از یکدیگر برای تمام نمونه‌ها 25 میلی‌متر بود، به جز نمونه قیری که این فاصله 50 میلی‌متر تعیین شد. افزایش طول (elongation) نمونه توسط اکستنسومتر بر اساس فاصله نسبی بین این دو نقطه در هر لحظه از آزمون اندازه‌گیری می‌شود.

2.2 تجهیزات اندازه‌گیری تغییرات دمای داخلی

یک دوربین حرارتی مادون قرمز FLIR-T62101 برای ارزیابی افزایش دمای داخلی نمونه‌ها در حین آزمون کشش تک‌محوره مورد استفاده قرار گرفت. مطابق با مستندات شرکت سازنده، دقت دوربین ±2°C است. این دستگاه جهت تضمین دقت قابل اتکا از فاصله‌ای دورتر، تفکیک‌پذیری حرارتی دقیق 76,800 پیکسل (320*240 پیکسل) را فراهم می‌سازد. علاوه بر این، دستگاه مذکور قابلیت ثبت تصاویر ویدیویی با نرخ فریم 60 هرتز را داراست و گستره دمایی وسیعی (-20°C تا 650°C) را پوشش می‌دهد که آن را برای کاربردهای الکتریکی و صنعتی بسیار ایده‌آل می‌سازد.

2.3 نمونه آزمون

نمونه‌های آزمون به صورت دمبلی‌شکل بوده و مطابق با الزامات استاندارد اروپایی EN 17323 هستند، به استثنای ژئوممبران قیری که برای آن استاندارد ASTM D7275-07 مبنا قرار گرفت [32, 33]. نمونه آزمون دمبلی‌شکل در مجموع 160 میلی‌متر طول دارد و عرض بخش باریک آن 33 (±2) میلی‌متر است. فاصله میان فک‌های (grips) دستگاه 80 (±5) میلی‌متر می‌باشد.

نمونه‌های آزمون ژئوممبران قیری نیز دمبلی‌شکل بوده و بر اساس استاندارد ASTM D7275 − 07 تهیه شده‌اند. از آنجا که استانداردهای اروپایی از یک نمونه مستطیلی برای ژئوممبران‌های قیری استفاده می‌کنند که ابعاد آن تفاوت قابل توجهی با نمونه‌های سایر مواد مورد مطالعه دارد، استاندارد ASTM به کار گرفته شد. این نمونه در مجموع 125 میلی‌متر طول دارد و فاصله فک‌های دستگاه برای آن 60 میلی‌متر است.

2.4 مواد

چندین نوع مختلف از ژئوممبران‌ها مطابق با توضیحات مندرج در جدول 2 مورد آزمایش قرار گرفتند. این ژئوممبران‌ها به این دلیل انتخاب شدند که به طور معمول در سطح جهان در احداث مخازن (reservoirs) کاربرد دارند.

جدول 2. فهرست مواد مورد آزمایش.

ماده	ضخامت جزء ژئوممبران به تنهایی (میلی‌متر)
پلی‌وینیل کلراید (PVC)	1.5
پلی‌پروپیلن (PP)	1.2
اتیلن پروپیلن دی‌ان مونومر (EPDM)	1.5
پلی‌اتیلن سنگین (HDPE)	1.5
قیر (Bitumen)	-

2.5 روش انجام آزمون

روش انجام آزمون ساده است. یک نمونه طبق استاندارد مربوطه برش داده شده و بدون هرگونه اعوجاج و خمیدگی درون دستگاه آزمون کشش تک‌محوره بسته می‌شود. دوربین در راستای نمونه تراز می‌گردد. پارامترهای آزمایشگاهی نظیر دما و رطوبت به سیستم‌عامل رایانه دوربین وارد می‌شوند. پیش از آغاز آزمون، خروجی دمای دوربین با دمای حاصل از حسگرهای حرارتی فیزیکی نصب‌شده در نزدیکی نمونه در محیط آزمایشگاه کالیبره می‌شود. نرخ کشش دستگاه بر روی 100 میلی‌متر بر دقیقه تنظیم می‌گردد. تصویربرداری دوربین حرارتی و آزمون کشش به صورت هم‌زمان آغاز می‌شوند. آزمون کشش به صورت خودکار با تشخیص پارگی نمونه توسط دستگاه متوقف شده و فک‌های دستگاه به موقعیت اولیه خود بازمی‌گردند. در همین هنگام، ضبط دوربین حرارتی نیز متوقف می‌شود.

3 نتایج

جهت تسهیل در خواندن نمودارها، عناوین نمودارها در سرتاسر این مقاله با ساختاری مشخص نام‌گذاری شده‌اند. به عنوان مثال، عبارت «PVC 1.5 mm» نشان می‌دهد که نمودار مربوط به یک ژئوممبران پلی‌وینیل کلراید با ضخامت 1.5 میلی‌متر است.

شکل 1 منحنی‌های مقاومت کششی ژئوممبران‌های مورد آزمون را در نرخ کشش 100 میلی‌متر بر دقیقه نشان می‌دهد. محور عمودی بیانگر نیروی کششی بر حسب نیوتن و محور افقی نشان‌دهنده درصد افزایش طول نمونه است که کرنش مهندسی (engineering strain) نیز نامیده می‌شود:

ΔL/L0

از این شکل کاملاً مشهود است که ژئوممبران‌های گوناگون رفتار بسیار متفاوتی را تحت کشش تک‌محوره بروز می‌دهند. PVC و EPDM تا هنگام گسیختگی تغییرشکل کاملاً یکنواختی داشته‌اند. PP دارای یک نقطه تسلیم (yield point) است که متعاقب آن تغییرشکل پلاستیک (plastic deformation) تقریباً کاملی تا افزایش طول 200% رخ می‌دهد و در ادامه با کرنش‌سختی (strain hardening) دنبال می‌شود. در مورد HDPE، نیروی کششی پس از نقطه تسلیم افت می‌کند که این پدیده بیانگر شروع باریک‌شدگی موضعی (necking) در نمونه است. پس از آن یک تغییرشکل پلاستیک مشاهده می‌شود که با پدیده کرنش‌سختی همراه است. رفتار مشابهی نیز برای نمونه قیری مشاهده می‌شود، اما بدون وقوع باریک‌شدگی موضعی.

شکل 1. رفتار کششی انواع مختلف ژئوممبران‌ها (نمونه قیری دارای محور x اختصاصی در بالا و محور y در سمت راست نمودار است).

شکل 2 نتایج تغییرات دمای داخلی را در طول آزمون کشش برای ژئوممبران‌های مختلف نشان می‌دهد. محور عمودی مربوط به پیکسل‌های دوربین است که پایین‌ترین پیکسل‌ها متناظر با انتهای گیردار زیرین نمونه هستند. محور افقی تغییرات دمای داخلی در حین آزمون را بر حسب ℃ نشان می‌دهد. منحنی‌های مختلف متناظر با سطوح گوناگون افزایش طول نمونه هستند؛ برای نمونه، راهنمای 10% مربوط به منحنی اندازه‌گیری‌شده در افزایش طول 10% نمونه است. باید توجه داشت از آنجا که طول نمونه همواره در طول آزمون به علت افزایش طول در حال تغییر است، از یک طول خط اندازه‌گیری ثابت به منظور مقایسه استفاده شده است. این موضوع در شکل 2، به عنوان مثال برای PVC، به خوبی مشاهده می‌شود؛ جایی که بازه پیکسل‌ها در دمای افزایش‌یافته (طول نمونه) برای کرنش 200% بسیار بیشتر از کرنش 100% است.

لازم به ذکر است که بخش‌های منفی منحنی‌های تغییرات دما، بلافاصله پس از شکست و پارگی، ناشی از قرار گرفتن پس‌زمینه در معرض دید دوربین است (بخش نازک، کشیده‌شده و پاره‌شده نمونه دیگر بر روی خط اندازه‌گیری دما قرار ندارد).

شکل 2. تغییرات دمای داخلی انواع مختلف ژئوممبران‌ها در درصدهای مختلف افزایش طول در حین آزمون کشش تک‌محوره.

از شکل 2 می‌توان نتیجه گرفت که دمای داخلی پی‌وی‌سی (PVC) در بخش باریک (طول گیج یا gauge length) نمونه به‌طور یکنواخت تغییر می‌کند و تغییرات دما در فک‌ها (بخش‌های انتهایی یا grips) نسبتاً کمتر است. مشاهده می‌شود که هرچه ازدیاد طول (elongation) بیشتر باشد، تغییرات دما نیز بیشتر خواهد بود و میزان تغییر دما درست پیش از گسیختگی (rupture) تقریباً 4.5℃ است. علاوه بر این، بلافاصله پس از گسیختگی، به دلیل تمرکز حرارتی (فرار انرژی یا energy escape)، افزایش ناگهانی چند درجه‌ای در دمای داخلی (در دو انتهای محل گسیختگی) رخ می‌دهد.

در مورد نمونه قیری (bitumen specimen)، بر اساس شکل 2، می‌توان نتیجه گرفت که این نمونه در طول آزمون دمای داخلی تقریباً ثابتی را حفظ می‌کند و تغییر دمای قابل‌توجه تنها در محل خط گسیختگی نمونه (به‌محض وقوع گسیختگی) مشاهده می‌شود.

در مورد نمونه پلی‌اتیلن سنگین (HDPE)، با توجه به شکل 2، مشاهده می‌شود که تغییرات دمای داخلی در سراسر نمونه یکنواخت نیست. این امر ناشی از پدیده باریک‌شدگی موضعی یا گردن‌افتادگی (necking) است که در حین آزمون کشش (tensile testing) در نمونه‌های HDPE رخ می‌دهد. دما در دو انتهای ناحیه باریک‌شده بیشترین مقدار را دارد و در بخش میانی، دما پایین‌تر است. این اختلاف دمایی میان انتهای ناحیه گردن‌افتادگی و بخش میانی آن، با افزایش ازدیاد طول بیشتر می‌شود؛ چرا که با افزایش طول نمونه، ضخامت آن کاهش یافته و در نتیجه تبادل انرژی با محیط سریع‌تر صورت می‌گیرد. علاوه بر این، با کاهش ضخامت، زنجیره‌های مولکولی کمتری از کنار یکدیگر پاره و عبور می‌کنند.

همچنین از شکل 2 می‌توان دریافت که دمای داخلی نمونه اتیلن پروپیلن دی‌ان مونومر (EPDM) در طول آزمون تقریباً به‌صورت یکنواخت تغییر می‌کند. هرچه ازدیاد طول بیشتر باشد، تغییر دما نیز بیشتر خواهد بود. افزون بر این، دمای داخلی به‌محض وقوع گسیختگی در نمونه، فوراً افت می‌کند. این امر ممکن است بیانگر این باشد که تبادل دمایی با محیط در ژئوممبران (geomembrane) EPDM سریع‌تر است.

شکل 2 تغییرات دمای داخلی را برای نمونه پلی‌پروپیلن (PP) نشان می‌دهد. در اینجا نیز مشاهده مشابهی وجود دارد که هرچه ازدیاد طول بیشتر باشد، تغییر دما نیز بیشتر خواهد بود. تغییر دمای داخلی در سراسر نمونه به‌جز درست پیش از گسیختگی، یکنواخت است. این پدیده را می‌توان به این واقعیت نسبت داد که در هنگام گسیختگی، ازدیاد طول نمونه بسیار زیاد بوده و به بخش‌های فک گیره گسترش می‌یابد. از آنجا که فک‌ها در مقایسه با سایر بخش‌های کشیده‌شده ضخیم‌تر هستند (بخش باریک به دلیل ازدیاد طول دچار کاهش ضخامت شده است)، اتلاف انرژی (energy dissipation) در فک‌ها کندتر صورت می‌گیرد. در نتیجه، جهش‌های ناگهانی در تغییرات دمای داخلی در دو انتها مشاهده می‌شود.

4 بحث

ژئوممبران‌ها به‌طور گسترده در سازه‌های هیدرولیکی (hydraulic structures) جهت نفوذناپذیرسازی به کار می‌روند. درک خواص فیزیکی ژئوممبران‌ها تحت شرایط تنش واقعی کارگاهی، برای تضمین دوام و اثربخشی آن‌ها بسیار حیاتی است. یکی از این خواص، مقاومت کششی (tensile strength) ماده است. آزمون کشش این مواد اغلب منجر به تغییرات دمای داخلی می‌شود. این پژوهش که تغییرات دمای داخلی انواع مختلف ژئوممبران را تحت نیروی کششی تک‌محوره (uniaxial tensile force) در نرخ کشش استاندارد 100 میلی‌متر بر دقیقه بررسی می‌کند، می‌تواند بینش‌های ارزشمندی را درباره رفتار ماده تحت شرایط بارگذاری مشخص ارائه دهد. نتایج این مطالعه می‌تواند اهمیت عملی و واقعی بر انتخاب مصالح، بهبود استانداردها، پیش‌بینی عملکرد و تحلیل دوام در سازه‌های هیدرولیکی داشته باشد.

آزمون کشش روشی استاندارد و سرراست برای ارزیابی خواص مکانیکی ژئوممبران‌ها نظیر استحکام، کشسانی (elasticity) و حالت‌های شکست (failure modes) است. با این حال، به تغییر دمای داخلی در حین این آزمون‌ها کمتر توجه شده است، هرچند به‌خوبی اثبات شده که نوسانات دما می‌تواند مستقیماً بر خواص ماده مانند استحکام تسلیم (yield strength) و ازدیاد طول اثر بگذارد. به‌طور کلی، هنگامی که یک پلیمر (polymer) تحت تنش قرار می‌گیرد، به دلیل اصطکاک داخلی و برهم‌کنش‌های مولکولی ناشی از ماهیت ویسکوالاستیک (viscoelastic) خود، اغلب حرارت تولید می‌کند. حرارت ایجادشده سبب افزایش دمای داخلی ماده می‌شود و می‌تواند تغییرات چشمگیری را در رفتار ماده به دنبال داشته باشد. با این وجود، این پدیده را نمی‌توان تنها به کمک آزمون‌های کشش استاندارد ثبت و ارزیابی کرد.

افزایش دما در حین آزمون کشش می‌تواند با کاهش گرانروی یا ویسکوزیته (viscosity)، منجر به نرم‌شدگی ماده (material softening) شود که خود کاهش مقاومت کششی ماده را به دنبال دارد. بدین ترتیب، پاسخ مکانیکی واقعی ژئوممبران ممکن است کمتر از حد واقعی تخمین زده شود. بنابراین، شناخت چگونگی تأثیر تغییر دمای داخلی در طول آزمون کشش بر عملکرد ژئوممبران‌ها، می‌تواند تصویر دقیق‌تری از رفتار آن‌ها در شرایط واقعی کارگاهی ارائه دهد.

در سازه‌های هیدرولیکی نظیر سدها و مخازن، ژئوممبران‌ها تحت تنش‌های مکانیکی و حرارتی گوناگونی قرار می‌گیرند. تغییرات دما در محل نصب می‌تواند عملکرد و دوام ژئوممبران‌ها را تحت تأثیر قرار دهد. با تحلیل پروفایل دمایی ژئوممبران‌ها تحت تنش، مهندسان می‌توانند نحوه عملکرد ماده را در شرایط معمول کارگاهی پیش‌بینی کنند. علاوه بر این، در صورتی که اثرات دما در حین آزمون مواد مد نظر قرار گیرد، عملکرد بلندمدت ژئوممبران‌ها بهتر قابل پیش‌بینی خواهد بود. درک رفتار دمایی در طول آزمون کشش می‌تواند به توسعه و تولید مصالح ژئوممبران بادوام‌تر و مناسب‌تر برای استفاده طولانی‌مدت در کاربردهای هیدرولیکی کمک شایانی نماید.

در طول نصب، ژئوممبران‌ها اغلب تحت تنش‌های مکانیکی قرار می‌گیرند و تغییرات دما به دلیل شرایط محیطی یا فرآیندهای نصب ممکن است یکپارچگی ماده را تحت تأثیر قرار دهد. درک چگونگی بروز این تغییرات دما در شرایط کنترل‌شده آزمون کشش، می‌تواند به شیوه‌های نصب بهتر و برنامه‌های نگهداری مناسب‌تر جهت کاهش احتمال شکست زودرس (premature failure) کمک کند.

بسته به پروژه‌ای که ژئوممبران در آن استفاده می‌شود، آگاهی از مقاومت کششی آن به عنوان تابعی از دما می‌تواند ضروری باشد. پژوهش ژانگ (به بخش 1 مراجعه شود)، وابستگی قابل‌توجه رفتار کششی ژئوممبران PVC به دما را نشان داد [4].

همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، استانداردهای مختلف برای تعیین مقاومت کششی ژئوممبران‌ها بر پایه شرایط دمایی ثابت در آزمایشگاه بنا شده‌اند. این دمای ثابت آزمون از یک استاندارد به استاندارد دیگر متفاوت است (به جدول 1 مراجعه شود). این دما ممکن است 21°C ±2°C یا 23°C ±2°C باشد. این پژوهش نشان می‌دهد که دمای داخلی یک ژئوممبران می‌تواند در طول یک آزمون کشش تک‌جهته انجام‌شده با سرعت استاندارد، چندین درجه افزایش یابد؛ امری که می‌تواند رفتار مکانیکی ژئوممبران را تغییر دهد و به‌طور بالقوه منجر به خواصی متناظر با دمایی بالاتر از دمای آزمون استاندارد گردد. بنابراین، در مواردی که آگاهی دقیق از رفتار مکانیکی ژئوممبران (جهت تعیین ابعاد و طراحی) به عنوان تابعی از دما برای مهندسان حائز اهمیت است، ممکن است استانداردها چندان مناسب نباشند.

یکی از چشم‌اندازهای این پژوهش، ارزیابی تأثیر سرعت آزمون کشش تک‌جهته بر افزایش دمای داخلی ژئوممبران‌ها است. این موضوع به تعیین نرخ کشش مناسب‌تر برای آزمون ژئوممبران‌ها در کشش تک‌محوره (uniaxial tension) کمک خواهد کرد؛ نرخی که در حین آزمون موجب افزایش دمای داخلی نشود و با شرایط واقعی کارگاهی تطابق بیشتری داشته باشد. این پژوهش همچنین هشداری برای مهندسان طراح خواهد بود تا شرایط واقعی کارگاه را در طراحی‌های خود مد نظر قرار دهند؛ زیرا استانداردها تنها برای یک پیکربندی واحد تنظیم شده‌اند که عمدتاً با هدف کنترل یکنواخت تولید در سطح یک منطقه طراحی شده‌اند.

5 نتیجه‌گیری

در این مقاله، تغییرات دمای داخلی انواع مختلف ژئوممبران ناشی از پدیده خودگرمایش (self-heating) تحت آزمون کشش تک‌محوره استاندارد، با استفاده از دوربین مادون قرمز حرارتی (thermal infrared camera) محاسبه و ارزیابی شده است.

از نتایج به‌دست‌آمده می‌توان استنباط کرد که دمای داخلی تمامی ژئوممبران‌های مورد آزمایش در طول آزمون دچار تغییر می‌شود. برای ژئوممبران قیری (bituminous geomembrane)، این تغییر چندان چشمگیر نیست (کمتر از 1℃)، اما برای سایر ژئوممبران‌ها تغییرات قابل‌ملاحظه‌ای مشاهده شد (تا 7℃ برای PVC، 6℃ برای PP، 14℃ برای HDPE و 3℃ برای EPDM). اختلاف در میزان تغییرات دما را می‌توان به ترکیب شیمیایی (chemical composition) ژئوممبران‌های مختلف نسبت داد.

از آنجا که رفتار مکانیکی ژئوممبران‌ها حساس به دما (temperature sensitive) است، این تغییر دمای داخلی مشاهده‌شده ناشی از خودگرمایش ژئوممبران‌ها حین آزمون کشش تک‌محوره، می‌تواند بر رفتار ماده اثر بگذارد. باید یادآور شد که این آزمایش‌ها در دمای استاندارد آزمایشگاهی انجام شده‌اند؛ بنابراین، چنانچه آزمایش‌ها در دمایی متفاوت از دمای استاندارد آزمایشگاه انجام گیرند، میزان تغییرات دمای داخلی می‌تواند متفاوت باشد. علاوه بر این، شدت اثرگذاری بر رفتار مکانیکی ناشی از این تغییر دمای داخلی نیز متناسب با آن تغییر خواهد کرد.

قدردانی

این پژوهش بخشی از یک رساله دکتری است که در آزمایشگاه ژئوسنتتیک‌ها (geosynthetics) در مؤسسه ملی تحقیقات کشاورزی، غذا و محیط زیست (INRAE) واقع در اکس-آن-پرووانس، فرانسه انجام شده است. این رساله در چارچوب پروژه «BECCA» و با حمایت مالی اتحادیه اروپا تحت برنامه INTERREG ALCOTRA به انجام رسیده است.