تأثیر خراش‌ها بر خواص مکانیکی و نفوذناپذیری ژئوممبران‌های PVC-P

منتشر شده در ۲۲ مهر ۱۴۰۵ ۳۸ دقیقه مطالعه تیم آرابل

منبع: Xianlei Zhang, Kefan Jiao, Shaoshuai Ma, Yunyun Wu. «Effect of Scratches on Mechanical Properties and Impermeability of PVC-P Geomembranes». Polymers (MDPI)، ۲۰۲۵. doi.org/10.3390/polym17030277

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).

نویسندگان: شیان‌لی ژانگ، کفان جیائو، شائوشوای ما و یونیون وو

چکیده

ژئوممبران‌های (geomembranes - GMBs) پلی‌وینیل کلراید نرم‌شده (plasticized polyvinyl chloride - PVC-P) در پروژه‌های حفاظت آب و سازه‌های هیدرولیکی به دلیل اجرای نامناسب مستعد ایجاد خراش‌های فیزیکی (physical scratches) هستند. به منظور بررسی خواص مکانیکی (mechanical properties) و نفوذناپذیری (impermeability) ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراشیدگی تحت ترکیب‌های گوناگونی از زاویه، طول و عمق خراش، آزمون‌های کشش محوری (axial tensile tests) و آزمون‌های نفوذپذیری (permeability tests) انجام شد. این هدف از طریق ارزیابی استحکام شکست (break strength)، ازدیاد طول تا شکست (break elongation)، مدول یانگ (Young’s modulus) و ضریب نفوذپذیری (permeability coefficient) محقق گردید. نتایج نشان داد که خراش‌های فیزیکی موجب تضعیف خواص مکانیکی ژئوممبران‌های PVC-P می‌شوند و برهم‌کنش‌هایی میان عوامل مؤثر مشاهده شد. تأثیر خراش‌ها بر ازدیاد طول تا شکست و استحکام شکست بیشتر از تأثیر آن‌ها بر مدول یانگ بود و عمق خراش تحت شرایط یکسان، بارزترین تأثیر را بر خواص مکانیکی بر جای گذاشت. در عمل، ایجاد خراش بر روی ژئوممبران‌های PVC-P باید به حداقل برسد؛ با این حال، خراش‌هایی که فاقد ترک‌های نافذ (penetrating cracks) در امتداد جهت ضخامت و فاقد تغییر شکل کششی باشند، تأثیر ناچیزی بر نفوذناپذیری دارند. همچنین، آستانه شکست (failure threshold) ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش به همراه عمق، زاویه و طول خراش‌های تأثیرگذار بر بهره‌برداری پروژه تعیین شد. این یافته‌ها مرجعی را برای ارزیابی این‌که آیا ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش ایمنی پروژه‌ها را به خطر می‌اندازند یا خیر، فراهم می‌آورد.

واژگان کلیدی: ژئوسنتتیک‌ها (geosynthetics)؛ ژئوممبران PVC-P؛ خراش‌ها؛ خواص مکانیکی؛ نفوذناپذیری.

1. مقدمه

ژئوممبران‌های پلی‌وینیل کلراید نرم‌شده (PVC-P) به دلیل نفوذناپذیری استثنایی، انطباق‌پذیری بالا با تغییر شکل، سهولت اجرا و مقرون‌به‌صرفه بودن، کاربرد گسترده‌ای در حوزه‌های گوناگون از جمله سدها، لندفیل‌ها (landfills)، صنایع معدنی و تونل‌های انتقال آب (water conveyance tunnels) یافته‌اند [1–4]. بر اساس بولتن شماره 135 کمیسیون بین‌المللی سدهای بزرگ (International Commission on Large Dams - ICOLD)، ژئوممبران‌ها به عنوان مصالح ضد نشت (anti-seepage materials) در مجموع در 167 سد به کار گرفته شده‌اند که در 86 مورد از آن‌ها ژئوممبران‌های PVC-P مورد استفاده قرار گرفته است و تقریباً 45 درصد از کل را شامل می‌شود. علاوه بر این، این مصالح در 126 سد خاکی-سنگریزه‌ای کوچک نیز به کار رفته‌اند که سهم ژئوممبران‌های PVC-P در حدود 43 درصد بوده است [5]. توسعه نیروگاه‌های تلمبه‌ذخیره‌ای (pumped storage power stations) در چین، محدودیت انطباق‌پذیری با تغییر شکل، چالش‌های ترمیم زیر آب و هزینه‌های بالای دال‌های بتنی یا بتن آسفالتی نسبتاً صلب در مساحت‌های وسیع را آشکار ساخته است. در نتیجه، تمایل فزاینده‌ای برای بهره‌گیری از ژئوممبران‌ها—به‌ویژه ژئوممبران‌های PVC-P—به عنوان مصالح ضد نشت در حوضچه مخازن ایجاد شده است. با وجود طول عمر مفید بالای ژئوممبران‌های PVC-P [6,7]، این پوشش‌ها ممکن است در معرض آسیب‌های فیزیکی نظیر چین‌وچروک (wrinkles) و خراشیدگی‌های ناشی از حمل‌ونقل، عملیات ساخت و نصب، دما و ذرات لایه بستر (cushion particles) قرار گیرند [8–10] که می‌تواند عمر مفید پروژه را تحت تأثیر قرار دهد.

ژیرو [11] مقاومت در برابر ترکیدگی و سوراخ‌شدگی (bursting and puncture resistance) ژئوممبران پلی‌اتیلن سنگین (high-density polyethylene - HDPE) را تحت شرایط هیدروستاتیک (hydrostatic conditions) از طریق آزمون‌های آزمایشگاهی تعیین کرد. نارجو و همکاران [12] روشی را برای محاسبه جرم بر واحد سطح (mass per unit area) ژئوممبران‌های HDPE با یک ضریب اطمینان (safety factor) مشخص بر پایه آزمون‌های سوراخ‌شدگی کوتاه‌مدت و بلندمدت ارائه دادند. شو و همکاران [13] خواص مکانیکی ژئوممبران‌های HDPE دارای چین‌وچروک و سوراخ را بررسی کرده و نتیجه گرفتند که وجود سوراخ موجب تسریع در خرابی ژئوممبران می‌شود. استارک و همکاران [14] آزمون‌های ترکیدگی و سوراخ‌شدگی را بر روی ژئوممبران‌های PVC-P انجام دادند و رابطه میان ارتفاع ترکیدگی، نیروی ترکیدگی و ضخامت را بررسی کردند. نوسکو و توز-فولتز [15] نشان دادند که وجود سوراخ در ژئوممبران‌ها به ترکیدگی و سوراخ‌شدگی ناشی از لایه زیرین نسبت داده می‌شود. رو و فن [16] تأثیر هندسه سوراخ بر نشت را بررسی نموده و یک معادله نظری برای پیش‌بینی نشت از طریق سوراخ‌های موجود در ژئوممبران‌های HDPE پیشنهاد کردند. ژیرو و مورل [17] تحلیلی نظری انجام دادند و روابط میان پارامترهای گوناگونی نظیر ارتفاع، عرض و فاصله چین‌وچروک‌ها؛ مدول، ضخامت، چگالی و ضریب انبساط حرارتی (coefficient of thermal expansion) ژئوممبران؛ نوسانات دما؛ و اصطکاک میان ژئوممبران و خاک را به دست آوردند. تیک و همکاران [18] با استفاده از تصویربرداری هوایی و پردازش تصویر دیجیتال (digital image processing) به صورت کمّی نشان دادند که 13.9 درصد از مساحت کل ژئوممبران‌های نمایان با چین‌وچروک پوشیده شده است. گائو و همکاران [19] سازوکار چین‌وچروک در ژئوممبران‌های پیرامون سازه‌های دایره‌ای را تحلیل کردند و به این نتیجه رسیدند که ژئوممبران‌های PVC با انعطاف‌پذیری بالاتر می‌توانند چین‌وچروک‌ها را به طور چشمگیری کاهش دهند. گودینا و براکمن [20] رابطه میان چین‌وچروک ژئوممبران‌ها و بستر (subgrade)، خاکریز (backfill) و فشار خارجی را از طریق آزمایش‌ها بررسی کردند. یافته‌های آن‌ها نشان داد که این چین‌وچروک‌ها تأثیر نامطلوبی بر خواص مکانیکی ژئوممبران‌ها دارند. ژانگ و همکاران [21] از طریق تحلیل تجربی نتیجه گرفتند که چین‌وچروک‌ها خواص مکانیکی ژئوممبران را کاهش می‌دهند. شو و پن [22] آزمون‌های انبساط با مایع (liquid expansion tests) را بر روی ژئوممبران‌های PE و PVC دارای خراش انجام دادند که حاکی از افت خواص مکانیکی آن‌ها تا حدی مشخص بود. شو و همکاران [23] عملکرد انبساط با هوا (air expansion performance) ژئوممبران‌های HDPE را تحت شرایط مهار حلقوی (ring-restrained conditions) بررسی کردند و دریافتند که نواقص موجود در ژئوممبران‌ها نظیر سوراخ‌ها، تاخوردگی‌ها و خراش‌ها، هم فشار ترکیدگی و هم ارتفاع تاج ترکیدگی را کاهش می‌دهند. سن و همکاران [24] رفتارهای کرنش بزرگ موضعی ژئوممبران‌های دارای سوراخ‌های دایره‌ای، ترک‌های افقی و ترک‌های مایل را مورد مطالعه قرار دادند. نمونه‌های ژئوممبران دارای نقص در مقایسه با نمونه سالم، رفتار کششی کاملاً متفاوتی از خود نشان دادند. سن و همکاران [25] آزمون‌های ترکیدگی با نسبت باربری کالیفرنیا (California Bearing Ratio - CBR) را بر روی ژئوممبران‌های دارای خراش، سوراخ و ترک به انجام رساندند و دریافتند که عمق بیشتر خراش به کاهش مقاومت در برابر ترکیدگی ژئوممبران منجر می‌شود. ژانگ و همکاران [26] بر اساس آزمون‌های مکانیکی انجام‌شده روی ژئوممبران‌های گوناگون دارای خراش نتیجه گرفتند که افزایش ضخامت ژئوممبران می‌تواند از افت عملکرد ناشی از خراشیدگی بکاهد.

به طور خلاصه، پژوهش‌های گسترده‌ای بر روی عیوب ژئوممبران‌ها با تمرکز اصلی بر سوراخ‌ها و چین‌وچروک‌های ژئوممبران‌های PE و HDPE انجام شده است. با این حال، پژوهش‌های اندکی در خصوص خراشیدگی در ژئوممبران‌های PVC-P وجود دارد. میزان تأثیر خراش بر خواص مکانیکی و طول عمر مفید ژئوممبران‌های PVC-P بر اساس پیشینه پژوهشی موجود همچنان نامشخص است. بنابراین، بررسی خواص مکانیکی و نفوذناپذیری ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش از اهمیت بسزایی برخوردار است.

هدف از این مقاله، بررسی خواص مکانیکی و نفوذناپذیری ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش است. اهداف پژوهش به بخش‌های زیر تقسیم می‌شوند: (1) انجام آزمون‌های کشش محوری به منظور بررسی تأثیر خراش‌ها بر استحکام شکست، ازدیاد طول و مدول یانگ ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراشیدگی، (2) اجرای آزمون‌های نفوذپذیری جهت ارزیابی نفوذناپذیری ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراشیدگی، (3) تعیین آستانه‌ای برای اثربخشی و کارایی ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراشیدگی.

2. مواد و روش‌ها

2.1. مواد

ژئوممبران تجاری انتخاب‌شده در این پژوهش، یک ژئوممبران PVC-P با ضخامت 2.0 mm بود که با فناوری کلندرینگ یا نورد (calendaring technology) به صورت رولی به طول 45.0 m و عرض 2.0 m تولید شده است. خواص و ویژگی‌های آن در جدول 1 گزارش شده است [27–29].

جدول 1. خواص ژئوممبران‌های PVC-P مورد آزمایش.

ویژگی	روش آزمون	مقدار (T/L)	واحد
ضخامت	ASTM D5199-12 [27]	2.0 ± 0.2	mm
جرم بر واحد سطح	ASTM D5261-10 [28]	17.7	kg/m²
استحکام شکست	ASTM D6693/D6693M-04 [29]	9.65 / 10.10	MPa
ازدیاد طول تا شکست	ASTM D6693/D6693M-04 [29]	310.10 / 280.00	%
استحکام تسلیم (yield strength)	ASTM D6693/D6693M-04 [29]	2.57 / 3.39	MPa
ازدیاد طول در نقطه تسلیم (yield elongation)	ASTM D6693/D6693M-04 [29]	49.85 / 49.10	%

یادداشت: T نشان‌دهنده نمونه عرضی (transverse) و L نشان‌دهنده نمونه طولی (longitudinal) است.

2.2. روش‌های آزمون

2.2.1. آزمون کشش محوری

نمونه‌های نواری عریض (wide strip specimens) با عرض 200 میلی‌متر و طول گیج (gauge length) 100 میلی‌متر آماده شدند و با استفاده از یک دستگاه ایجاد خراش (scratch sampler) که توسط محققان توسعه یافته است، خراش‌هایی با زوایا، طول‌ها و عمق‌های مختلف در مرکز نمونه ایجاد گردید. زاویه خراش (scratch angle - SA) که با α نشان داده می‌شود، بیانگر زاویه میان جهت خراش و جهت کشش محوری است. زوایای آزموده‌شده شامل 0◦، 15◦، 30◦، 45◦، 60◦، 75◦ و 90◦ بودند. نسبت طول خراش (scratch length ratio - SLR) به‌صورت نسبت طول خراش به عرض نمونه تعریف شده و با β نشان داده می‌شود. برای ژئوممبران‌های PVC-P (plasticized PVC geomembranes - PVC-P GMBs) با حداکثر عرض 2.0 متر، مواردی که دارای خراش‌هایی با نسبت طول خراش β ≥ 50% باشند (یعنی طولی نه کمتر از 1.0 متر)، عموماً نیازمند تعویض یا تعمیر هستند. بنابراین، با توجه به اینکه عرض نمونه 200 میلی‌متر بود، مقادیر β برابر با 10%، 20%، 30% و 40% در نظر گرفته شد و طول خراش‌ها به ترتیب 20، 40، 60 و 80 میلی‌متر تعیین گردید. نسبت عمق خراش (scratch depth ratio - SDR) که با γ مشخص می‌شود، به‌صورت نسبت عمق خراش به ضخامت نمونه تعریف می‌گردد. عمق خراش برابر با 0.5، 1.0، 1.5 و 2.0 میلی‌متر (نشان‌دهنده نفوذ کامل) در نظر گرفته شد و در نتیجه، مقادیر γ به ترتیب برابر با 25%، 50%، 75% و 100% بود.

آزمون کشش ژئوسنتتیک‌ها (geosynthetics) با استفاده از دستگاه CMT-5000 (ساخت شرکت Nss (Shenzhen) Laboratory Equipment Co., Ltd.، شنژن، چین) مطابق با استاندارد ASTM D4885-01 [30] انجام شد. پارامترهای مشخصه دستگاه به این شرح است: حداکثر بار 30 kN، حداکثر دامنه 2.1 متر، و جابه‌جایی در محدوده 0.2% تا 100% از حداکثر کورس (maximum stroke) با خطای 0.5%. آزمون‌ها در دمای 20 ± 2 ◦C با نرخ کشش (tensile rate) برابر با 10 mm/min انجام شدند.

به‌منظور شبیه‌سازی خراش‌های ایجادشده بر روی ژئوممبران‌های PVC-P در شرایط کاربردی، مجموعه‌ای از طرح‌های آزمون متشکل از چهار گروه SLR، چهار گروه SDR و هفت گروه SA تدوین گردید. برای هر طرح، پنج آزمون کشش به انجام رسید.

2.2.2. آزمون نفوذپذیری عمودی

جهت انجام آزمون نفوذپذیری، یک نفوذسنج عمودی ژئوممبران (GMB vertical permeameter مدل YT1070، ساخت شرکت Wenzhou Darong Textile Instrument Co., Ltd.، ونژو، چین) به کار گرفته شد. این دستگاه شامل یک پنل کنترل، پمپ پریستالتیک (peristaltic pump)، محفظه فشار بالا (high-pressure chamber)، محفظه فشار پایین (low-pressure chamber، ساخته‌شده از شیشه آلی شفاف)، صفحه متخلخل (porous plate)، لوله سرریز (overflow pipe)، مخزن ذخیره آب، بالن حجمی (volumetric flask) و ترازوی الکترونیکی (electronic balance) است. حداکثر فشار کاری نفوذسنج 2.5 MPa و مساحت مؤثر نمونه تحت آزمایش 200.0 cm² بود.

از یک دستگاه ایجاد خراش برای ایجاد خراش‌هایی با مقادیر β برابر با 10%، 20%، 30% و 40% استفاده شد. مقادیر γ برابر با 25%، 50% و 75% بودند. نمونه‌ها با قطر 160 میلی‌متر، طول خراش‌هایی معادل 16، 32، 48 و 64 میلی‌متر داشتند. نمونه میان محفظه فشار بالا و صفحه متخلخل قرار داده شد. سطح فوقانی صفحه متخلخل به کمک یک درپوش آب‌بندِ دارای روزنه مرکزی به محفظه فشار پایین متصل و آب‌بندی گردید که این روزنه به یک انتهای لوله سرریز متصل بود. انتهای دیگر لوله به درون بالن حجمی امتداد می‌یافت، جایی که ترازوی الکترونیکی جرم آب عبوری را به‌صورت لحظه‌ای اندازه‌گیری می‌کرد.

آزمون‌های نفوذپذیری مطابق با استاندارد ASTM D5084 [31] انجام شدند. فشارهای آزمون بر روی مقادیر 0.4، 0.6، 0.8، 1.0 و 1.2 MPa تنظیم شدند. در هر مقدار فشار، پنج آزمون نفوذپذیری عمودی به مدت زمان 24 ساعت انجام گرفت که طی آن، ترازوی الکترونیکی هر 30 دقیقه داده‌ها را به‌طور خودکار ثبت می‌کرد.

3. نتایج

3.1. نتایج آزمون کشش محوری

مطابق با استاندارد ASTM D4885-01، شاخص‌های ارزیابی خواص مکانیکی (evaluation indicators for the mechanical properties - EIMPs) شامل استحکام شکست (break strength)، ازدیاد طول تا شکست (break elongation) و مدول یانگ (Young’s modulus) بودند. شکل 1 توزیع پراکندگی (scatter distribution) مقادیر EIMP ژئوممبران‌های PVC-P را در تمامی طرح‌ها نشان می‌دهد. همان‌طور که در بخش 2.2.1 توضیح داده شد، ابعاد نمونه نواری عریض برابر با عرض 200 میلی‌متر و طول گیج 100 میلی‌متر بود. طرح‌های آزمون شامل چهار گروه SLR (10%، 20%، 30% و 40%)، چهار گروه SDR (25%، 50%، 75% و 100%) و هفت گروه SA (0◦، 15◦، 30◦، 45◦، 60◦، 75◦ و 90◦) بود. بنابراین، در مجموع 112 نقطه داده (4 × 4 × 7) در تحلیل نتایج گنجانده شد.

شکل 1. توزیع پراکندگی EIMPها: (a) استحکام شکست؛ (b) ازدیاد طول تا شکست؛ و (c) مدول یانگ.

شاخص‌های EIMP تحت برهم‌کنش با مقادیر SA، SLR و SDR درجات مختلفی از افت را نشان دادند. مشخص شد که تغییرات آن‌ها بر حسب SA با SLR و SDR همبستگی دارد. تضعیف EIMPها تحت برهم‌کنش با SA و SDR از الگوهای مشابه با برهم‌کنش آن‌ها با SA و SLR پیروی کرد؛ به‌ویژه آنکه افزایش در SDR روند تضعیف را تسریع نمود. هنگامی که SA برابر با 60◦ و SLR برابر با 20% بود، با افزایش SDR از 25% به 75%، استحکام شکست از 25.14 به 12.33 kN/m کاهش یافت که بیانگر کاهشی در حدود 51% است. ازدیاد طول تا شکست از 215.8% به 58.25% تنزل یافت که متناظر با کاهشی در حدود 73% است. علاوه بر این، مدول یانگ از 69.2 به 53.6 MPa کاهش یافت که نشان‌دهنده افتی در حدود 23% می‌باشد. با ثابت نگه‌داشتن SA و SLR، افزایش در SDR منجر به بارزترین کاهش در ازدیاد طول تا شکست گردید و پس از آن، استحکام شکست و در نهایت مدول یانگ بیشترین کاهش را نشان دادند.

شکل 2 تغییرات EIMPها را با زاویه SA در SDR برابر با 75% نشان می‌دهد. تمامی مقادیر EIMP روندی نزولی داشتند. استحکام شکست و ازدیاد طول تا شکست در α < 60◦ به‌سرعت کاهش یافتند و در α > 60◦ روند کاهش آن‌ها کُندتر شد. کاهش سریع مدول یانگ در محدوده 15◦ < α < 75◦ مشاهده گردید که بالاترین نرخ افت در بازه 30◦ تا 45◦ رخ داد، در حالی که در سایر محدوده‌ها نرخ‌های ملایم‌تری مشاهده شد. مدول یانگ توانایی ماده در مقاومت در برابر تغییر شکل در مرحله تغییر شکل الاستیک (elastic deformation stage) را تعیین کمّی می‌کند. یک ژئوممبران با مدول یانگ بالاتر، صلبیت (stiffness) بیشتری از خود نشان داده که منجر به عملکرد برتر...

شکل ۲ تغییرات پارامترهای مکانیکی مؤثر (effective mechanical properties - EIMPs) را با زاویه خراش (scratch angle - SA) در نسبت عمق خراش (scratch depth ratio - SDR) برابر با ۷۵٪ نشان می‌دهد. تمام مقادیر EIMP روند کاهشی داشتند. استحکام شکست (break strength) و ازدیاد طول تا شکست (break elongation) در α < 60° به‌سرعت کاهش یافت و در α > 60° از سرعت کاهش آن کاسته شد. کاهش سریع مدول یانگ (Young’s modulus) در محدوده 15° < α < 75° مشاهده شد، به‌طوری که بالاترین نرخ افت در بازه ۳۰° تا ۴۵° رخ داد، در حالی که در سایر محدوده‌ها نرخ‌های کاهش کمتری ثبت شد. مدول یانگ بیانگر توانایی ماده در مقاومت در برابر تغییر شکل در مرحله تغییر شکل الاستیک (elastic deformation) است. ژئوممبران (geomembrane) با مدول یانگ بالاتر، سفتی (stiffness) بیشتری از خود نشان داده و در نتیجه مقاومت بهتری در برابر تغییر شکل تحت نیروهای خارجی دارد. کاهش سریع مدول یانگ نشان می‌دهد که ژئوممبران تحت تنش یکسان، مستعد تغییر شکل الاستیک بیشتری بوده است. با ثابت نگه‌داشتن SA، با افزایش نسبت طول خراش (scratch length ratio - SLR)، مقادیر EIMP کاهش یافت. بیشترین نرخ افت مربوط به استحکام شکست بود و پس از آن به‌ترتیب ازدیاد طول تا شکست و مدول یانگ قرار گرفتند. ازدیاد طول تا شکست یک پارامتر حیاتی برای ارزیابی انطباق‌پذیری ژئوممبران‌های PVC-P (PVC-P GMBs) با تغییر شکل بستر (foundation deformation) است. همان‌طور که در شکل 2b مشاهده می‌شود، با رسیدن SA به ۴۵° یا بیشتر، ازدیاد طول تا شکست کاهش چشمگیری یافت، در حالی که در SA کمتر از ۴۵° تفاوت معناداری دیده نشد. بنابراین، توصیه می‌شود در کاربردهای مهندسی، زاویه خراش به کمتر از ۴۵° محدود شود.

شکل ۲. رابطه میان EIMPها و SA در γ = 75%: (الف) استحکام شکست؛ (ب) ازدیاد طول تا شکست؛ و (ج) مدول یانگ.

شکل ۳ تغییرات EIMPها را با SA در SLR برابر با ۱۰٪ نشان می‌دهد. کاملاً مشخص بود که EIMPها نیز دچار افت شدند. به استثنای کاهش‌های ناچیز تحت شرایط γ = 25% و α ≤ 75°، کاهش چشمگیری در استحکام شکست و ازدیاد طول تا شکست به ثبت رسید. تضعیف مدول یانگ بر حسب SA در مقادیر مختلف SLR از الگوی ثابتی پیروی کرد و نرخ تضعیف بالایی را در 30° < α < 45° و مقادیر پایین‌تری را در سایر زوایا نشان داد. ثابت نگه‌داشتن SA در محدوده کمتر از ۷۵°، با افزایش SDR منجر به کاهش استحکام شکست و ازدیاد طول شد؛ به‌ویژه در بازه SDR بین ۲۵٪ تا ۷۵٪ دامنه‌های افت شدیدی دیده شد که نشان‌دهنده تأثیر ناچیز SDR در مقادیر کمتر از ۲۵٪ است. شایان ذکر است هنگامی که α ≥ 75° و γ = 25% بود، تأثیر چشمگیری بر استحکام شکست و ازدیاد طول وجود داشت. با این حال، تفاوت میان γ = 25% و γ > 25% در زاویه خراش ۹۰° به‌سرعت کاهش یافته و به حداقل رسید. بنابراین، به منظور تضمین برآورده‌شدن ظرفیت تغییر شکل مورد نیاز ژئوممبران‌های PVC-P در بهره‌برداری پروژه، توصیه می‌شود که SDR از ۲۵٪ و SA از ۷۵° فراتر نرود. در شرایط β = 10%، مدول یانگ با افزایش SA تحت مقادیر گوناگون SDR روند نزولی مشابهی از خود نشان داد. با این حال، اختلاف میان مقادیر مجاور SDR ناچیز بود که نشان‌دهنده اثر غیرمعنادار تغییرات SDR بر مدول یانگ است.

شکل ۳. رابطه میان EIMPها و SA در β = 10%: (الف) استحکام شکست؛ (ب) ازدیاد طول تا شکست؛ و (ج) مدول یانگ.

3.2. نتایج آزمون نفوذپذیری عمودی

ژئوممبران‌ها به‌عنوان مواد پلیمری دارای کانال‌های نفوذ (permeation channels) فوق‌العاده ریزی هستند که مولکول‌های آب با سرعت بسیار کمی از میان آن‌ها جریان می‌یابند. در نتیجه، تراوش (seepage) در غشا به‌عنوان جریان آرام (laminar flow) و منطبق بر قانون دارسی (Darcy’s law) در نظر گرفته شد. ضریب نفوذپذیری (permeability coefficient) با استفاده از رابطه زیر تعیین گردید:

k_s = (V · δ) / (A · Δh · t_s) · η (1)

که در آن k_s ضریب نفوذپذیری ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش، V حجم آب عبوری، δ ضخامت نمونه، A مساحت نفوذپذیر مؤثر نمونه، Δh اختلاف ارتفاع هیدرولیکی (head difference)، t_s مدت‌زمان جریان آب V، و η ضریب تصحیح دمای آب است.

ضرایب نفوذپذیری ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش بر اساس حجم آب عبوری ثبت‌شده و رابطه (1) محاسبه شدند و نتایج در جدول ۲ با جزئیات آمده است.

جدول ۲. ضرایب نفوذپذیری ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش.

P_h (MPa)	γ = 25%				γ = 50%				γ = 75%
P_h (MPa)	β = 10%	β = 20%	β = 30%	β = 40%	β = 10%	β = 20%	β = 30%	β = 40%	β = 10%	β = 20%	β = 30%	β = 40%
0.4	0.51	0.81	1.98	2.87	2.25	3.35	4.53	5.30	4.69	5.42	6.13	6.26
0.6	1.75	2.35	3.17	4.89	4.98	5.79	6.35	7.95	4.70	6.13	7.31	8.29
0.8	0.92	1.02	2.36	2.92	1.00	1.14	2.50	2.95	3.54	4.01	4.75	6.01
1.0	1.74	1.97	2.24	2.88	2.10	2.33	2.88	3.40	3.57	5.08	5.38	7.27
1.2	0.67	1.22	1.30	2.05	2.00	2.18	2.72	3.37	3.46	5.14	5.56	7.45

3.3. تحلیل مقدماتی خواص مکانیکی

3.3.1. تأثیر تک‌عاملی

تحلیل واریانس (Analysis of Variance - ANOVA) برای بررسی معنادار بودن تأثیر هر عامل (یعنی SA، SLR و SDR) بر تغییرات EIMPها انجام شد. این روش شامل تفکیک تغییرات داده‌ها به بخش‌هایی است که می‌توان آن‌ها را به عوامل گوناگون نسبت داد و سپس تعیین کرد که آیا عامل مورد نظر تأثیر معناداری بر EIMPها دارد یا خیر.

عامل SA دارای ۷ سطح بود: SA₁، SA₂، ...، SA₇. تمام داده‌ها به‌عنوان مقادیر نمونه از هفت جامعه آماری در نظر گرفته شدند (هر سطح یک جامعه آماری بود). هر جامعه دارای چهار SLR و چهار SDR بود؛ بنابراین، هر سطح ۱۶ داده مستقل داشت که به‌صورت x_i1، x_i2، ...، x_i16 (با i = 1, 2, ..., 7) ثبت شدند و مقادیر میانگین در این هفت سطح به‌ترتیب μ₁، μ₂، ...، μ₇ بودند.

فرضیه‌ها:

H₀: μ₁ = μ₂ = ... = μ₇

H₁: μ₁, μ₂, ..., μ₇ are not completely equal.

مقدار میانگین کل نمونه x̄ برابر است با:

x̄ = [1 / (s × r)] ∑_i=1^r ∑_j=1^s x_ij (2)

که در آن s تعداد داده‌های مستقل و r تعداد سطوح است.

مقدار میانگین نمونه در هر سطح x̄_i برابر است با:

x̄_i = (1 / s) ∑_j=1^s x_ij (3)

که در آن x_ij نتیجه داده‌های هر آزمون، x̄₁ = μ₁، x̄₂ = μ₂ و x̄₇ = μ₇ است.

مجموع کل مربعات S_T را می‌توان به‌صورت زیر بیان کرد:

S_T = ∑_i=1^r ∑_j=1^s (x_ij - x̄)² (4)

مقدار S_T به‌صورت زیر تفکیک می‌شود:

S_T = S_A + S_E (5)

که در آن:

S_A = ∑_i=1^r s(x̄_i - x̄)² (6)

S_E = ∑_i=1^r ∑_j=1^s (x_ij - x̄_i)² (7)

پارامتر S_A مجموع مربعات تیمارها (یا مجموع مربعات بین‌گروهی) و S_E مجموع مربعات خطا است.

توزیع F (F distribution) به‌صورت زیر به دست می‌آید:

F = [S_A / (r - 1)] / [S_E / (s - r)] (8)

مقادیر s و r به ترتیب برابر با 16 و 7 بود. درجات آزادی (degrees of freedom) برای زاویه خراش (scratch angle - SA)، نسبت طول خراش (scratch length ratio - SLR) و نسبت عمق خراش (scratch depth ratio - SDR) به ترتیب برابر با 6، 3 و 3 بود. نتایج سه شاخص ارزیابی خواص مکانیکی (evaluation indicators of mechanical properties - EIMPs) تحت سه تک‌فاکتور با استفاده از معادله (8) به دست آمد. تأثیر هر فاکتور بر EIMPها با استفاده از مقدار F (F value) ارزیابی شد. مقدار بزرگ‌تر F نشان‌دهنده تأثیر بیشتر فاکتور بر EIMPها است. در تحلیل واریانس (analysis of variance - ANOVA)، مقدار p (p value) که معمولاً به کار می‌رود، به عنوان شاخصی حیاتی برای ارزیابی معنی‌داری تفاوت‌های میان چندین گروه از داده‌ها عمل می‌کند. این شاخص به پژوهشگران کمک می‌کند تا تعیین کنند آیا شواهد کافی برای رد فرضیه صفر (null hypothesis) وجود دارد یا خیر، که نشان‌دهنده تفاوت معنی‌دار میان گروه‌ها است. در تحلیل آماری، یک سطح معنی‌داری (significance level) (که معمولاً روی 0.05 تنظیم می‌شود) به عنوان آستانه ارزیابی مقدار p به کار گرفته می‌شود. چنانچه مقدار p کمتر از این آستانه بود، فرضیه صفر رد می‌شد که نشان‌دهنده تفاوت معنی‌دار میان گروه‌ها بود. برعکس، اگر مقدار p از این آستانه فراتر می‌رفت، فرضیه صفر پذیرفته می‌شد که دلالت بر عدم وجود تفاوت معنی‌دار میان گروه‌ها داشت. نتایج ANOVA در جدول‌های 3 تا 5 ارائه شده است.

جدول 3. تحلیل واریانس (ANOVA) استحکام شکست (break strength).

منبع	درجات آزادی	مجموع مربعات	میانگین مربعات	مقدار F	مقدار p
α	6	2.35	0.39	14.07	1.07 × 10⁻¹¹
β	3	0.36	0.12	2.68	0.051
γ	3	2.07	0.69	23.38	9.79 × 10⁻¹²

جدول 4. تحلیل واریانس (ANOVA) ازدیاد طول تا شکست (break elongation).

منبع	درجات آزادی	مجموع مربعات	میانگین مربعات	مقدار F	مقدار p
α	6	4.53	0.75	13.86	1.49 × 10⁻¹¹
β	3	0.50	0.17	1.83	1.45 × 10⁻⁰¹
γ	3	3.94	1.31	22.52	2.12 × 10⁻¹¹

جدول 5. تحلیل واریانس (ANOVA) مدول یانگ (Young’s modulus).

منبع	درجات آزادی	مجموع مربعات	میانگین مربعات	مقدار F	مقدار p
α	6	0.54	0.09	14.71	3.91 × 10⁻¹²
β	3	0.04	0.01	1.25	2.95 × 10⁻⁰¹
γ	3	0.57	0.19	34.14	1.34 × 10⁻¹⁵

با توجه به نتایج ANOVA یک‌طرفه (one-way ANOVA)، مشخص شد که هر دو عامل SA و SDR تأثیر معنی‌داری بر EIMPهای ژئوممبران‌های PVC-P (plasticized polyvinyl chloride geomembranes - PVC-P GMBs) داشتند و مقادیر p آن‌ها بسیار کمتر از 5% بود. تأثیر SDR بر استحکام شکست و مدول یانگ اندکی بارزتر از تأثیر SA بود. علاوه بر این، در میزان تأثیر SDR یا SA بر ازدیاد طول تا شکست تفاوت معنی‌داری وجود نداشت (مقادیر p به ترتیب برابر با 2.12 × 10⁻¹¹ و 1.49 × 10⁻¹¹ بود)، در حالی که SLR تأثیر معنی‌داری بر EIMPها نداشت. با این حال، تأثیر آن بر استحکام شکست به مقدار آستانه 0.05 نزدیک شد که نشان‌دهنده سطحی از تأثیرگذاری است. بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت در حالی که SLR تأثیر حداقلی بر EIMPهای ژئوممبران‌های PVC-P داشت، هر دو عامل SA و SDR تأثیر چشمگیری اعمال کردند.

3.3.2. تأثیر جامع

خراش‌ها دارای سه جزء هستند: SA، SLR و SDR. شاخص‌های EIMP ژئوممبران‌های PVC-P تحت تأثیر اندرکنش (interaction) این سه فاکتور قرار دارند. برای تجزیه و تحلیل تأثیر جامع (comprehensive influence)، متغیرهای α، β و γ با استفاده از معادله (9) نرمال‌سازی (normalized) شدند که به ترتیب با α′، β′ و γ′ نشان داده می‌شوند:

X′ = (X − X_min) / (X_max − X_min) (9)

که در آن X′ مقدار نرمال‌سازی‌شده فاکتورها، و X_min و X_max به ترتیب مقادیر کمینه و بیشینه فاکتورها هستند.

نمودار فازی کانتوری سه‌تایی (ternary contour phase diagram) نوعی نمودار باری‌سنتریک (barycentric plot) است که روابط تناسبی میان سه متغیر را که مجموع آن‌ها ثابت می‌ماند، نشان می‌دهد. این نمودار می‌تواند ویژگی‌های داده‌ها را از سه زاویه مختلف نشان دهد. در این مقاله، از نمودار سه‌تایی برای نمایش اختلاف شاخص‌های ارزیابی در سطوح مختلف این سه فاکتور تأثیرگذار استفاده شده است. نمودار فازی کانتوری سه‌تایی فرض می‌کند که رابطه بین متغیرها خطی است.

شکل 4 نمودار فازی کانتوری سه‌تایی EIMPهای نرمال‌سازی‌شده را نشان می‌دهد. با افزایش β′ در مرز آن، EIMPها ابتدا کاهش و سپس افزایش یافتند که با روند کاهشی مشاهده‌شده در ANOVA یک‌طرفه ناهمخوان است. این امر نشان می‌دهد که تأثیر β′ بر EIMPها به دو فاکتور دیگر وابسته است. پدیده مشابهی در دو مرز دیگر نیز مشاهده شد که نشان‌دهنده اندرکنش میان این سه فاکتور است. EIMPها در حوالی α′ = β′ = γ′ = 0.5 به مقادیر کمینه خود رسیدند که نشان می‌دهد بیشترین اندرکنش زمانی رخ می‌دهد که هر فاکتور به مقدار میانه (median value) خود نزدیک شود. از نظر میزان اندرکنش با EIMPها، ازدیاد طول تا شکست بالاترین میزان را داشت و پس از آن مدول یانگ و سپس استحکام شکست قرار گرفتند.

شکل 4. نمودار فازی کانتوری سه‌تایی EIMPها: (a) استحکام شکست؛ (b) ازدیاد طول تا شکست؛ و (c) مدول یانگ.

هر ضلع از نمودار سه‌تایی نشان‌دهنده یکی از سه فاکتور است که مقادیر آن از 0 تا 1 متغیر است. در هر نقطه در امتداد این ضلع، دو فاکتور دیگر برابر با صفر و یک قرار داده شدند. تحلیل توزیع مرزی (boundary distribution analysis) به تعیین میزان تأثیرپذیری EIMPها از فاکتورهای روی ضلع اشاره دارد. نقاط داخلی یک نمودار سه‌تایی نشان‌دهنده ترکیب‌های متفاوتی از سه فاکتور هستند. تحلیل توزیع داخلی (internal distribution analysis) به بررسی تغییرات EIMPها در ترکیب‌های گوناگون این سه فاکتور اشاره دارد. بر اساس توزیع مرزی، EIMPها در مرزهای α′ و β′ به مقادیر بالایی نزدیک شدند در حالی که در مرز γ′ به مقادیر پایینی رسیدند؛ این امر نشان‌دهنده تأثیر ضعیف‌تر SA و SLR در مقایسه با SDR است که با نتایج ANOVA یک‌طرفه نیز مطابقت دارد. داده‌های توزیع‌شده در بخش داخلی نشان داد که EIMPها در مرز γ′ به مقادیر کمینه رسیدند که تأثیر بارز SDR را برجسته می‌سازد. هنگامی که γ′ به 0.5 نزدیک شد، افزایش SA و کاهش SLR افت (attenuation) EIMPها را تشدید کرد؛ این امر در تناقض با ANOVA یک‌طرفه است که کاهش افت EIMPها با SLRهای کوچک‌تر را پیشنهاد می‌کرد. این پدیده بیانگر آن است که کاهش SLR در مقایسه با افزایش SA تأثیر ضعیف‌تری داشته است. هنگامی که α′ تقریباً برابر با 0.5 بود، افزایش SDR و کاهش SLR منجر به کاهش اولیه و در پی آن افزایش EIMPها گردید. در ناحیه نزدیک به β′ = 0.5، افزایش SDR و کاهش SA به الگوی مشابهی از کاهش اولیه و سپس افزایش EIMPها انجامید که با یافته‌های ANOVA یک‌طرفه ناهمخوان بود. این موضوع نشان می‌دهد که میان SLR، SDR و SA اندرکنش متقابل وجود دارد و زمانی که این سه فاکتور دارای مقادیر یکسانی باشند، بیشترین اندرکنش را به وجود می‌آورند. هنگامی که γ′ از 0.5 فراتر رفت، کاهش SLR تأثیر SDR بر EIMPها را به حداقل رساند. با عبور β′ از 0.5 نیز، کاهش SA اثر SLR بر EIMPها را تضعیف کرد.

3.4. تحلیل مقدماتی نفوذپذیری

شکل 5 رابطه میان ضریب نفوذپذیری (permeability coefficient) و فشار نفوذپذیری (permeability pressure) را نشان می‌دهد. ضرایب نفوذپذیری تحت چهار مقدار مختلف SLR با افزایش فشار نفوذپذیری، الگویی به صورت افزایش-کاهش-افزایش-کاهش را نشان دادند. ضریب نفوذپذیری در فشار 1.2 MPa کمترین مقدار را داشت و در γ = 25% به مقدار کمینه 0.67 × 10⁻¹² cm/s رسید، در حالی که در فشار 0.6 MPa بیشترین مقدار را دارا بود و در γ = 75% به حداکثر مقدار 8.29 × 10⁻¹² cm/s دست یافت. ضریب نفوذپذیری در یک فشار ثابت با افزایش SLR افزایش پیدا کرد و همچنین تحت SLR و فشار یکسان، با افزایش SDR نیز روندی افزایشی داشت. این امر به گسترش ناحیه آسیب‌دیده (damaged area) ناشی از SLR و کاهش ضخامت مؤثر (effective thickness) حاصل از SDR نسبت داده می‌شود.

شکل 5. رابطه بین ضریب نفوذپذیری و فشار نفوذپذیری: (a) γ = 25%؛ (b) γ = 50%؛ و (c) γ = 75%.

4. بحث

4.1. نرخ افت

نرخ افت (attenuation rate) اثر خراش‌ها را بر خواص مکانیکی (mechanical properties) و نفوذناپذیری (impermeability) ژئوممبران‌های PVC-P (plasticized polyvinyl chloride geomembranes) مشخص می‌کند و به‌صورت نسبت اختلاف شاخص‌های ارزیابی بین ژئوممبران دارای خراش و ژئوممبران دست‌نخورده (virgin GMB) به شاخص‌های ارزیابی ژئوممبران دست‌نخورده تعریف می‌شود. نرخ افت به‌صورت زیر بیان می‌شود:

ζ_s = (T₀ − T) / T₀ × 100% (10)

ζ_d = (ε₀ − ε) / ε₀ × 100% (11)

ζ_E = (E₀ − E) / E₀ × 100% (12)

A_h = (k_s − k₀) / k₀ × 100% (13)

که در آن، ζ_s نرخ افت مقاومت شکست (ARBS - attenuation rate of the break strength)، T مقاومت شکست (break strength) ژئوممبران دارای خراش، T₀ مقاومت شکست ژئوممبران دست‌نخورده، ζ_d نرخ افت ازدیاد طول در نقطه شکست (ARBE - attenuation rate of break elongation)، ε ازدیاد طول در نقطه شکست (break elongation) ژئوممبران دارای خراش، ε₀ ازدیاد طول در نقطه شکست ژئوممبران دست‌نخورده، ζ_E نرخ افت مدول یانگ (ARYM - attenuation rate of Young’s modulus)، E مدول یانگ (Young’s modulus) ژئوممبران دارای خراش، E₀ مدول یانگ ژئوممبران دست‌نخورده، A_h نرخ افت نفوذناپذیری، و k₀ ضریب نفوذپذیری (permeability coefficient) ژئوممبران دست‌نخورده است.

4.2. تحلیل ARBS

شکل 6a نمودار فازی کانتور سه‌تایی (ternary contour phase diagram) مقادیر ARBS را با استفاده از فاکتورهای نرمالایز شده (normalized factors) نشان می‌دهد. مقدار ARBS در ناحیه مرکزی به‌طور چشمگیری تحت تأثیر قرار گرفت و به حداکثر مقدار 60% رسید که نشان‌دهنده اثر قابل‌توجه نسبت عمق خراش (SDR - scratch depth ratio) است.

شکل 6b–e توزیع ARBS را بر حسب زاویه خراش (SA - scratch angle) و SDR نشان می‌دهد. مقادیر ARBS کمتر از 10% در محدوده α ≤ 7.5° و SDR ≤ 45% ظاهر شدند، در حالی که مقادیر ARBS بیش از 60% در محدوده α > 75° و SDR > 90% توزیع شده بودند. برای β < 40% هیچ تغییر معنی‌داری در ARBS مشاهده نشد که نشان‌دهنده عدم وجود برهم‌کنش (interaction) معنی‌دار بین SA و SDR است. با این حال، در β = 40%، مقادیر ARBS بیش از 60% به ناحیه α > 30° و γ > 75% گسترش یافت که حاکی از برهم‌کنش قابل‌توجه بین SA و SDR است.

شکل 6f–i توزیع ARBS را بر حسب SA و نسبت موقعیت خراش (SLR - scratch location ratio) نشان می‌دهد. تحلیل مقایسه‌ای نشان داد که برهم‌کنش SA با SLR در γ ≤ 25% در کمترین میزان خود بود و حداکثر مقدار ARBS به حدود 35% نزدیک شد که مقداری نسبتاً کوچک است. در شرایط 50% ≤ γ ≤ 75%، مقادیر ARBS کمتر از 10% در محدوده باریک‌تری توزیع شدند، در حالی که مقادیر ARBS بین 20% تا 60% توزیع گسترده‌تری نشان دادند که بیانگر افزایش محسوس در ARBS با افزایش SDR در α > 30° است. با این حال، شایان ذکر است که ARBS هیچ همبستگی معنی‌داری با SLR نشان نداد. برهم‌کنش بین SA و SLR با افزایش SDR در محدوده 75% تا 100% به‌طور چشمگیری تشدید شد و به افزایش ARBS انجامید.

بنابراین، تأثیر SLR بر مقاومت شکست در مقایسه با برهم‌کنش بین SDR و SA اهمیت کمتری داشت. کاهش هم‌زمان SDR و SA تأثیر آن‌ها را بر مقاومت شکست به حداقل رساند؛ همچنین اثربخشی حاصل از کاهش SDR در مقایسه با SA به‌مراتب بیشتر بود.

شکل 6. توزیع مقادیر ARBS ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش: (a) نمودار فازی کانتور سه‌تایی ARBS؛ (b) β = 10%؛ (c) β = 20%؛ (d) β = 30%؛ (e) β = 40%؛ (f) γ = 25%؛ (g) γ = 50%؛ (h) γ = 75%؛ و (i) γ = 100%.

4.3. تحلیل ARBE

شکل 7a نمودار فازی کانتور سه‌تایی ARBE را با استفاده از فاکتورهای نرمالایز شده نشان می‌دهد. مقدار ARBE در ناحیه مرکزی به‌طور قابل‌توجهی تحت تأثیر قرار گرفت و به حداکثر مقدار 87% رسید، و تغییرات آن در محدوده وسیع‌تری تحت تأثیر SDR و SA بود.

شکل 7b–e توزیع ARBE را بر حسب SA و SDR نشان می‌دهد. هنگامی که β ≤ 30% بود، مقادیر ARBE کمتر از 2% در محدوده α ≤ 30° و γ ≤ 50% رخ داد، مقادیر ARBE کمتر از 10% در محدوده 30° ≤ α ≤ 80° و 50% ≤ γ ≤ 100% توزیع شدند، و مقادیر ARBE بیش از 60% در محدوده α > 15° و γ > 50% ظاهر شدند. با مقایسه شکل 7b و شکل 7c مشخص شد هنگامی که مقدار SLR کمتر از 30% باشد، ARBE به‌طور معنی‌داری تحت تأثیر SLR قرار نمی‌گیرد، هرچند در ناحیه α > 15° و γ > 90% اندکی تغییر کرد. برای β > 30%، محدوده مقادیر ARBE کمتر از 10% به‌طور چشمگیری کاهش یافت و محدوده مقادیر ARBE بیش از 60% به α > 15° و γ > 60% گسترش پیدا کرد که نشان‌دهنده غالب بودن SDR در این برهم‌کنش است.

شکل 7f–i توزیع مقادیر ARBE را بر حسب SA و SLR نشان می‌دهد. تحلیل مقایسه‌ای نشان داد که برای γ ≤ 25%، برهم‌کنش SA و SLR در کمترین حد بود و مقدار ARBE در یک محدوده نسبتاً کوچک به حداکثر مقدار تقریبی 50% رسید. برای 50% ≤ γ ≤ 75%، محدوده باریک‌تری از مقادیر ARBE کمتر از 20% و محدوده وسیع‌تری از مقادیر ARBE بیش از 50% مشاهده شد. مقدار ARBE با افزایش SDR در α > 45° به‌طور چشمگیری افزایش یافت و به حداکثر مقدار 85% رسید. با قرار گرفتن SDR در محدوده 75% تا 100%، دامنه باز هم گسترده‌تری از مقادیر ARBE بیش از 50% ثبت شد که نشان می‌دهد برهم‌کنش بین SA و SLR با افزایش SDR به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای تقویت شده است.

بر اساس تحلیل‌های فوق، مشاهده شد هنگامی که β < 30%، α < 15% و γ < 75% باشد، SLR تأثیر معنی‌داری بر ARBE ندارد. با این حال، هنگامی که γ ≥ 75% و α ≥ 15% باشد، هر مقداری از SLR تأثیر چشمگیری بر ARBE بر جای می‌گذارد. بنابراین، کنترل SA و SDR به‌منظور کاهش مقدار ARBE امری ضروری است.

شکل 7. توزیع ARBE ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش: (a) نمودار فازی کانتور سه‌تایی ARBE؛ (b) β = 10%؛ (c) β = 20%؛ (d) β = 30%؛ (e) β = 40%؛ (f) γ = 25%؛ (g) γ = 50%؛ (h) γ = 75%؛ و (i) γ = 100%.

شکل‌های 7b–e توزیع نرخ افت ازدیاد طول تا شکست (ARBE - attenuation rate of break elongation) را بر حسب زاویه خراش (SA - scratch angle) و نسبت عمق خراش (SDR - scratch depth ratio) نشان می‌دهد. هنگامی که β ≤ 30% باشد، مقادیر ARBE کمتر از 2% در محدوده α ≤ 30° و γ ≤ 50% رخ داده است، مقادیر ARBE کمتر از 10% در محدوده 30° ≤ α ≤ 80° و 50% ≤ γ ≤ 100% توزیع شده‌اند، و مقادیر ARBE بیش از 60% در محدوده α > 15° و γ > 50% مشاهده شده‌اند. در مقایسه شکل‌های 7b و 7c مشخص شد هنگامی که مقدار نسبت طول خراش (SLR - scratch length ratio) کمتر از 30% باشد، ARBE به‌طور معنی‌داری تحت تأثیر SLR قرار نمی‌گیرد، اگرچه در ناحیه α > 15° و γ > 90% اندکی تغییر کرده است. برای β > 30%، محدوده مقادیر ARBE کمتر از 10% به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای کاهش یافت و محدوده مقادیر ARBE بالاتر از 60% به α > 15° و γ > 60% گسترش پیدا کرد که نشان‌دهنده غلبه SDR در این برهم‌کنش است.

شکل‌های 7f–i توزیع مقادیر ARBE را بر حسب SA و SLR نشان می‌دهد. تحلیل مقایسه‌ای حاکی از آن بود که برهم‌کنش میان SA و SLR برای γ ≤ 25% کمینه بوده و ARBE در یک محدوده نسبتاً کوچک به حداکثر مقدار تقریبی 50% رسیده است. برای 50% ≤ γ ≤ 75%، محدوده باریک‌تری از مقادیر ARBE کمتر از 20% و محدوده گسترده‌تری از مقادیر ARBE بیش از 50% مشاهده شد. مقدار ARBE در α > 45° با افزایش SDR رشد چشمگیری داشت و به حداکثر مقدار 85% رسید. با قرارگیری SDR در محدوده 75% تا 100%، دامنه حتی وسیع‌تری از مقادیر ARBE بیش از 50% مشاهده شد که نشان می‌دهد برهم‌کنش بین SA و SLR با افزایش SDR به‌طور چشمگیری تقویت شده است.

بر پایه تحلیل یادشده، مشاهده شد که در صورت β < 30%، α < 15° و γ < 75%، متغیر SLR تأثیر معنی‌داری بر ARBE ندارد. با این حال، هنگامی که γ ≥ 75% و α ≥ 15° باشد، هر مقداری از SLR تأثیر قابل‌توجهی بر ARBE می‌گذارد. از این رو، کنترل SA و SDR برای کاهش ARBE امری ضروری است.

4.4. تحلیل ARYM

شکل 8a نمودار فازی کانتوری سه‌تایی (ternary contour phase diagram) نرخ افت مدول یانگ (ARYM - attenuation rate of Young's modulus) را با استفاده از متغیرهای نرمال‌شده (normalized factors) نشان می‌دهد. مقدار ARYM در ناحیه مرکزی با حداکثر مقدار 45% به‌شدت تحت تأثیر قرار گرفت.

توزیع ARYM بر حسب SA و SDR در شکل‌های 8b–e نشان داده شده است. هنگامی که β < 40% باشد، ARYM عمدتاً تحت تأثیر برهم‌کنش SA و SDR قرار دارد. مقادیر ARYM کمتر از 20% در محدوده α ≤ 42.5° و γ ≤ 75% توزیع شده‌اند، در حالی که مقادیر ARYM بیش از 50% در محدوده α > 45° و γ > 90% قرار گرفته‌اند. از شکل‌های 8c و 8d می‌توان دریافت که SLR تأثیر ناچیزی بر ARYM دارد، هرچند در شرایط γ > 90% اثر تا حدی معنی‌داری مشهود بود. در شرایط β ≥ 40%، توزیع مقادیر ARYM بیش از 50% به محدوده α > 45° و γ > 75% گسترش یافت، در حالی که تغییرات اندکی در ناحیه مقادیر کمتر از 20% رخ داد. با این وجود، کاهش چشمگیری در محدوده مقادیر ARYM کمتر از 10% به وجود آمد که نشان می‌دهد اثر SLR پررنگ‌تر شده است. علاوه بر این، مقادیر ARYM بیش از 50% همچنان در دامنه‌ای رخ داد که SDR از 70% فراتر می‌رفت، که بر تأثیر چشمگیر SDR در مقادیر بالاتر تأکید دارد.

شکل 8. توزیع ARYM در ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش: (a) نمودار فازی کانتوری سه‌تایی ARYM؛ (b) β = 10%؛ (c) β = 20%؛ (d) β = 30%؛ (e) β = 40%؛ (f) γ = 25%؛ (g) γ = 50%؛ (h) γ = 75%؛ و (i) γ = 100%.

شکل‌های 8f–i توزیع مقادیر ARYM را بر حسب SA و SLR گزارش می‌کنند. تحلیل مقایسه‌ای آشکار ساخت که در صورت γ ≤ 50%، بدون در نظر گرفتن مقدار SDR، برهم‌کنش SA و SLR از نظر آماری معنی‌دار نبوده و حداکثر مقدار ARYM حدود 30% بوده است که نشان‌دهنده ARYM نسبتاً ناچیز است. برای 50% < γ ≤ 75%، مقدار ARYM در تمام موارد از 20% فراتر رفت و به حداکثر مقدار حدود 42% رسید، گستره‌ای که در آن ARYM بیش از 35% بود منبسط شد، و در α > 75° افزایش محسوسی در مقدار ARYM همگام با افزایش SDR مشاهده گردید. در α > 45°، با افزایش SDR در بازه 75% تا 100%، برهم‌کنش میان SA و SLR به‌طور چشمگیری تقویت شد.

پس از انجام تحلیل‌های فوق، مشاهده شد که تحت شرایط β < 40%، α < 42.5° و γ < 75%، متغیر SLR تأثیر معنی‌داری بر ARYM ندارد. اما زمانی که β ≥ 40%، γ ≥ 75% و α ≥ 42.5° باشد، هر مقداری از SLR اثر معنی‌داری بر ARYM خواهد داشت. این پدیده عمدتاً ناشی از تأثیر عمده مقادیر بزرگ‌تر SDR و SA است. از این رو، کنترل مؤثر بر SA و SDR عاملی تعیین‌کننده در کاهش ARYM به شمار می‌رود.

4.5. نرخ افت نفوذناپذیری

ضرایب نفوذپذیری (permeability coefficients) ژئوممبران‌های پی‌وی‌سی پلاستیکی‌شده (PVC-P GMBs - plasticized polyvinyl chloride geomembranes) دست‌نخورده (virgin) تحت فشارهای 0.4، 0.6، 0.8، 1.0 و 1.2 MPa به ترتیب برابر با 1.55، 0.48، 2.81، 0.57 و 0.61 × 10⁻¹² cm/s بود. نرخ‌های افت نفوذناپذیری (attenuation rates of impermeability) برای ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش در تمامی فشارهای آزمایش بر اساس جدول 2 و معادله (13) محاسبه شدند. شکل 9 توزیع نرخ‌های افت نفوذناپذیری را برای ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش تحت فشارهای مختلف آزمایش نشان می‌دهد. همان‌گونه که مشاهده می‌شود، تمامی نرخ‌های افت از 100% فراتر نرفتند. بیشترین افت نفوذناپذیری در فشار 0.6 MPa رخ داد و پس از آن فشار 1.0 MPa قرار داشت، در حالی که کمترین افت در فشار 0.8 MPa به ثبت رسید. این امر به بازشدگی ترک (crack opening) ناشی از فشار نفوذپذیری در محل خراش نسبت داده می‌شود. فشارهای بالاتر ممکن است به بازشدگی‌های کوچک‌تر ترک منجر شوند.

ضریب نفوذپذیری در تمام فشارهای نفوذپذیری یک روند افزایشی غیرنمایی را نشان داد. ژئوممبران‌های PVC-P بدون خراش‌های نافذ (penetrating scratches) در راستای ضخامت و بدون تغییرشکل کششی (tensile deformation)، نفوذناپذیری بسیار مطلوبی از خود نشان دادند که حاکی از آن است که اجرای اقدامات مهندسی مناسب جهت جلوگیری از تغییرشکل کششی در محل خراش‌ها می‌تواند تأثیر آن‌ها را بر نفوذناپذیری ژئوممبران‌های PVC-P به‌طور مؤثری کاهش دهد.

شکل 9. نرخ افت نفوذناپذیری در فشارهای مختلف: (a) 0.4 MPa؛ (b) 0.6 MPa؛ (c) 0.8 MPa؛ (d) 1.0 MPa؛ و (e) 1.2 MPa.

ضریب نفوذپذیری (permeability coefficient) در تمام فشارهای نفوذپذیری، افزایشی غیرنمایی را نشان داد. ژئوممبران‌های PVC-P (پی‌وی‌سی پلاستیک‌شده) فاقد خراش‌های نافذ (penetrating scratches) در جهت ضخامت و بدون تغییر شکل کششی (tensile deformation)، نفوذناپذیری (impermeability) عالی از خود نشان دادند؛ این امر بیانگر آن است که اجرای تدابیر مهندسی مناسب به‌منظور جلوگیری از تغییر شکل کششی در محل خراش‌ها می‌تواند تأثیر آن‌ها را بر نفوذناپذیری ژئوممبران‌های PVC-P به‌طور مؤثری کاهش دهد.

4.6. مقدار آستانه

تأثیر زاویه خراش (scratch angle - SA)، نسبت طول خراش (scratch length ratio - SLR) و نسبت عمق خراش (scratch depth ratio - SDR) بر نرخ افت استحکام شکست (attenuation rate of break strength - ARBS)، نرخ افت ازدیاد طول در شکست (attenuation rate of break elongation - ARBE) و نرخ افت مدول یانگ (attenuation rate of Young's modulus - ARYM) به‌طور قابل‌توجهی متغیر بود و یک اثر متقابل میان این سه عامل مشاهده شد. اثرات ناشی از ترکیب‌های مختلف SA، SLR و SDR به‌طور چشمگیری متنوع بودند. بنابراین، اینکه آیا خراش‌ها ایمنی پروژه‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهند یا خیر، باید بر اساس شرایط واقعی مهندسی ارزیابی شود.

طول عمر یک ژئوممبران (GMB) را می‌توان بسته به ماهیت آن، با روند تغییرات یک یا چند مشخصه بنیادین ارزیابی کرد. برای پلی‌اتیلن سنگین (HDPE)، پژوهشگران مختلف پیشنهاد کرده‌اند که طول عمر مفید (service life) زمانی به پایان می‌رسد که ویژگی طراحی به 50% مقدار اولیه خود کاهش یابد [32–34]. Koerner et al. [35] طول عمر مفید ژئوممبران‌ها را با استفاده از کاهش 50 درصدی استحکام و ازدیاد طول پیش‌بینی کردند. Blanco et al. [36] ژئوممبران‌های EPDM را با استفاده از ازدیاد طول در شکست (elongation at break) ارزیابی نمودند. به‌عنوان مصالح نفوذناپذیر، سازگاری ژئوممبران‌های PVC-P با تغییر شکل بالشتک دانه‌ای (particle cushion) و پی سد (dam foundation) بسیار حیاتی است، و از این رو کاهش ازدیاد طول در شکست ناشی از خراش‌ها به یک نگرانی اساسی تبدیل می‌شود. در این مقاله، کاهش 50 درصدی در ازدیاد طول در شکست به‌عنوان معیار شکست (failure criterion) در نظر گرفته شد.

بر اساس رابطه:

ζ_d ≤ 50%

خراش‌هایی با ترکیب‌های مختلف SA، SLR و SDR شناسایی شدند که تأثیر ناچیزی بر خواص مکانیکی ژئوممبران‌های PVC-P داشتند. در صورت وقوع خراش‌هایی که در جدول 6 ارائه نشده‌اند، آن دسته از ژئوممبران‌هایی که الزامات استانداردهای مهندسی را برآورده نمی‌سازند باید تعمیر یا تعویض شوند. جدول 6 مبنایی قابل‌اعتماد برای ارزیابی سریع این موضوع فراهم می‌آورد که آیا خراش‌ها ایمنی پروژه‌های مرتبط با ژئوممبران‌های PVC-P مورد آزمایش را تحت تأثیر قرار می‌دهند یا خیر.

جدول 6 در مقالهی اصلی آمده است.

5. نتیجه‌گیری

در این مقاله، بررسی خواص مکانیکی و نفوذناپذیری ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش ارائه شد. استحکام شکست (break strength)، ازدیاد طول (elongation) و مدول یانگ (Young’s modulus) با انجام آزمون‌های کشش محوری (axial tensile tests) تحت تأثیر عوامل SA، SLR و SDR ارزیابی شدند. نفوذناپذیری نیز با انجام آزمون‌های نفوذپذیری تحت اثر هم‌زمان SLR و SDR مورد ارزیابی قرار گرفت. بر اساس نتایج تجربی، نتایج زیر حاصل شد:

استحکام شکست، ازدیاد طول در شکست و مدول یانگ ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش، همگی درجات متفاوتی از افت را نشان دادند. یافته‌ها حاکی از آن بود که میزان اهمیت این اثرات عمدتاً به SDR و SA وابسته است. بنابراین، پایش SDR و SA در حین حمل‌ونقل، بارگیری و تخلیه، و ساخت (اجرا) ضروری است. علاوه بر این، توصیه می‌شود ضخامت ژئوممبران‌های PVC-P به‌منظور کاهش SDR در محیط‌های سخت و نامساعد افزایش یابد.
اثر متقابل بین SDR و SA از نظر آماری معنادار بود و در مقایسه با مدول یانگ، تأثیر بیشتری بر استحکام شکست و ازدیاد طول در شکست داشت. در نتیجه، بازرسی‌های کنترل کیفیت مهندسی باید بررسی کنند که آیا ازدیاد طول در شکست و استحکام ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش، الزامات مشخصات فنی را برآورده می‌سازد یا خیر.
برای ژئوممبران‌های PVC-P بدون خراش‌های نافذ در جهت ضخامت و فاقد تغییر شکل کششی در ناحیه خراش‌دیده، SLR و SDR تأثیر ناچیزی بر نفوذناپذیری آن‌ها داشتند.
آستانه اثربخشی ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش تعیین شد و خراش‌هایی که منجر به شکست ژئوممبران‌های PVC-P نشدند، خلاصه گردیدند که مراجع نظری ارزشمندی را برای ارزیابی اینکه آیا خراش‌ها خطری برای ایمنی پروژه‌ها دارند یا خیر، فراهم کرد.

این مقاله روشی را برای ارزیابی عملکرد ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش فراهم می‌آورد. یافته‌های پژوهش راهنمایی‌های ارزشمندی را برای به‌کارگیری ژئوممبران‌ها به‌عنوان مصالح ضد تراوش (anti-seepage materials) در حوضچه‌های مخزن (reservoir basins) در طراحی مهندسی و ساخت ارائه می‌دهد. در این مقاله، تنها یک نوع ژئوممبران PVC-P دارای خراش از نظر خواص مکانیکی و نفوذناپذیری مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به تفاوت در ترکیبات و مقدار اجزا، نتایج تکرارپذیری ضعیفی نشان دادند. علاوه بر این، در آزمون نفوذپذیری، تأثیر تغییر شکل کششی و زاویه خراش در نظر گرفته نشد. بنابراین، تحقیقات آتی باید عملکرد هیدرولیکی (hydraulic performance) ژئوممبران‌های PVC-P دارای خراش را تحت شرایط تغییر شکل کششی مورد بررسی قرار دهند.

#خراشیدگی #خواص مکانیکی #نفوذناپذیری #ژئوسنتتیک‌ها #ژئوممبران PVC-P

اشتراک‌گذاری:

این مطلب مفید بود؟ اولین امتیاز را شما بدهید