بررسی تجربی پاسخ ژئوممبران PVC به حالت‌های مختلف بارگذاری کششی

منبع: Nesrin Akel, Laurent Josseaume, Guillaume Stoltz, Antoine Wautier, Nathalie Touze, François Nicot. «Experimental investigation of a PVC geomembrane response to different tensile loading modes». E3S Web of Conferences (EDP Sciences)، ۲۰۲۵. doi.org/10.1051/e3sconf/202564402018

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: شکلی از همین مقاله (مجوز CC BY 4.0).

نسرین آکل (Nesrin Akel)، لوران ژوسوم (Laurent Josseaume)، گیوم استولتز (Guillaume Stoltz)، آنتوان ووتیه (Antoine Wautier)، ناتالی توز (Nathalie Touze) و فرانسوا نیکو (François Nicot)

چکیده

ژئوممبران‌ها برای تحمل اثرات مکانیکی (mechanical actions) طراحی نشده‌اند؛ با این حال، یکی از دلایل اصلی اختلال در خواص آب‌بندی (waterproofing properties) آن‌ها به نیروهای کششی (tensile forces) غیرمنتظره‌ای نسبت داده می‌شود که ممکن است در طول عمر مفید (service life) آن‌ها ایجاد شده و بالقوه به شکست (failure) منجر گردند. با توجه به این مسئله دقیق و حساس، این مطالعه بر مشخصه‌یابی رفتار کششی (tensile behaviour) ژئوممبران‌های پلی‌وینیل کلراید (Polyvinyl Chloride - PVC) از طریق ارزیابی معیارهای شکست (failure criteria) آن‌ها بر حسب مقاومت (resistance) و ازدیاد طول (elongation) تمرکز دارد. محدوده وسیعی از نرخ‌های بارگذاری کششی (tensile loading rates) اعمال شد تا اثرات وابسته به نرخ (rate-dependent effects) بر خواص نهایی (ultimate properties) ماده مورد بررسی قرار گیرد. علاوه بر این، آزمون‌های بلندمدت تکمیلی خزش (creep) به منظور بررسی تأثیر وزن بارگذاری (loading weight) بر آستانه‌های شکست (failure thresholds) انجام گرفت. بر اساس این نتایج، این پژوهش اثبات می‌کند که رفتار خزش را می‌توان از طریق آزمون‌های کشش پیش‌بینی کرد، مشروط بر آنکه شرایط محیطی ثابت بماند. نتایج به‌دست‌آمده بر نقش مهم نرخ‌های بارگذاری بر عملکرد ژئوممبران (GM) تأکید کرده و مبنایی محکم برای طراحی مهندسی فراهم می‌آورد.

1 مقدمه

ژئوممبران‌ها که نوع خاصی از ژئوسنتتیک‌ها (geosynthetics) هستند، نقش مهمی را به عنوان موانع نفوذناپذیر (barriers) جهت محدود کردن مهاجرت سیالات (fluid migration) ایفا می‌کنند. در دهه گذشته، این محصولات به عنوان ابزاری مهم در نظر گرفته شده‌اند که در توسعه پایدار (sustainable development) و مدیریت منابع (resource management) مشارکت دارند [1,2].

ژئوممبران پلی‌وینیل کلراید (PVC) به دلیل انعطاف‌پذیری و تغییرشکل‌پذیری (flexibility and deformability) چشمگیر خود، یکی از پرکاربردترین ژئوممبران‌ها در سدها و کانال‌ها به شمار می‌رود [3]. اگرچه این محصول برای تحمل اثرات مکانیکی طراحی نشده است، اما ممکن است در حین نصب (مانند بتن‌ریزی درجا، قرار دادن بلوک‌های بتنی یا حتی خاک، نصب نامناسب و مشکلات اجرایی) یا در طول عمر مفید خود (مانند زمین‌لرزه، تماس با اجسام صلب زاویه‌دار، اثرات باد و تضعیف بستر خاکی (subgrade)) نیروهای کششی داخلی غیرمنتظره‌ای را تجربه کند. این امر پیامدهای ناگوار گوناگونی را به دنبال دارد که از هدررفت سیال ذخیره‌شده تا خرابی سازه‌ای (structural failure) متغیر است [4,5]. بنابراین، در کنار خواص آب‌بندی، خواص مکانیکی ژئوممبران نیز از ملاحظات اساسی مهندسان در هنگام طراحی سیستم‌های آب‌بندی محسوب می‌شود.

مهندسان معمولاً برای طراحی سیستم‌های آب‌بندی در کل طول عمر مفید به آزمون‌های کوتاه‌مدت آزمایشگاهی تکیه می‌کنند. آزمون‌های کشش تک‌محوره (uniaxial tensile tests) که مستقیم‌ترین رویکرد تجربی به شمار می‌روند، برای تعیین خواص مکانیکی مواد از نظر رفتار تنش-کرنش (stress-strain behaviour) مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، استاندارد اروپایی EN12311 [6]، نرخ کشش 100 mm/min را برای انجام آزمون کشش تک‌محوره تعیین می‌کند که ممکن است سناریوهای برجا (in-situ) را به دقت بازتاب ندهد. از این رو، بررسی چگونگی تأثیر توزیع نیروها (یعنی نرخ بارگذاری) بر خواص مکانیکی ژئوممبران PVC [7] از اهمیتی کلیدی برخوردار است تا به مهندسان در پیش‌بینی و ارزیابی بهتر رفتار ژئوممبران کمک کند.

برای پاسخ به این پرسش، مطالعه حاضر به بررسی چگونگی تأثیر این نیروها بر مقاومت کششی (tensile strength) و ازدیاد طول در شکست (elongation at failure) در کوتاه‌مدت و بلندمدت از طریق ارزیابی اثر وابسته به نرخ می‌پردازد. آزمون‌های کشش تک‌محوره در دامنه وسیعی از نرخ‌های کشش، از 0.01 تا 500 mm/min انجام شده‌اند. علاوه بر این، آزمون‌های خزش تحت وزن‌های بارگذاری متغیر انجام می‌گیرند تا تأثیر آن‌ها بر رفتار خزش ارزیابی شده و خواص نهایی و معیارهای شکست بلندمدت تعیین گردد.

نتایج حاصل از این آزمون‌ها با ارائه یک تحلیل جامع و تکمیلی و ارائه بینش‌های حیاتی در مورد عملکرد ژئوممبران تحت شرایط مختلف بارگذاری، به مهندسان کمک می‌کند تا یک سیستم آب‌بندی را با استفاده از ژئوممبران PVC با اطمینان طراحی کنند.

2 مواد و روش‌شناسی

2.1 مواد و آماده‌سازی نمونه‌ها

نوع ژئوممبران مورداستفاده در این پژوهش با دقت انتخاب شد تا اثر افزودنی‌ها (additives)، از جمله آنتی‌اکسیدان‌ها (antioxidants)، پرکننده‌ها (fillers)، دوده (carbon black) و بازدارنده‌های شعله (fire retardants) بر صحت و درستی نتایج پژوهش به حداقل برسد.

در طول کل این برنامه تجربی، یک ژئوممبران شفاف پلی‌وینیل کلراید (PVC) با ضخامت 3 mm به کار گرفته شد که متشکل از رزین PVC (PVC resin)، نرم‌کننده (plasticizer) و پایدارکننده (stabilizer) بود. این فرمولاسیون به‌طور ویژه برای یک پروژه تونل طراحی شده بود.

با اتخاذ چنین ترکیبی، این انتخاب ارزیابی دقیق‌تر ویژگی‌های بنیادین ژئوممبران‌های PVC را تسهیل نموده و تضمین می‌کند که یافته‌ها بدون تأثیرپذیری از حضور افزودنی‌ها حاصل شوند.

نمونه‌ها به‌طور تصادفی از یک رول ژئوممبران PVC برداشته شده و با استفاده از یک کاتر استاندارد، به صورت نمونه‌های دمبلی‌شکل (dumbbell-shaped specimens) برش داده شدند که ابعاد آن‌ها با مشخصات استاندارد اروپایی EN12311 (روش B) [6] مطابقت دارد.

دو نقطه مرجع نشانه‌گذاری با استفاده از یک شابلون روی سمت کم‌براق‌تر نمونه قرار داده شد. این نقاط برای اندازه‌گیری ازدیاد طول نسبی طولی (relative longitudinal elongation) نمونه در نظر گرفته شدند.

2.2 دستگاه‌ها و روش آزمون

در این پژوهش دو نوع آزمون انجام شد: آزمون‌های کوتاه‌مدت از طریق کشش تک‌محوره و آزمون‌های بلندمدت از طریق آزمون خزش. تمامی آزمون‌ها در دمای کنترل‌شده 23 ± 2 °C و رطوبت نسبی بین 30% تا 70% انجام گرفتند.

2.2.1 آزمون کشش تک‌محوره

بررسی تأثیر وابستگی به نرخ بر مقاومت کششی و کرنش در شکست (strain at failure) از اهمیت بسزایی برخوردار است، چرا که برای ارزیابی دقیق مقاومت ماده و...

...ازدیاد طول پیش از شکست (elongation before failure)، و در نتیجه جهت‌دهی به تصمیم‌گیری‌های طراحی مهندسی در پروژه‌های هیدرولیکی (hydraulic projects).

چیدمان آزمون (test setup) شامل یک دستگاه آزمون کشش (tensile testing machine) مجهز به فک‌های (grips) بالایی و پایینی برای نگه داشتن نمونه (specimen)، و یک حسگر نیرو (force sensor) با ظرفیت بارگذاری (loading capacity) کافی (حداقل 2000 N) است، همان‌طور که در شکل 1 نشان داده شده است. فاصله آزاد بین فک‌ها مطابق با همان استاندارد، 80 mm تعیین شده است.

روند آزمون شامل قرار دادن یک نمونه ژئوممبران پی‌وی‌سی (PVC GM) تحت کشش مداوم (continuous stretching) با یک نرخ جابه‌جایی ثابت (constant displacement rate) است. یک اکستنسومتر ویدئویی (video extensometer) برای اندازه‌گیری جابه‌جایی نسبی بین دو نشانگر (markers) از پیش تعیین‌شده بر روی نمونه به کار گرفته می‌شود. به‌طور هم‌زمان، یک سامانه داده‌برداری (acquisition system) به‌صورت پیوسته هم نیروی کششی (tensile force) و هم جابه‌جایی نسبی طولی (longitudinal relative displacement) متناظر در نمونه را ثبت می‌کند. آزمون با وقوع شکست (failure) پایان می‌یابد.

بر اساس استاندارد اروپایی EN12311 (AFNOR 2013) [6] که روش‌های تعیین خواص کششی (tensile properties) ورق‌های پلاستیکی و لاستیکی را مشخص می‌کند، سرعت 100 mm/min توصیه شده است. با این حال، در این پژوهش طیف گسترده‌ای از نرخ جابه‌جایی از 0.01 تا 500 mm/min به کار گرفته شده است. برای هر سرعت کشش، دست‌کم سه آزمون تکرارپذیری (repeatability tests) انجام شده است. این محدوده از نرخ‌های جابه‌جایی، امکان درک جامعی از پاسخ ماده به شرایط بارگذاری مختلف را فراهم می‌آورد.

حاصل این آزمون یک منحنی نیرو-کرنش (force-strain curve) است که در آن، کرنش نشان‌دهنده کرنش مهندسی (engineering strain) (یعنی کرنش بی‌نهایت کوچک (infinitesimal strain)) است که به‌صورت نسبت طول افزایشی به طول اولیه در معادله (1) بیان می‌شود.

𝜀_aE = ΔL / L₀ = (L_f − L₀) / L₀      (1)

که در آن 𝜀_aE کرنش مهندسی محوری (axial engineering strain) یا کرنش بی‌نهایت کوچک، L₀ طول نسبی اولیه بین دو نقطه نشانه‌گذاری‌شده از پیش تعیین‌شده بر روی نمونه، و L_f فاصله نهایی میان آن‌ها است.

شکل 1. چیدمان آزمون کشش تک‌محوری.

2.2.2 آزمون خزش (Creep test)

بررسی‌ها از طریق آزمون‌های خزش (creep tests) با هدف ارزیابی مشخصات بلندمدت (long-term characteristics) مواد تحت تنش ثابت (constant stress) انجام می‌شوند. این امر به‌ویژه در مهندسی اهمیت دارد، زیرا تأثیر بسزایی بر طراحی و انتخاب ژئوممبران (geomembrane) می‌گذارد. این آزمون‌ها برای ارزیابی وابستگی به نرخ (rate dependency) در نرخ‌های کشش آهسته طی دوره‌های طولانی طراحی شده‌اند.

این چیدمان شامل یک قاب ثابتِ تازه‌نصب‌شده است که نمونه ژئوممبران را به‌طور ایمن نگه می‌دارد. دو سوراخ در بخش مقطع ناهمگن نمونه ایجاد شده است. بخش بالایی نمونه با استفاده از یک پیچ و واشر که آن را در حین آزمون روی قاب محکم نگه می‌دارد، مهار شده است. در بخش پایینی، همان‌طور که در شکل 2 مشاهده می‌شود، یک قلاب به نمونه متصل شده است. این قلاب به میله‌ای متصل می‌شود که دارای یک سکوی چوبی برای اعمال وزن است. سپس با آویزان کردن تدریجی وزنه‌ها بر روی سکو، یک بار ثابت اعمال می‌شود که نیروی کششی تک‌محوری ثابتی را وارد می‌سازد.

برای اندازه‌گیری تغییر شکل در طول زمان، جابه‌جایی نسبی بین دو نقطه نشانه‌گذاری‌شده بر روی نمونه با استفاده از یک کولیس (caliper) اندازه‌گیری می‌شود. علاوه بر این، یک دوربین در مقابل میز آزمون (test bench) تعبیه شده است تا زمان دقیق شکست نمونه را با دقت ثبت کند.

مجموعه‌ای از آزمون‌های خزش در سطوح بار مختلف (100، 110، 120، 140، 150، 200 و 250 N) برای بررسی مشخصات خزش ژئوممبران تحت تنش کششی تک‌محوری انجام شد. نتیجه این آزمون‌ها یک منحنی کرنش مهندسی-زمان (engineering strain-time curve) است که در آن کرنش همان‌طور که پیش‌تر در معادله (1) نشان داده شد تعریف می‌شود.

شکل 2. قاب آزمون خزش که در آن چندین آزمون خزش به‌طور هم‌زمان انجام می‌شوند.

3 نتایج (Results)

3.1 تحلیل رفتار کوتاه‌مدت (Short-term behaviour analysis)

شکل 3 منحنی‌های نیرو-کرنش مهندسی به‌دست‌آمده از آزمون‌های کشش تک‌محوری انجام‌شده در نرخ‌های کشش مشخص‌شده پیشین را نشان می‌دهد. زمان‌های ثبت‌شده برای شکست، محدوده‌ای از تقریباً 20 ثانیه برای بالاترین سرعت (500 mm/min) تا نزدیک به 11 روز برای کمترین سرعت (0.01 mm/min) را در بر می‌گیرد.

می‌توان نشان داد که این رابطه با تغییر نرخ کشش تک‌محوری اعمال‌شده تغییر می‌کند. به‌ویژه، ماده در نرخ‌های کشش بالاتر مقاوم‌تر می‌شود، در حالی که هم‌زمان در نرخ‌های کشش پایین‌تر رفتار شکل‌پذیرتری (malleable behaviour) از خود نشان می‌دهد.

شکل 4 همبستگی بین حداکثر مقاومت نیرویی و کرنش مهندسی در هنگام شکست را با نرخ کشش نشان می‌دهد. آشکار است که هر دو آستانه شکست از نظر مقاومت ماده و ازدیاد طول (elongation)، با افزایش نرخ کشش افزایش می‌یابند. با افزایش نرخ کشش از 0.01 mm/min به 500 mm/min، نیروی شکست یک روند خطی صعودی قابل‌توجه در مقیاس لگاریتمی (log scale) نشان می‌دهد و از تقریباً 150 N به 325 N می‌رسد (شکل 4 (چپ)). به همین ترتیب، کرنش مهندسی در هنگام شکست با نرخ‌های بارگذاری بالاتر افزایش می‌یابد و در 500 mm/min به حدود 390% می‌رسد. در مقابل، در نرخ بارگذاری پایین‌تر 0.01 mm/min، ماده ازدیاد طولی در حدود 250% از طول اولیه خود را نشان می‌دهد (شکل 4 (راست)).

بنابراین، مقاومت مکانیکی و ازدیاد طول در هنگام شکست ژئوممبران پی‌وی‌سی به‌طور چشمگیری وابسته به نرخ (rate-dependent) است که لزوم در نظر گرفتن نرخ بارگذاری را در حین آزمون‌های آزمایشگاهی خاطرنشان می‌سازد.

در نرخ‌های ازدیاد طول بالا (بیش از 50 mm/min)، به نظر می‌رسد نیروی شکست (force at break) ثابت باقی می‌ماند. اگرچه علت دقیق آن نامشخص است، اما ممکن است با ناهمگنی ماده (material heterogeneity) مرتبط باشد. برای تأیید این فرضیه، آزمون‌های تکرارپذیری و تحلیل‌های بیشتری مورد نیاز است.

شکل 3. منحنی‌های نیرو-کرنش مهندسی به‌دست‌آمده از آزمون‌های کشش تک‌محوری انجام‌شده در نرخ‌های کشش مختلف (mm/min). مقادیر داخل کروشه در راهنما (legend) نشان‌دهنده تعداد آزمون‌های تکرارپذیری انجام‌شده برای هر سرعت کشش است.

شکل 4. تغییرات نیرو و کرنش مهندسی در هنگام شکست بر حسب سرعت کشش.

3.2 تحلیل رفتار خزش (Creep behaviour analysis)

منحنی‌های کرنش خزش (creep strain curves) برای آزمون ژئوممبران تحت بارهای ثابت اعمال‌شده کششی تک‌محوری مختلف بین 100 تا 250 N متغیر بوده و در شکل 5 نشان داده شده‌اند.

از دید نموداری، این منحنی‌ها با یک افزایش آنی در تنش مشخص می‌شوند که به دنبال آن کاهشی تدریجی رخ می‌دهد تا زمانی که به یک رژیم شبه‌پایدار (quasi-stable regime) برسد؛ زمانی که در آن نمونه دچار شکافتگی می‌شود (یعنی گسیختگی (rupture) تحت بارهای بالا).

بارهای بالاتر (200 N و بیشتر) باعث می‌شوند کرنش خزش به‌سرعت رشد کرده و پیش از وقوع شکست، با سرعت بیشتری به حالت شبه‌پایدار برسد. در بارهای متوسط (130 تا 150 N)، کرنش خزش به‌صورت تدریجی‌تری افزایش می‌یابد و رسیدن کرنش به وضعیت شبه‌پایدار زمان بسیار بیشتری (از ساعت‌ها تا روزها) به طول می‌انجامد که پس از آن گسیختگی نمونه رخ می‌دهد. بارهای پایین‌تر (بین 100 تا 120 N) افزایش تدریجی در کرنش خزش را نشان می‌دهند که رسیدن به حالت شبه‌پایدار در آن‌ها روزها تا ماه‌ها زمان می‌برد.

شکل 5. منحنی‌های کرنش خزش در تنش‌های ثابت 250، 200، 150، 140، 130، 120، 110 و 100 N که نقطه آخر نشان‌دهنده شکست است. برای بارهای یکسان، نتایج به دلیل ناهمگنی ماده نوسان نشان می‌دهند.

شکل 6 زمان لازم برای شکست نمونه‌های پی‌وی‌سی را تحت بارهای ثابت مختلف نشان می‌دهد. نتایج آشکار می‌سازد که زمان شکست حتی در بار یکسان نیز متغیر است، که به احتمال زیاد ناشی از ناهمگنی ماده است که بر رفتار آن تأثیر می‌گذارد. علاوه بر این، زمان خزش تا گسیختگی (creep time to rupture) با افزایش بار کاهش می‌یابد که نشان‌دهنده همبستگی مستقیم بین بار اعمال‌شده و سرعتی است که ماده به سمت شکست پیش می‌رود.

شکل 7 کرنش خزش مشاهده‌شده در هنگام شکست را تحت وزنه‌های بارگذاری مختلف ارائه می‌دهد. این نمودار یک گرایش خطی را میان نیروی اعمال‌شده و کرنش خزش در هنگام شکست به تصویر می‌کشد. بنابراین، باری که در آن نمونه دچار شکافتگی می‌شود (یعنی گسیختگی نمونه) را می‌توان با کرنش مشاهده‌شده در شکست مرتبط دانست.

در نتیجه، همان‌طور که در شکل 6 و شکل 7 نشان داده شده است، ژئوممبران رفتار خزش قابل‌توجهی را تحت بارهای کششی مختلف نشان می‌دهد، به‌طوری که بارهای بالاتر هم به کرنش بزرگ‌تر و هم به نرخ کرنش سریع‌تر منجر می‌شوند.

شکل 6. زمان شکست ناشی از خزش در تنش‌های ثابت اعمال‌شده مختلف.

شکل 7. کرنش در هنگام شکست در تنش‌های ثابت اعمال‌شده مختلف.

یک مقیاس لگاریتمی (logarithmic scale) نمایش مؤثرتری از رفتار خزش ارائه می‌دهد، همان‌گونه که در شکل 8 نشان داده شده است؛ جایی که کرنش خزش خطی یکنواختی معمولاً در طول زمان در یک مقیاس لگاریتمی مشاهده می‌شود. علاوه بر این، نشان می‌دهد که حتی در یک بار اعمال‌شده آهسته‌تر (100 N)، ماده با نرخ کندتری به تغییر شکل ادامه می‌دهد بدون آنکه کاملاً به یک حالت ایستا یا فلات (plateau) برسد.

برای تحلیل عمیق‌تر رفتار خزش، نمودار شربی و دورن [8] (Sherby and Dorn plot) به‌عنوان ابزاری ارزشمند برای شناسایی مراحل مختلف خزش به کار می‌رود. این نمودار، نرخ کرنش خزش (creep strain rate) را در برابر کرنش خزش در یک مقیاس لگاریتمی نمایش می‌دهد و دید واضحی از چگونگی تحول نرخ خزش با افزایش کرنش ارائه می‌کند. بر اساس [9]، رفتار خزش ژئوسنتتیک‌ها (geosynthetics) را می‌توان به چهار مرحله مجزا تقسیم کرد.

شکل 8. منحنی‌های کرنش خزش در تنش‌های ثابت اعمال‌شده مختلف در مقیاس زمانی لگاریتمی.

فاز اولیه، یعنی مرحله کرنش آنی (instantaneous strain stage)، بلافاصله پس از اعمال بار رخ می‌دهد. پس از آن، مرحله کرنش خزش اولیه (primary creep strain stage) قرار دارد که با کاهش نرخ کرنش خزش (creep strain rate) همگام با افزایش کرنش خزش (creep strain) مشخص می‌شود. سپس مرحله خزش ثانویه (secondary creep stage) فرا می‌رسد که در آن نرخ خزش ثابت یا پایدار (steady) می‌گردد. در نهایت، در مرحله خزش ثالثیه (tertiary creep stage)، افزایش سریعی در کرنش خزش رخ می‌دهد که به شکست ماده (material failure) می‌انجامد.

با تحلیل شکل 9، مشاهده می‌شود که در بارهای بالاتر (250-200 N)، نرخ کرنش خزش به‌سرعت کاهش می‌یابد که نشان‌دهنده یک تغییرشکل آنی (instantaneous deformation) است و متعاقب آن گسیختگی نمونه‌ها (specimens split) (یعنی شکست) بدون رفتار خزشی چشمگیر رخ می‌دهد.

با کاهش بار اعمال‌شده (150 N و کمتر)، مرحله اولیه شناسایی می‌شود و مدت‌زمان آن طولانی‌تر می‌گردد، که این امر با بازه زمانی طولانی‌تری از کاهش تدریجی نرخ کرنش مشخص است. جالب توجه است که مرحله حالت پایدار (steady-state stage) (یعنی مرحله خزش ثانویه) و مرحله خزش ثالثیه شناسایی نشدند. این مراحل ممکن است وجود نداشته باشند، که نشان می‌دهد این ماده در تنش‌های پایین‌تر تنها مرحله خزش اولیه را از خود نشان می‌دهد.

شکل 9. نرخ کرنش خزش در برابر کرنش خزش.

4 بحث

بر اساس این نتایج مکمل، پرسشی پیرامون خواص ذاتی شکست (intrinsic failure properties) ماده مطرح می‌شود؛ مبنی بر این‌که آیا معیار شکست (failure criterion) اساساً کرنش‌محور (strain-based)، تنش‌محور (stress-based) یا ترکیبی از هر دو است.

به‌منظور بررسی این پرسش، شکل 7 نشان می‌دهد که با اعمال سریع بار خزش (creep load) معادل 250 N (از 0 تا 250 N)، ماده در کرنش تقریبی 350% دچار شکست می‌شود. نرخ کرنش معادل (equivalent strain rate)، که از تقسیم کرنش در نقطه شکست بر زمان تا شکست به دست می‌آید، در حدود 5 mm/min محاسبه شد. در مقایسه با منحنی‌های نیرو-کرنش حاصل از شکل 4، مشاهده می‌شود که در سرعت کشش 1 mm/min—که مرتبه بزرگی مشابهی با نرخ کرنش خزش معادل (5 mm/min) دارد—تنش در نقطه شکست در محدوده بین 250 تا 270 N با کرنش‌های متناظر بین 300% تا 350% قرار می‌گیرد. به همین ترتیب، شکل 10 نیرو و کرنش مهندسی (engineering strain) در نقطه شکست را متناظر با هر نرخ کشش در آزمون‌های کشش (tensile tests) (انجام‌شده با نرخ کشش ثابت) و آزمون‌های خزش نشان می‌دهد. به‌طور جالب‌توجهی، نتایج حاکی از انطباق مطلوب میان آزمون‌ها است؛ به این معنا که عملکرد خزشی ماده (یعنی استحکام و کرنش) می‌تواند بر اساس پاسخ آن در آزمون‌های کشش با نرخ بارگذاری (loading rate) ثابت، تحت شرایط محیطی یکسان، قابل پیش‌بینی باشد. علاوه بر این، یک نرخ کشش بسیار پایین (10^-5) از طریق آزمون خزش حاصل شده است.

شکل 10. نیرو و کرنش مهندسی در نقطه شکست برای هر نرخ کشش در آزمایش‌های بلندمدت و کوتاه‌مدت.

این واقعیت که شکست در مقادیر تنش و کرنش سازگاری در هر دو آزمون خزش و کشش تک‌محوری (uniaxial tensile tests) رخ می‌دهد، نشان می‌دهد که شکست ماده صرفاً با فراتر رفتن از یک تنش مشخص (معیار صرفاً تنش‌محور) یا آستانه کرنش معین (معیار صرفاً کرنش‌محور) کنترل نمی‌شود. در عوض، با کاهش نرخ بارگذاری، استحکام و کرنش در نقطه شکست کاهش می‌یابند. این موضوع بیانگر آن است که در شرایطی که اثر ویسکوزیته (viscosity) حتی در نرخ‌های بارگذاری بسیار پایین پایدار می‌ماند، معیارهای شکست را نمی‌توان به‌سادگی تعریف کرد. جهت تدقیق بیشتر نتایج، انجام آزمون‌های تکرارپذیری بیشتر در نرخ‌های کشش پایین ضروری است.

5 نتیجه‌گیری

این پژوهش با هدف درک پاسخ ژئوممبران PVC (PVC geomembrane یا PVC GM) به نیروهای کششی غیرمنتظره‌ای که ممکن است تحت سناریوهای مختلف بروز کنند انجام شده است؛ موضوعی که مهندسان را در زمان طراحی سیستم‌های آب‌بندی (waterproofing systems) با چالش مواجه می‌سازد.

این مطالعه نشان می‌دهد که ماده مورد بررسی رفتاری وابسته به نرخ (rate-dependent behaviour) دارد، به‌گونه‌ای که نرخ‌های بارگذاری بالاتر موجب افزایش مقاومت و ازدیاد طول در نقطه شکست (elongation at failure) می‌شود. نتایج آزمون خزش در بارهای بالا بیانگر آن است که بارهای بیشتر به کرنش بزرگ‌تر در نقطه شکست و نرخ کرنش بالاتر منجر می‌شوند. این امر دلالت بر همبستگی قوی میان تنش اعمال‌شده و کرنشی دارد که شکست در آن به وقوع می‌پیوندد.

بر پایه این نتایج مکمل، این پژوهش اثبات می‌کند که خواص خزش را می‌توان از طریق آزمون‌های کشش انجام‌شده با نرخ بارگذاری ثابت پیش‌بینی کرد، مشروط بر آن‌که شرایط محیطی یکسان باشد (یعنی دمای ثابت، و عدم قرارگیری در معرض تابش فرابنفش (UV radiation) و رطوبت). همچنین، اثبات شده است که اثر ویسکوزیته بر خواص شکست (یعنی استحکام و تنش در نقطه شکست) حتی تحت نرخ‌های بارگذاری بسیار آهسته نیز تداوم دارد. به‌طور معمول، آستانه شکست از نظر استحکام و کرنش با نرخ‌های بارگذاری بالاتر افزایش پیدا می‌کند.

از دیدگاه ایمنی مهندسی، آزمون‌های آزمایشگاهی نسبتاً کوتاه‌مدت که برای پیش‌بینی مقاومت ژئوممبران‌های PVC انجام می‌شوند، باید در نرخ‌های پایین‌تری که در شرایط کارگاهی (field) انتظار می‌رود، انجام گیرند. این موضوع به دلیل پیامدهای وابستگی به نرخ اهمیت دارد که مستلزم اندازه‌گیری‌های صحیح استحکام نهایی ذاتی (intrinsic ultimate strength) و تغییرشکل به‌منظور کاهش خطر شکست زودهنگام (premature failure) است. اتکای انحصاری به آزمون‌های انجام‌شده در سرعت 100 mm/min مطابق با استاندارد اروپایی EN12311، رویکردی محافظه‌کارانه نیست، چرا که شکست‌ها در سرعت‌های کمتر در زمان زودتری رخ داده‌اند.

نتایج مورد بحث در این پژوهش منحصر به ژئوممبران مورد مطالعه است و تعمیم آن به سایر انواع ژئوممبران‌ها که در آن‌ها افزودنی‌های دیگر (مانند آنتی‌اکسیدان‌ها (antioxidants)، پرکننده‌ها (fillers)، دوده (carbon black) و بازدارنده‌های شعله (fire retardants)) نیز ممکن است بر رفتار مکانیکی اثر بگذارند، باید با احتیاط انجام پذیرد.

قدردانی

این پژوهش با حمایت مؤسسه ملی تحقیقات کشاورزی، غذا و محیط زیست فرانسه (INRAE) و منطقه جنوب فرانسه، پروانس-آلپ-کوت دازور (PACA) انجام شده است؛ همچنین بودجه اجرایی آن توسط شریک صنعتی EGC Galopin تأمین گردیده است.