Геоячейка для вариантов применения, связанных с выдерживанием нагрузок
Раскрыта геоячейка, которая имеет высокую прочность и жесткость, так что геоячейка имеет динамический модуль упругости, равный 500 МПа или больше при 23°C; динамический модуль упругости, равный 150 МПа или больше при 63°C, при измерении в продольном направлении с использованием Динамического Механического Анализа (ДМА) с частотой, равной 1 Гц; растягивающее напряжение при 12% растяжении, равное 14,5 МПа или больше при 23°C; коэффициент теплового расширения, равный 120×10-6/°C или меньше при 25°C, и/или долгосрочное расчетное напряжение, равное 2,6 МПа или больше. Геоячейка подходит для вариантов применения, связанных с выдерживанием нагрузок, особенно для усиления подстилающих слоев дорожного покрытия и/или подстилающих грунтов дорог, мостовой, площадок для хранения и железнодорожных путей. 6 н. и 21 з.п. ф-лы, 9 ил., 6 табл.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее раскрытие относится к сотовой ограничивающей системе, также известной как CCS или геоячейка, которая подходит для применения, связанного с выдерживанием нагрузок, как, например, нагрузок, имеющихся на дорогах, железнодорожных путях, автостоянках и мостовых. В частности, геоячейки настоящего раскрытия сохраняют свои параметры после большого числа циклов нагрузок и циклов изменения температуры; таким образом, требующееся ограничение засыпки сохраняется на протяжении проектного периода эксплуатации геоячейки.
Сотовая ограничивающая система (CCS) представляет собой множество ограничивающих ячеек, походящих на структуру "медовых сот", которые наполняют зернистой засыпкой, которая может представлять собой несвязный грунт, песок, гравий, щебень, дробленый камень или любой другой тип зернистого заполнителя. Также известные как геоячейки, CCS преимущественно используют в вариантах применения гражданского строительства, в которых требуется небольшая механическая прочность и жесткость, как, например, крепление откосов (для предотвращения эрозии) или обеспечение боковой опоры для откосов.
CCS отличаются от других геосинтетических материалов, как, например, георешетки или геотекстильные материалы, тем, что георешетки/геотекстильные материалы являются плоскими (т.е. двумерными) и используются в качестве плоскостного укрепления. Георешетки/геотекстильные материалы обеспечивают ограничение только для очень небольших вертикальных промежутков (как правило, в 1-2 раза больше среднего размера зернистого материала) и ограничены зернистыми материалами, имеющими средний размер больше чем приблизительно 20 мм. Это ограничивает применение подобных двумерных геосинтетических материалов для относительно дорогих зернистых материалов (щебень, дробленый камень и гравий), по причине того, что они почти не обеспечивают ограничение или укрепление для зернистых материалов более низкого качества, как, например, регенерированный асфальт, раздробленный бетон, зольная пыль и каменная мука. В противоположность этому, CCS представляют собой трехмерные структуры, которые обеспечивают ограничение во всех направлениях (т.е. вдоль полного поперечного сечения каждой ячейки). Более того, многоячеистая геометрия обеспечивает пассивное сопротивление, которое увеличивает грузоподъемность. В отличие от двумерных геосинтетических материалов геоячейка обеспечивает ограничение и укрепление зернистых материалов, имеющих средний размер частиц меньше чем приблизительно 20 мм, и в некоторых случаях материалов, имеющих средний размер частиц, составляющий приблизительно 10 мм или меньше.
Во всем мире геоячейки изготавливают несколько компаний, включая Presto. Геоячейки Presto, а также геоячейки большинства их подражателей, изготавливают из полиэтилена (PE). Полиэтилен (PE) может представлять собой полиэтилен с высокой плотностью (HDPE) или полиэтилен со средней плотностью (MDPE). Термин "HDPE" в дальнейшем в этом документе относится к полиэтилену, характеризующемуся плотностью больше чем 0,940 г/см3. Термин полиэтилен со средней плотностью (MDPE) относится к полиэтилену, характеризующемуся плотностью больше чем 0,925-0,940 г/см3. Термин полиэтилен с низкой плотностью (LDPE) относится к полиэтилену, характеризующемуся плотностью, составляющей 0,91-0,925 г/см3.
Геоячейки, изготовленные из HDPE и MDPE, являются либо гладкими, либо текстурированными. Текстурированные геоячейки наиболее широко представлены на рынке, поскольку текстурный рисунок может обеспечивать некоторое дополнительное трение между стенками геоячейки и засыпкой. Несмотря на то что HDPE теоретически может обладать пределом прочности на растяжение (растягивающее напряжение при пределе текучести или при разрыве) больше чем 15 мегапаскалей (МПа), на практике, когда из стенки геоячейки берут образец и испытывают согласно ASTM D638 (испытания по стандарту Американского общества специалистов по испытаниям материалов), данная прочность является недостаточной для вариантов применения, связанных с выдерживанием нагрузок, как, например, для дорог и железных дорог, и даже при высокой скорости растяжения, составляющей 150%/минуту, будет достигать всего лишь 14 МПа.
Плохие свойства HDPE и MDPE ясно видны при исследовании посредством Динамического Механического Анализа (ДМА) согласно ASTM D4065: динамический модуль упругости при 23°C ниже, чем приблизительно 400 МПа. Динамический модуль упругости значительно ухудшается по мере увеличения температуры, и опускается ниже эффективных уровней при температурах, равных приблизительно 75°C, ограничивая, таким образом, применение в качестве средств укрепления, связанных с выдерживанием нагрузки. Данные умеренные механические свойства являются достаточными для крепления откосов, но не для долгосрочных вариантов применения, связанных с выдерживанием нагрузок, которые разрабатывают для службы более чем пять лет.
Еще один способ прогнозирования долгосрочного, связанного с ползучестью поведения полимеров состоит в ускоренном испытании на ползучесть посредством ступенчатого изотермического метода (SIM) согласно ASTM 6992. В данном способе полимерный образец подвергают постоянной нагрузке по программе ступенчатого изменения температуры. Стадии повышенной температуры ускоряют ползучесть. Метод предоставляет возможность экстраполяции свойств образца на протяжении долгих периодов времени, даже на протяжении 100 лет. Как правило, когда испытывают PE и PP, нагрузку, которая вызывает пластическую деформацию, составляющую 10%, называют "долгосрочный расчетный предел прочности" и используют в геосинтетических материалах, в качестве разрешенной прочности для конструкций. Нагрузок, которые вызывают пластическую деформацию больше чем 10%, избегают по причине того, что PE и PP испытывают ползучесть второго порядка свыше 10% пластической деформации. Ползучесть второго порядка является непрогнозируемой, и в данном режиме PE и PP имеют тенденцию "покрываться волосными трещинами".
Для вариантов применения, как, например, дороги, железнодорожные пути и находящееся в условиях большой нагрузки хранилище и автостоянки, данная прочность, составляющая всего лишь 14 МПа, является недостаточной. В частности, геоячейки с данными умеренными механическими свойствами проявляют тенденцию к относительно низкой жесткости и тенденцию к пластической деформации при растяжениях ниже 8%. Пластическая деформация вызывает потерю ячейкой своего ограничивающего потенциала, по существу главного механизма укрепления, спустя короткие периоды времени или после небольшого числа проходов транспортных средств (низкое количество циклических нагрузок). Например, когда ленту, взятую из типичной геоячейки в продольном направлении (перпендикулярном плоскости швов), испытывают согласно ASTM D638 со скоростью растяжения, составляющей 20 %/минуту, или даже 150 %/минуту, напряжение при 6% растяжении составляет меньше чем 13 МПа, при 8% растяжении составляет меньше чем 13,5 МПа, а при 12% растяжении составляет меньше чем 14 МПа. В результате геоячейки из HDPE ограничены вариантами применения, где геоячейка находится под низкой нагрузкой и где ограничение несущей нагрузку засыпки не является обязательным (например, при стабилизации грунтов). Геоячейки не являются широко распространенными в вариантах применения, связанных с выдерживанием нагрузок, как, например, дороги, железнодорожные пути, автостоянки или площадки для хранения тяжелых контейнеров, вследствие сильной тенденции к пластической деформации при низких растяжениях.
Когда вертикальную нагрузку прикладывают к подложке из зернистого материала, часть этой вертикальной нагрузки транслируется в горизонтальную нагрузку или давление. Величина горизонтальной нагрузки равна вертикальной нагрузке, умноженной на коэффициент горизонтального давления грунта (также известной как коэффициент бокового давления грунта или LEPC) зернистого материала. LEPC может варьировать от приблизительно 0,2 для хороших материалов, наподобие гравия и дробленого камня (как правило, жесткие частицы, слабо фракционированные, поэтому уплотнение является очень хорошим, а пластичность является минимальной) до приблизительно 0,3-0,4 для более пластичных материалов, наподобие каменной муки или регенерированного асфальта (материалов, которые имеют высокое содержание мелких частиц и высокую пластичность). Когда зернистый материал влажный (напр., при дождевом или паводковом пропитывании подстилающего слоя дорожного покрытия и подстилающего грунта дороги), его пластичность увеличивается, и развиваются повышенные горизонтальные нагрузки, обеспечивая повышенное кольцевое напряжение в стенке ячейки.
Когда зернистый материал ограничен геоячейкой, а вертикальная нагрузка прикладывается сверху за счет статического или динамического напряжения (как например, давление, предоставляемое колесом транспортного средства или рельсом поезда), горизонтальное давление транслируется в кольцевое напряжение в стенке геоячейки. Кольцевое напряжение пропорционально горизонтальному давлению и среднему радиусу ячейки и обратно пропорционально толщине стенки ячейки.
где HS представляет собой среднее кольцевое напряжение в стенке геоячейки, VP представляет собой вертикальное давление, прикладываемое нагрузкой снаружи на зернистый материал, LEPC представляет собой коэффициент бокового давления грунта, r представляет собой средний радиус ячейки, а d представляет собой номинальную толщину стенки ячейки.
Например, геоячейка, изготовленная из HDPE или MDPE, имеющая толщину стенки ячейки, равную 1,5 миллиметра (включая текстурный рисунок, причем термин "толщина стенки" относится в дальнейшем в этом документе к расстоянию от крайней точки до крайней точки на поперечном сечении стенки ячейки), средний диаметр (при засыпке зернистым материалом), равный 230 миллиметров, высоту, равную 200 миллиметров, при наполнении песком или каменной мукой (LEPC составляет 0,3), и вертикальную нагрузку, равную 700 килопаскалей (кПа), будет испытывать кольцевое напряжение, составляющее приблизительно 16 мегапаскалей (МПа). Как видно из уравнения кольцевого напряжение, больший диаметр или более тонкие стенки - что является преимуществом с точки зрения экономичности производства - подвергаются значительно более высоким кольцевым напряжениям и, таким образом, не действуют должным образом в качестве укрепления при изготовлении из HDPE или MDPE.
Вертикальные нагрузки, равные 550 кПа, являются обычными для немощеных дорог. Значительно более высокие нагрузки, составляющие 700 кПа или более, могут испытываться на дорогах (мощеных и немощеных) для тяжелых грузовиков, дорогах промышленного использования или автостоянках.
По причине того, что варианты применения, связанные с выдерживанием нагрузок, особенно дороги и железнодорожные пути, в целом подвергаются миллионам циклических нагрузок, стенке геоячейки необходимо удерживать свои первоначальные параметры при циклических нагрузках с очень низкой пластической деформацией. Коммерческое использование геоячеек из HDPE ограничивается не несущими нагрузку вариантами применения по причине того, что HDPE, как правило, достигает своего предела пластичности при приблизительно 8% растяжении и при напряжениях ниже обычных напряжений, обнаруживаемых в большинстве случаев в вариантах применения, связанных с выдерживанием нагрузок.
Было бы желательно предоставить геоячейку, которая обладает повышенной жесткостью и прочностью, пониженной тенденцией к деформации при повышенных температурах, лучшим сохранением своей упругости при температурах выше окружающей среды (23°C), уменьшенной тенденцией претерпевать пластическую деформацию при повторяющихся и непрерывных нагрузках и/или продолжительных периодах работы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
В вариантах осуществления раскрыты геоячейки, которые обеспечивают достаточную жесткость и могут допускать высокие напряжения без пластической деформации. Подобные геоячейки подходят для вариантов применения, связанных с выдерживанием нагрузок, как, например, мостовых, дорог, железнодорожных путей, автостоянок, взлетно-посадочных полос и площадок хранения. Также раскрыты способы изготовления и использования подобных геоячеек.
В некоторых вариантах осуществления раскрыта геоячейка, образованная из полимерных лент, причем, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет динамический модуль упругости, равный 500 МПа или больше при измерении в продольном направлении посредством Динамического Механического Анализа (ДМА) согласно ASTM D4065 при 23°C и с частотой, равной 1 Гц.
По меньшей мере, одна полимерная лента может иметь динамический модуль упругости, равный 700 МПа или больше, включая динамический модуль упругости, равный 1000 МПа или больше.
По меньшей мере, одна полимерная лента может иметь напряжение при 12% растяжении, равное 14,5 МПа или больше при измерении согласно методике Izhar при 23°C, включая напряжение при 12% растяжении, равное 16 МПа или больше или напряжение при 12% растяжении, равное 18 МПа или больше.
По меньшей мере, одна полимерная лента может иметь коэффициент теплового расширения, равный 120×10-6/°C или меньше при 25°C согласно ASTM D696.
Геоячейка может быть использована в виде слоя мостовой, дороги, железнодорожного пути или автостоянки. Геоячейка может быть наполнена зернистым материалом, выбранным из группы, состоящей из песка, гравия, дробленого камня, щебня, каменной муки, раздробленного бетона, регенерированного асфальта, кирпичной крошки, строительных обломков и строительного мусора, стеклянного боя, шлака от электростанций, зольной пыли, угольной золы, шлака доменной плавки, гранулированного шлака для производства цемента, металлосодержащего шлака и их смесей.
В других вариантах осуществления раскрыта геоячейка, образованная из полимерных лент, причем, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет динамический модуль упругости, равный 150 МПа или больше при измерении в продольном направлении посредством Динамического Механического Анализа (ДМА) согласно ASTM D4065 при 63°C и с частотой, равной 1 Гц.
По меньшей мере, одна полимерная лента может иметь динамический модуль упругости, равный 250 МПа или больше, включая динамический модуль упругости, равный 400 МПа или больше.
Помимо этого в других вариантах осуществления раскрыта геоячейка, образованная из полимерных лент, причем, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет долгосрочное расчетное напряжение, равное 2,6 МПа или больше, при измерении согласно методике PRS SIM.
По меньшей мере, одна полимерная лента может иметь долгосрочное расчетное напряжение, равное 3 МПа или больше, включая долгосрочное расчетное напряжение, равное 4 МПа или больше.
Ниже более подробно описаны данные и другие варианты осуществления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее следует краткое описание чертежей, которые представлены с целью пояснения иллюстративных вариантов осуществления, раскрытых в настоящей заявке, а не с целью их ограничения.
ФИГ.1 представляет собой перспективное изображение геоячейки.
ФИГ.2 представляет собой схему, показывающую иллюстративный вариант осуществления полимерной ленты, использованной в геоячейках настоящего раскрытия.
ФИГ.3 представляет собой схему, показывающую еще один иллюстративный вариант осуществления полимерной ленты, использованной в геоячейках настоящего раскрытия.
ФИГ.4 представляет собой схему, показывающую еще один иллюстративный вариант осуществления полимерной ленты, использованной в геоячейках настоящего раскрытия.
ФИГ.5 представляет собой график, сравнивающий результаты напряжения-растяжения различных ячеек настоящего раскрытия со сравнительным примером.
ФИГ.6 представляет собой график, показывающий кривую напряжения-растяжения для геоячеек настоящего раскрытия.
ФИГ.7 представляет собой график, показывающий результаты испытания вертикальной нагрузкой для иллюстративной ячейки настоящего раскрытия в сравнении со сравнительным примером.
ФИГ.8 представляет собой график динамического модуля упругости и Tan Delta в зависимости от температуры для контрольной ленты.
ФИГ.9 представляет собой график динамического модуля упругости и Tan Delta в зависимости от температуры для полимерной ленты, использованной в геоячейках настоящего раскрытия.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Следующее подробное описание предоставлено для того, чтобы обеспечить возможность специалисту, обладающему обычными познаниями в данной области техники, создавать и применять варианты осуществления, раскрытые в настоящей заявке, и излагает наилучшие способы, предполагающие осуществление данных вариантов осуществления. Различные модификации, однако, будут оставаться очевидными специалистам, обладающим обычными познаниями в данной области техники, и должны рассматриваться в пределах объема правовых притязаний данного раскрытия.
Более полное понимание составных элементов, процессов и устройств, раскрытых в настоящей заявке, может быть получено с помощью ссылки на прилагаемые чертежи. Данные фигуры являются всего лишь схематическим представлением, основанным на удобстве и легкости демонстрации настоящего раскрытия, и вследствие этого не предназначены показывать относительный размер и параметры устройств или их составных элементов и/или определять или ограничивать объем правовых притязаний иллюстративных вариантов осуществления.
ФИГ.1 представляет собой перспективное изображение однослойной геоячейки. Геоячейка 10 включает в себя множество полимерных лент 14. Расположенные рядом ленты соединены вместе отдельными физическими швами 16. Соединение может быть выполнено посредством прикрепления, пришивания или сварки, но в большинстве случаев выполняется посредством сварки. Участок каждой ленты между двумя швами 16 образует стенку 18 отдельной ячейки 20. Каждая ячейка 20 имеет стенки, изготовленные из двух различных полимерных лент. Ленты 14 соединены вместе с образованием структуры медовых сот из множества лент. Например, наружная лента 22 и внутренняя лента 24 соединены вместе посредством физических швов 16, которые разделены равномерными промежутками по длине лент 22 и 24. Пара внутренних лент 24 соединена вместе посредством физических швов 32. Каждый шов 32 находится между двумя швами 16. В результате, когда множество лент 14 натягивают в направлении, перпендикулярном поверхностям лент, ленты изгибаются синусоидальным образом с образованием геоячейки 10. На краю геоячейки, где соприкасаются концы двух полимерных лент 22, 24, концевой сварной шов 26 (также считающийся швом) сделан на коротком расстоянии от конца 28 с образованием короткой хвостовой части 30, которая стабилизирует две полимерные ленты 22, 24.
Геоячейки настоящего раскрытия изготовлены из полимерных лент, которые имеют определенные физические свойства. В частности, полимерная лента имеет напряжение при пределе текучести, или при 12% растяжении, когда полимерная лента не имеет предела текучести, равное 14,5 МПа или больше, при измерении в продольном направлении (перпендикулярном плоскости швов в ячейке геоячейки) при скорости растяжения, равной 20%/минуту или 150%/минуту. В других вариантах осуществления полимерная лента имеет растяжение, составляющее 10% или меньше, при напряжении, равном 14,5 МПа, при измерении описанным способом. Другими словами, полимерная лента может выдерживать напряжения, равные 14 МПа или больше, не достигая своего предела текучести. Другие синонимы для предела текучести включают в себя напряжение при пределе текучести, предел упругости или предел пластичности. Когда полимерная лента не имеет предела текучести, считается, что напряжение соответствует 12% растяжению. Данные измерения относятся к механическим свойствам при растяжении полимерной ленты в продольном направлении, при 23°C, а не к ее свойствам при изгибе.
По причине того, что многие геоячейки являются перфорированными, измерение напряжения и растяжения согласно стандартам ASTM D638 или ISO 527 в целом невозможно. Таким образом, измерения проводят согласно следующей методике, которая представляет собой модифицированную версию указанных стандартов и упоминается в настоящей заявке как "процедура Izhar". Образец ленты 50 мм длиной и 10 мм шириной берут в направлении, параллельном уровню земли и перпендикулярном плоскости швов ячейки (т.е. в продольном направлении). Ленту закрепляют таким образом, чтобы расстояние между крепежными деталями составляло 30 мм. Затем ленту растягивают посредством перемещения крепежных деталей в стороны друг от друга со скоростью 45 миллиметров (мм) в минуту, которая переводится в скорость растяжения, равную 150%/минуту при 23°C. Нагрузку, предоставляемую лентой в ответ на указанную деформацию, измеряют посредством динамометрического датчика. Напряжение (Н/мм2) рассчитывают при различных растяжениях (растяжение представляет собой приращение длины, деленное на первоначальную длину). Напряжение рассчитывают посредством деления нагрузки при определенном растяжении на первоначальное номинальное поперечное сечение (ширина ленты, умноженная на толщину ленты). Поскольку поверхность ленты геоячейки, как правило, текстурирована, толщину образца измеряют просто, как расстояние от "крайней точки до крайней точки", усредненное между тремя положениями на ленте. (Например, считается, что лента, имеющая рельефный ромбообразный текстурный рисунок и имеющая расстояние между самым верхним текстурным рисунком верхней стороны и самым нижним текстурным рисунком нижней стороны, равное 1,5 мм, имеет 1,5 мм толщину.) Данная скорость растяжения, равная 150%/минуту, более характерна для мостовых и железнодорожных путей, где каждый цикл нагрузки является очень коротким.
В других вариантах осуществления полимерная лента может отличаться:
растяжением, составляющим самое большее 1,9% при напряжении, равном 8 МПа;
растяжением, составляющим самое большее 3,7% при напряжении, равном 10,8 МПа;
растяжением, составляющим самое большее 5,5% при напряжении, равном 12,5 МПа;
растяжением, составляющим самое большее 7,5% при напряжении, равном 13,7 МПа;
растяжением, составляющим самое большее 10% при напряжении, равном 14,5 МПа;
растяжением, составляющим самое большее 11% при напряжении, равном 15,2 МПа; и
растяжением, составляющим самое большее 12,5% при напряжении, равном 15,8 МПа.
Полимерная лента может также необязательно иметь растяжение, составляющее самое большее 14% при напряжении, равном 16,5 МПа; и/или растяжение, составляющее самое большее 17% при напряжении, равном 17,3 МПа.
В других вариантах осуществления полимерная лента может отличаться наличием напряжения, равного, по меньшей мере, 14,5 МПа при растяжении, составляющем 12%; напряжения, равного, по меньшей мере, 15,5 МПа при растяжении, составляющем 12%; и/или напряжения, равного, по меньшей мере, 16,5 МПа при растяжении, составляющем 12%.
В других вариантах осуществления полимерная лента может отличаться наличием динамического модуля упругости, равного 500 МПа или больше при 23°C, измеренного в продольном направлении посредством Динамического Механического Анализа (ДМА) с частотой, равной 1 Гц. Как и в случае измерения напряжения-растяжения при натяжении, толщину для анализа ДМА принимают как расстояние от «крайней точки до крайней точки», усредненное между тремя положениями. Измерения ДМА, описанные в настоящем раскрытии, проведены согласно ASTM D4065.
В других вариантах осуществления полимерная лента может отличаться наличием динамического модуля упругости, равного 250 МПа или больше при 50°C, измеренного в продольном направлении посредством Динамического Механического Анализа (ДМА) с частотой, равной 1 Гц.
В других вариантах осуществления полимерная лента может отличаться наличием динамического модуля упругости, равного 150 МПа или больше при 63°C, измеренного в продольном направлении посредством Динамического Механического Анализа (ДМА) с частотой, равной 1 Гц.
В других вариантах осуществления полимерная лента может отличаться наличием Tan Delta, составляющего 0,32 или меньше при 75°C, измеренного в продольном направлении посредством Динамического Механического Анализа (ДМА) с частотой, равной 1 Гц. Данные новые свойства находятся за пределами свойств типичных геоячеек из HDPE или MDPE.
Динамический Механический Анализ (ДМА) представляет собой методику, используемую для исследования и получения характеристик вязкоупругого характера для полимеров. В целом, к образцу материала прикладывают осцилирующую силу и измеряют происходящее в результате циклическое смещение образца в зависимости от циклической нагрузки. Чем выше упругость, тем ниже промежуток времени (фаза) между нагрузкой и смещением. Из этого, может быть определена точная жесткость (динамический модуль упругости) образца, а также механизм диссипации (динамический модуль механических потерь) и соотношение между ними (Tan Delta). ДМА также обсуждается в ASTM.
Еще одним аспектом геоячейки настоящего раскрытия является ее пониженный коэффициент теплового расширения (CTE) относительно существующих в настоящее время HDPE или MDPE. CTE является важным по причине того, что расширение/сокращение в процессе циклического температурного воздействия представляет собой еще один механизм, который обеспечивает также дополнительные кольцевые напряжения. HDPE и MDPE имеют CTE, составляющий приблизительно 200×10-6/°C в окружающем пространстве (23°C), и данный CTE является даже более высоким при температурах больше, чем окружающая среда. Геоячейка настоящего раскрытия имеет CTE, составляющий приблизительно 150×10-6/°C или меньше при 23°C, а в отдельных вариантах осуществления приблизительно 120×10-6/°C или меньше при 23°C при измерении согласно ASTM D696. CTE геоячейки настоящего раскрытия имеют более низкую тенденцию к увеличению при повышенных температурах.
Еще одним аспектом геоячейки настоящего раскрытия является ее более низкая тенденция к ползучести при постоянной нагрузке. Более низкую тенденцию к ползучести измеряют согласно ускоренному испытанию на ползучесть посредством ступенчатого изотермического метода (SIM), который описан в ASTM 6992. В данном способе полимерный образец подвергают постоянной нагрузке по программе ступенчатого изменения температуры (т.е. температуру повышают и удерживают постоянной в течение предварительно определенного периода). На стадиях более высокой температуры ползучесть ускоряется. Процедуру испытания SIM применяют к образцу с шириной, равной 100 мм, и чистой длиной, равной 50 мм (расстояние между крепежными деталями). К образцу прикладывают статическую нагрузку и нагревают согласно процедуре, включающей стадии:
| Стадия | Т | Время |
| по Цельсию | часы | |
| 0 | 23 | 0 |
| 1 | 30 | 3 |
| 2 | 37 | 3 |
| 3 | 44 | 3 |
| 4 | 51 | 3 |
| 5 | 58 | 3 |
| 6 | 65 | 3 |
| 7 | 72 | 3 |
Данная процедура SIM упоминается в настоящей заявке как "процедура PRS SIM". В конце процедуры измеряют пластическое растяжение (необратимое увеличение длины, деленное на исходную длину). Пластическое растяжение измеряют относительно различных нагрузок, причем нагрузку, которая вызывает пластическое растяжение, равное 10% или меньше, называют "долгосрочной расчетной нагрузкой." Напряжение, связанное с долгосрочной расчетной нагрузкой (указанная нагрузка, деленная на (первоначальную ширину, умноженную на первоначальную)), составляет "долгосрочное расчетное напряжение" и обеспечивает разрешенное кольцевое напряжение, которое геоячейка может выдерживать на протяжении долгого периода времени при статической нагрузке.
Типичная геоячейка из HDPE, когда ее подвергают процедуре PRS SIM, может обеспечивать долгосрочное расчетное напряжение, равное всего лишь 2,2 МПа.
В некоторых вариантах осуществления, полимерная лента согласно настоящему раскрытию характеризуется долгосрочным расчетным напряжением, равным 2,6 МПа или больше, включая долгосрочное расчетное напряжение, равное 3МПа или больше или даже 4 МПа или больше.
В отличие от геоячейки из HDPE геоячейка настоящего раскрытия может обеспечивать значительно лучшие свойства до 16% растяжения, а в некоторых вариантах осуществления до 22% растяжения. В частности, геоячейка может упруго реагировать на напряжения больше чем 14,5 МПа, обеспечивая, таким образом, необходимые свойства для вариантов применения, связанных с выдерживанием нагрузок. Упругая реакция гарантирует полное восстановление первоначальных параметров, при устранении нагрузки. Геоячейка обеспечит засыпку с повышенной допустимой нагрузкой и повышенным упругим восстановлением своего первоначального диаметра при повторяющихся нагрузках (т.е. циклических нагрузках). Более того, геоячейка настоящего раскрытия может быть использована с зернистыми материалами, которые, как правило, не могут быть использованы в подстилающих слоях дорожного покрытия и подстилающих грунтах, как описано далее в настоящей заявке. Геоячейка настоящего раскрытия также обеспечивает возможность лучшей грузоподъемности и сопротивления усталости во влажных условиях, особенно когда используются мелкоструктурные зернистые материалы.
Полимерная лента может включать в себя полиэтиленовый (PE) полимер, как, например, HDPE, MDPE или LDPE, который был модифицирован, как описано дополнительно ниже.
Полимерная лента может также включать в себя полипропиленовый (PP) полимер. Несмотря на то что большинство PP гомополимеров являются слишком хрупкими, а большинство PP сополимеров являются слишком мягкими для вариантов применения, связанных с выдерживанием нагрузок, некоторые сорта PP полимеров являются пригодными. Подобные PP полимеры могут быть достаточно жесткими для применения, связанного с выдерживанием нагрузки, и тем не менее достаточно мягкими, чтобы геоячейка могла быть сложена. Иллюстративные полипропиленовые полимеры, пригодные для настоящего раскрытия, включают в себя полипропиленовые неупорядоченные сополимеры, полипропиленовые ударопрочные сополимеры, смеси полипропилена либо с этилен-пропилен-диен-мономером (ЭПДМ) либо с эластомером, основанным на этилен-альфа-олефиновом-сополимере, и полипропиленовые блок сополимеры. Подобные PP полимеры доступны для приобретения под названием R338-02N от Dow Chemical Company; ударопрочный сополимер марки PP 71 EK71 PS от SABIC Innovative Plastics; а PP RA1 E10 неупорядоченный сополимер от SABIC Innovative Plastics. Иллюстративные эластомеры, основанные на этилен-альфа-олефиновом-сополимере, включают в себя эластомеры Exact®, производимые Exxon Mobil, и эластомеры Tafmer®, производимые Mitsui. Поскольку PP полимеры являются хрупкими при низких температурах (ниже чем приблизительно минус 20°C) и имеют тенденцию к ползучести при статических или циклических нагрузках, геоячейки настоящего раскрытия, которые включают PP, могут быть менее грузоподъемными и более ограниченными в отношении своих рабочих температур, чем геоячейки настоящего раскрытия, которые включают HDPE.
PP и/или PE полимеры или любая другая полимерная композиция согласно настоящему раскрытию полностью модифицированы посредством различных процессов обработки и/или добавок, для достижения требуемых физических свойств. Наиболее эффективной обработкой является послеэкструзионная обработка, либо после пресса для выдавливания, либо в виде отдельной обработки впоследствии. Как правило, полимеры с низкой кристалличностью, как, например, LDPE, MDPE и некоторые PP полимеры, будут требовать послеэкструзионной обработки, как, например, ориентирования, перекрестного сшивания и/или термического отжига, тогда как полимеры с высокой кристалличностью могут быть экструдированы в виде лент и сварены вместе с образованием геоячейки без необходимости применения послеэкструзионной обработки.
В некоторых вариантах осуществления, полимерная лента включает в себя смесь (как правило, в виде компатибилизированного сплава) (i) высокоэффективного полимера и (ii) полиэтиленового или полипропиленового полимера. Смесь представляет собой в целом не поддающуюся смешению смесь (сплав), в которой высокоэффективный полимер диспергирован в матрице, образованной полиэтиленовым или полипропиленовым полимером. Высокоэффективный полимер представляет собой полимер, имеющий (1) динамический модуль упругости, равный 1400 МПа или больше при 230C, измеренный в продольном направлении посредством Динамического Механического Анализа (ДМА) с частотой, равной 1 Гц согласно ASTM D4065; или (2) максимальный предел прочности на растяжение, составляющий, по меньшей мере, 25 МПа. Иллюстративные высокоэффективные полимеры включают в себя полиамидные смолы, полиэфирные смолы и полиуретановые смолы. Особенно подходящие высокоэффективные полимеры включают в себя полиэтилентерефталат (PET), полиамид 6, полиамид 66, полиамид 6/66, полиамид 12, и их сополимеры. Высокоэффективный полимер, как правило, включает в себя от приблизительно 5 до приблизительно 85 весовых процентов полимерной ленты. В отдельных вариантах осуществления высокоэффективный полимер составляет от приблизительно 5 до приблизительно 30 весовых процентов полимерной ленты, включая от приблизительно 7 до приблизительно 25 весовых процентов.
Свойства полимерных лент могут быть модифицированы либо перед образованием геоячейки (посредством сварки лент), либо после образования геоячейки. Полимерные ленты большей частью изготавливают посредством экструдирования листа полимерного материала и отрезания полос от указанного листа полимерного материала, при этом с целью эффективности лист, как правило, модифицируют. Модификацию можно производить вслед за экструзионным процессом, после того как расплав сформован в лист, а лист охлажден до температуры более низкой, чем температура плавления, или в виде вторичного процесса после того, как лист отделяют от экструзионной головки. Модификация может быть произведена за счет обработки листа, лент и/или геоячейки посредством перекрестного сшивания, кристаллизации, отжига, ориентирования и их сочетаний.
Например, лист, который имеет от 5 до 500 см в ширину, может быть растянут (т.е. ориентирование) в температурном диапазоне от приблизительно 25°C до приблизительно 10°C ниже максимальной температуры плавления (Tm) полимерной смолы, использованной для создания листа. Процесс ориентирования изменяет длину ленты, поэтому лента может увеливаться в длину от 2% до 500% относительно своей первоначальной длины. После натягивания лист может быть отожжен. Отжиг может происходить при температуре, которая на 2-60°C ниже, чем максимальная температура плавления (Tm) полимерной смолы, использованной для создания листа. Например, если получают HDPE, MDPE или PP лист, натягивание и/или отжиг производят при температуре, составляющей от приблизительно 24°C до 150°C. Если полимерный сплав отжигают, то температура отжига на 2-60°C ниже, чем максимальная температура плавления (Tm) фазы HDPE, MDPE или PP.
В некоторых отдельных вариантах осуществления полимерный лист или ленту натягивают для увеличения ее длины на 50% (т.е. так, чтобы конечная длина составляла 150% первоначальной длины). Натягивание производят при температуре, составляющей приблизительно 100-125°C на поверхности полимерного листа или ленты. Вследствие натягивания толщина уменьшается на 10%-20%.
В других вариантах осуществления полимерный лист или ленту поперечно сшивают посредством облучения электронным пучком после экструдирования или посредством добавления источника свободных радикалов в полимерный состав перед плавлением или во время перемешивания расплава в экструдере.
В других вариантах осуществления необходимые свойства для геоячейки могут быть получены посредством предоставления многослойных полимерных лент. В некоторых вариантах осуществления полимерные ленты имеют, по меньшей мере, два, три, четыре или пять слоев.
В некоторых вариантах осуществления, как показано на ФИГ.2, полимерная лента 100 имеет, по меньшей мере, два слоя 110, 120, при этом два слоя изготовлены из одних и тех же или различных композиций, а, по меньшей мере, один слой изготавлен из высокоэффективного полимера или полимерного композита, имеющего (1) динамический модуль упругости, равный 1400 МПа или больше при 23°C, измеренный в продольном направлении посредством Динамического Механического Анализа (ДМА) с частотой, равной 1Гц согласно ASTM D4065; или (2) максимальный предел прочности при натяжении, составляющий, по меньшей мере, 25 МПа. В вариантах осуществления, один слой включает в себя высокоэффективный полимер, а другой слой включает в себя полиэтиленовый или полипропиленовый полимер, который может представлять собой смесь или сплав полиэтиленового или полипропиленового полимера с другими полимерами, наполнителями, добавками, волокнами и эластомерами. Иллюстративные высокоэффективные смолы включают в себя полиамиды, полиэфиры, полиуретаны; сплавы (1) полиамидов, полиэфиров или полиуретанов с (2) LDPE, MDPE, HDPE или PP; и сополимеры, блок сополимеры, смеси или комбинации любых двух из трех полимеров (полиамидов, полиэфиров, полиуретанов).
В других вариантах осуществления, как показано на ФИГ.3, полимерная лента 200 имеет пять слоев. Два слоя являются наружными слоями 210, один слой является сердцевинным слоем 230, а два промежуточных слоя 220 связывают сердцевинный слой с каждым наружным слоем (т.е. поэтому промежуточные слои служат в качестве связующих слоев). Данная пятислойная лента может быть образована посредством совместной экструзии.
В других вариантах осуществления полимерная лента 200 имеет только три слоя. Два слоя являются наружными слоями 210, а третий слой является сердцевинным слоем 230. В данном варианте осуществления, промежуточные слои 220 отсутствуют. Данная трехслойная лента может быть образована посредством совместной экструзии.
Наружные слои могут обеспечивать противодействие падению ультрафиолетового излучения и гидролизу и иметь хорошую свариваемость. Наружный слой может быть изготовлен из полимера, выбранного из группы, состоящей из HDPE, MDPE, LDPE, полипропилена, их смесей и их сплавов с другими соединениями и полимерами. Данные полимеры могут быть смешаны с эластомерами, особенно ЭПДМ и этилен-альфа-олефиновыми сополимерами. Сердцевинный и/или наружный слой может также быть изготовлен из сплавов (1) HDPE, MDPE, LDPE или PP с (2) полиамидом или полиэфиром. Каждый наружный слой может иметь толщину, составляющую от приблизительно 50 до приблизительно 1500 микрометров (микрон)
Промежуточные (связующие) слои могут быть изготовлены из функционализированных HDPE сополимеров или терполимеров, функционализированных PP сополимеров или терполимеров, сополимера этилена с полярным мономером или терполимера этилена с полярным мономером. Как правило, HDPE и PP сополимеры/терполимеры содержат в себе функциональные концевые группы и/или боковые группы, которые обеспечивают возможность образования химических связей между промежуточными слоями (связующими слоями) и наружным слоем. Иллюстративные функциональные боковые группы включают в себя карбоксильную, ангидридную, оксирановую, амино, амидо, сложноэфирную, оксазолиновую, изоцианатную или их комбинации. Каждый промежуточный слой может иметь толщину, составляющую от приблизительно 5 до приблизительно 500 микрометров. Иллюстративные смолы с промежуточным слоем включают в себя смолы Lotader®, производимые Arkema, и Elvaloy®, Fusabond® или смолы Surlyn®, производимые DuPont.
Сердцевинный и/или наружный слой может включать в себя полиэфир и его сплавы с PE или PP, полиамид и его сплавы с PE или PP, смеси полиэфира и полиамида и их сплавов с PE или PP. Иллюстративные полиамиды включают в себя полиамид 6, полиамид 66 и полиамид 12. Иллюстративные полиэфиры включают в себя полиэтилентерефталат (PET) и полибутилентерефталат (PBT). Сердцевинный и/или наружный слой может иметь толщину, составляющую от приблизительно 50 до приблизительно 2000 микрометров.
В других вариантах осуществления, как показано на ФИГ.4, полимерная лента 300 имеет три слоя: верхний слой 310, центральный слой 320 и нижний слой 330. Верхний слой является таким же, как наружный слой, описанный ранее, центральный слой является таким же, как промежуточный слой, описанный ранее, а нижний слой является таким же, как сердцевинный слой, описанный ранее.
Геоячейки, как правило, являются рельефными (текстурированными посредством прессования полутвердой массы после экструзии рельефным барабаном) для увеличения трения с зернистой засыпкой или с грунтом. Геоячейки могут также быть перфорированными для улучшения трения с зернистой засыпкой и выпуска воды. Однако как тиснение, так и перфорация уменьшают жесткость и прочность геоячейки. Поскольку данные вспомогательные средства для трения обычно присутствуют, геоячейке необходимо обеспечить повышенную прочность и жесткость посредством изменения ее полимерного состава и/или морфологии.
Полимерная лента может дополнительно включать в себя добавки для достижения требуемых физических свойств. Подобные добавки могут быть выбраны среди прочего из зародышеобразователей, наполнителей, волокон, наночастиц, светостабилизаторов из стерически затрудненных аминов (HALS), антиоксидантов, поглотителей УФ излучения и сажи.
Наполнители могут быть в виде порошков, волокон или нитевидных кристаллов. Иллюстративные наполнители включают в себя оксид металла, как, например, оксид аллюминия; карбонат металла, как, например, карбонат кальция, карбонат магния или двойная углекислая соль кальция и магния; сульфат металла, как, например, сульфат кальция; фосфат металла; силикат металла - особенно тальк, каолин, слюду или волластонит; борат металла; гидроксид металла; двуокись кремния; силикат; алюмосиликат; мел; тальк; доломит; органическое или неорганическое волокно или нитевидный кристалл; металл; неорганические частицы с металлическим покрытием; глину; каолин; промышленную золу; бетонный порошок; цемент; или их смеси. В некоторых вариантах осуществления наполнитель имеет средний размер частиц меньше чем 10 микрон, а в некоторых вариантах осуществления, также имеет соотношение геометрических размеров больше чем единица. В отдельных вариантах осуществления, наполнителями является слюда, тальк, каолин и/или волластонит. В других вариантах осуществления волокна имеют диаметр меньше чем 1 микрон.
Наночастицы могут быть добавлены к полимерной композиции с различными целями. Например, неорганические поглощающие УФ твердые наночастицы практически не обладают подвижностью и вследствие этого очень устойчивы против вымывания и/или испарения. Поглощающие УФ твердые наночастицы также являются светопроницаемыми в видимом спектре и распределены очень равномерно. Вследствие этого они обеспечивают защиту без какого-либо влияния на цвет или оттенок полимера. Иллюстративные поглощающие УФ наночастицы включают в себя материал, выбранный из группы, состоящей из солей титана, оксидов титана, оксидов цинка, галидов цинка и солей цинка. В отдельных вариантах осуществления поглощающие УФ наночастицы представляют собой диоксид титана. Примерами имеющихся в продаже поглощающих УФ частиц являются SACHTLEBEN™ Hombitec RM 130F TN, от Sachtleben, оксид цинка ZANO™ от Umicore, оксид цинка NanoZ™ от Advanced Nanotechnology Limited и AdNano Zinc Oxide™ от Degussa.
Полимерные ленты, из которых образована геоячейка, изготовлены с помощью различных процесов. Как правило, процесс включает в себя плавление полимерной композиции, экструдирование композиции сквозь экструзионную головку в виде расплавленного листа, формирование и, необязательно, текстурирование полученного в результате листа, при необходимости обработка листа с целью получения требуемых свойств, разрезание листа на ленты, сварка, пришивание, соединение или заклепывание лент, образованных из листа, вместе в геоячейку. Сперва, различные составные элементы, как, например, полимерные смолы и любые требуемые добавки перемешивают в расплавленном состоянии, как правило, в экструдере или смесителе. Это может быть проделано, например, в экструдере, как, например, в двухшнековом экструдере или одношнековом экструдере с достаточным количеством составных частей смеси, что обеспечивает необходимое нагревание и сдвигание с минимальным разрушением полимера. Композицию перемешивают в расплавленном состоянии таким образом, чтобы любые добавки были полностью диспергированы. Затем композицию экструдируют сквозь головку и сдавливают между металлическими каландрами в листовую форму. Иллюстративные варианты обработки, обеспечиваемые после экструзионной головки, включают в себя текстурирование поверхности листа, перфорирование листа, ориентирование (однонаправленное или двунаправленное), облучение электронным пучком или рентгеновским излучением и термический отжиг. В некоторых вариантах осуществления лист подвергают термической обработке для увеличения кристалличности и уменьшения внутренних напряжений. В других вариантах осуществления лист обрабатывают, индуцируя поперечное сшивание полимерной смолы посредством электронного луча, ренгеновского излучения, термообработки и их сочетаний. Также предполагаются комбинации приведенных выше вариантов обработки.
Ленты могут быть образованы из полученного в результате листа и сварены, сшиты или соединены вместе с образованием геоячейки. Подобные способы известны в данной области. Полученная в результате геоячейка способна сохранять жесткость при длительном циклическом изменении нагрузки на протяжении продолжительных периодов времени.
Геоячейки настоящего раскрытия являются подходящими для вариантов применения, связанных с выдерживанием нагрузок, в которых существующие в настоящее время геоячейки не могут быть использованы. В частности, в настоящих геоячейках могут также быть использованы материалы для засыпки, которые, как правило, не пригодны для вариантов применения, связанных с выдерживанием нагрузок для подстилающих слоев дорожного покрытия, подстилающих грунтов и земляных полотен.
В частности, геоячейки настоящего раскрытия предоставляют возможность использования материалов для засыпки, которые ранее были непригодны для использования в вариантах применения, связанных с выдерживанием нагрузок, как, например, подстилающие слои дорожного покрытия и подстилающие грунты вследствие своей недостаточной жесткости и относительно плохого сопротивления усталости (у зернистых материалов сопротивление усталости также известно как модуль упругости). Иллюстративные зернистые материалы для засыпки, которые теперь могут быть использованы, включают в себя каменную муку (мелкая фракция, остающаяся после сортировки зернистых материалов хорошего качества), раздробленный бетон, регенерированный асфальт, кирпичную крошку, строительные обломки и строительный мусор, стеклянный бой, шлак от электростанций, зольную пыль, угольную золу, шлак доменной плавки, гранулированный шлак для производства цемента, металлосодержащий шлак и их смеси.
Настоящее раскрытие будет дополнительно проиллюстрировано в следующих неограничивающих рабочих примерах, причем необходимо понимать, что данные примеры предназначены только для иллюстрирования, и что не предусматривается ограничение раскрытия материалами, условиями, параметрами процессов и тому подобное, приведенными в настоящих примерах.
ПРИМЕРЫ
Некоторые геоячейки изготавливали и испытывали на их реакцию напряжения-растяжения, свойства ДМА и их влияние на грузоподъемность зернистого материала.
В большинстве случаев свойства напряжения-растяжения при натяжении измеряли посредством методики Izhar, описанной ранее.
Нагрузку с различными смещениями измеряли или переводили в Ньютоны (Н). Смещение измеряют или переводят в миллиметры (мм). Напряжение рассчитывали посредством деления нагрузки с конкретным смещением на первоначальное поперечное сечение ленты (первоначальная ширина, умноженная на первоначальную толщину, причем толщина представляет собой номинальное расстояние от крайней точки до крайней точки между верхней поверхностью и нижней поверхностью). Растяжение (%) рассчитывали посредством деления конкретного смещения (мм) на первоначальную длину (мм) и умножения на 100.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 1
Получали геоячейку, изготовленную из полиэтилена с высокой плотностью (HDPE), доступного для приобретения у Presto Geosystems (Wisconsin, USA), и испытывали ее свойства. Средняя толщина стенок ячейки составляла 1,5 мм, а лента имела текстурный рисунок из ромбообразных вертикальных ячеек. Геоячейка не была перфорирована. Ее реакция напряжения-растяжения согласно методике Izhar показана в Таблице 1.
| Таблица 1 | ||||||||
| Напряжение (МПа) | 7,874 | 10,499 | 12,336 | 13,386 | 13,911 | 14 | 14 | 14 |
| Растяжение (%) | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 14 | 16 |
При растяжении, составляющем приблизительно 8%, и напряжении, составляющем приблизительно 13,4 МПа, в Сравнительном Примере начинала происходить серьезная пластическая деформацию и фактически наступал предел текучести при приблизительно 8% растяжении. Другими словами, после ослабления напряжения, образец не возвращался к своей первоначальной длине, но оставался постоянно удлиненным (постоянные остаточные растяжения). Данное явление нежелательно для сотовых ограничивающих систем для вариантов применения, связанных с выдерживанием нагрузок - особенно для тех, которые подвергаются многочисленным (10,000-1,000,000 и более) циклам на протяжении периода эксплуатации изделия и являются причиной плохих эксплуатационных характеристик геоячеек из HDPE в качестве выдерживающих нагрузку опор для мостовых и железнодорожных путей.
ПРИМЕР 1
Ленту из HDPE экструдировали и выдавливали рельеф для предоставления текстурного рисунка, по аналогии со Сравнительным Примером 1. Лента имела толщину, равную 1,7 мм, и ее затем натягивали при температуре, составляющей 100°C (на поверхности ленты), таким образом, чтобы длина была увеличена на 50%, а толщина была уменьшена на 25%. Согласно методике Izhar измеряли реакцию напряжения-растяжения данной ленты HDPE, которая показана в Таблице 2.
| Таблица 2 | |||||||||
| Напряжение (МПа) | 8 | 10,8 | 12,5 | 13,7 | 14,5 | 15,2 | 15,8 | 16,5 | 17,3 |
| Растяжение (%) | 1,9 | 3,3 | 4,8 | 6 | 6,6 | 7,6 | 8,8 | 10,5 | 12 |
Лента Примера 1 сохраняла повышение упругой реакции на протяжении 12% растяжения без предела текучести и без достижения своего предела пластичности и при напряжениях больше чем 17 МПа. Восстановление исходных параметров после ослабления нагрузки было близко к 100%.
ПРИМЕР 2
Композицию высокоэффективного полимерного сплава, содержащую 12 мас.% полиамида 12, 10 мас.% полибутилентерефталата, 5% полиэтилена, привитого улучшающей сочетаемость присадкой из малеинового ангидрида (Bondyram® 5001, производимый Polyram), и 73% HDPE, экструдировали с образованием текстурированного листа 1,5 мм толщиной. Согласно методике Izhar измеряли реакцию напряжения-растяжения ленты, образованной из данной композиции, которая показана в Таблице 3.
| Таблица 3 | |||||||||
| Напряжение (МПа) | 8 | 10,8 | 12,5 | 13,7 | 14,5 | 15,2 | 15,8 | 16,5 | 17,3 |
| Растяжение (%) | 1,9 | 3,6 | 5,2 | 6,8 | 7,9 | 8,9 | 10 | 12 | 14 |
Лента Примера 2 сохраняла повышение упругой реакции на протяжении 14% растяжения и при напряжениях больше чем 17 МПа, без предела текучести и не достигая своего предела пластичности. Восстановление исходных параметров после ослабления нагрузки было близко к 100%.
ФИГ.5 представляет собой график, показывающий результаты напряжения-растяжения для Сравнительного Примера 1, Примера 1 и Примера 2. Для кажого результата была добавлена дополнительная точка (0,0). Как можно видеть, Пример 1 и Пример 2 не имеют остроконечного предела текучести и сохраняли увеличение напряжения без предела текучести до 12-14% растяжения при напряжениях больше чем 17 МПа, тогда как в Сравнительном Примере 1 достигался предел текучести при 8-10% растяжении и напряжении, составляющем приблизительно 14 МПа. Это транслируется в больший интервал, в котором сохраняется упругая реакция. То, что предел текучести не наблюдался для Примера 1 и Примера 2, является важным, когда ожидается циклическая нагрузка, и способность возвращаться к первоначальным параметрам (и таким образом максимальное ограничение засыпки) является ключевой.
ФИГ.6 представляет собой график, показывающий разницу между результатом напряжения-растяжения Сравнительного Примера 1 и полимерной лентой настоящего раскрытия, которая характеризуется наличием растяжения, составляющего самое большее 1,9% при напряжении, равном 8 МПа; растяжения, составляющего самое большее 3,7% при напряжении, равном 10,8 МПа; растяжения, составляющего самое большее 5,5% при напряжении, равном 12,5 МПа; растяжения, составляющего самое большее 7,5% при напряжении, равном 13,7 МПа; растяжения, составляющего самое большее 10% при напряжении, равном 14,5 МПа; растяжения, составляющего самое большее 11% при напряжении, равном 15,2 МПа; растяжения, составляющего самое большее 12,5% при напряжении, равном 15,8 МПа; растяжения, составляющего самое большее 14% при напряжении, равном 16,5 МПа; и растяжения, составляющего самое большее 17% при напряжении, равном 17,3 МПа. Область влево от пунктирной линии определяет сочетание напряжения-растяжения согласно настоящему раскрытию.
ПРИМЕР 3
Испытывали две ячейки с целью продемонстрировать улучшение укрепления зернистого материала и повышенную грузоподъемность. Данные ячейки представляли собой единичные ячейки, а не целую геоячейку. В качестве контроля использовали одну ячейку, соответствующую Сравнительному Примеру 1. Для сравнения ячейка была изготовлена из композиции согласно Примеру 2, текстурирована и имела толщину, равную 1,5 мм.
Стенки каждой ячейки составляли 10 см в высоту, 33 см между швами, были рельефными, неперфорированными и имели толщину, равную 1,5 мм. Ячейка была открыта таким образом, чтобы ее длинный "радиус" составлял приблизительно 260 мм, а ее короткий радиус составлял приблизительно 185 мм. Форма с песком 800 мм длины и 800 мм ширины была наполнена на 20 мм глубины песком. Распределение гранулометрического состава песка представлено в Таблице 4.
| Таблица 4 | ||||||
| Отверстие сетчатого фильтра (мм) | 0,25 | 0,5 | 0,75 | 1 | 2 | 4 |
| Совокупное прохождение % | 10-20 | 35-55 | 50-70 | 60-80 | 80-90 | 90-100 |
Ячейку помещали на поверхность данного песка и наполняли таким же песком. Увеличенная в объеме ячейка имела приблизительно эллиптическую форму, приблизительно 260 мм по длинной оси и приблизительно 180 мм по короткой оси. Дополнительный песок затем помещали в форму с песком с целью окружить ячейку и закопать ячейку таким образом, чтобы ячейку покрывал верхний слой, равный 25 мм. Затем песок уплотняли до относительной плотности 70%.
Поршень диаметром 150 мм помещали над центром ячейки и нагрузку увеличивали, обеспечивая приращение давления на поверхность песка в 50 кПа (т.е. давление увеличивали каждую 1 минуту на 50 кПа). Измеряли смещение (проникновение поршня в изолированный песок) и давление (вертикальную нагрузку, деленную на площадь поршня).
Поршень использовали (1) только на песке; (2) на ячейке Сравнительного Примера 1; и (3) на ячейке Примера 2. Результаты показаны в Таблице 5.
| Таблица 5 | ||||||||||
| Вертикальная нагрузка (кПа) | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | 450 | 500 | 550 |
| Смещение только в песке (мм) | 1 | 2 | 3 | >10 | >15 | >20 | >20 | >20 | >20 | >20 |
| Смещение с ячейкой Сравнительного Примера 1 (мм) | 0,7 | 1,3 | 2 | 2,5 | 3 | 4 | 5 | >10 | >15 | >20 |
| Смещение с ячейкой Примера 2 (мм) | 0,6 | 1 | 1,1 | 1,7 | 2 | 2,5 | 2,9 | 4 | 5 | 7 |
Ячейка Примера 2 продолжала упруго проявлять эксплуатационные свойства при давлениях больше чем 400 кПа, тогда как ячейка Сравнительного Примера 1 нет. Вследствие текучести стенки HDPE, в ячейке Сравнительного Примера 1 наболюдалось плохое ограничение. Предел текучести для Сравнительного Примера 1 происходил при вертикальном давлении, составляющем приблизительно 250 кПа, и если среднее кольцевое напряжение (средний диаметр ячейки составляет 225 мм) рассчитывают при этом вертикальном давлении, получают значение, составляющее приблизительно 13,5 МПа. Данное число очень хорошо соответствует значениям предела текучести, полученным посредством измерения напряжения-растяжения при натяжении согласно методике Izhar. Результаты, там показанные, имели сильную и существенную корреляцию между жесткостью к сопротивлению текучести (способностью нести кольцевые напряжения больше чем 14 МПа) и способностью выдерживать большую вертикальную нагрузку. Необходимо отметить, что данное испытание представляло только одну нагрузку, тогда как в практических вариантах применения нагрузка, которую надо выдерживать, является циклической. В результате устойчивость к пластической деформации является очень важной и отсутствовала в ячейке Сравнительного Примера 1.
Фиг. 7 представляет собой график, показывающий результаты в Таблице 5. Различие в устойчивости к проникновению (т.е. насколько хорошо ячейка выдерживала вертикальную нагрузку) является очень четким.
ПРИМЕР 4
Полимерная лента была получена согласно Примеру 2.
В качестве контроля была предоставлена лента HDPE 1,5 мм толщины согласно Сравнительному Примеру 1.
Затем подробно исследовали две ленты посредством Динамического Механического Анализа (ДМА) с частотой, равной 1 Гц согласно ASTM D4065. Контрольную ленту HDPE испытывали в температурном диапазоне, составляющем приблизительно от -150°C до приблизительно 91°C. Контрольную ленту нагревали на 5°C/мин и измеряли усилие, смещение, динамический модуль упругости и Tan Delta. Полимерную ленту Примера 2 испытывали в температурном диапазоне, составляющем приблизительно от -65°C до приблизительно 120°C. Контрольную ленту нагревали на 5°C/мин и измеряли усилие, смещение, динамический модуль упругости и Tan Delta.
ФИГ. 8 представляет собой график динамического модуля упругости (модуля упругости) и Tan Delta в зависимости от температуры для контрольной ленты из HDPE.
ФИГ.9 представляет собой график динамического модуля упругости (модуля упругости) и Tan Delta в зависимости от температуры для полимерной ленты Примера 2.
Динамический модуль упругости HDPE понижался более быстро, чем динамический модуль упругости Примера 2. Динамический модуль упругости для ленты Примера 2 был почти в три раза выше, чем динамический модуль упругости для ленты из HDPE при 23°C. Для получения такого же динамического модуля упругости, который лента из HDPE имела при 23°C, ленту Примера 2 необходимо было нагревать почти до 60°C, т.е. лента Примера 2 сохраняла свой динамический модуль упругости лучшим.
Tan Delta для ленты из HDPE увеливался экспоненциально, начиная от приблизительно 75°C, обозначая потерю упругости (т.е. материал становился слишком пластичным и мог не сохранять достаточную жесткость и упругость), так что лента была вязкой и пластичной. Это нежелательно, поскольку геоячейки могут нагреваться даже при нахождении под землей (как, например, на дороге). Tan Delta для ленты Примера 2 сохраняла свойства при температурах до 100°C. Данное свойство желательно, поскольку оно обеспечивает дополнительный фактор безопасности. Поскольку эксплуатационные характеристики при повышенных температурах представляет собой способ прогнозировать долгосрочные эксплуатационные характеристики при умеренных температурах (как описано в ASTM 6992), то, что HDPE за секунды начинал терять свою упругость и таким образом свой потенциал выдерживания нагрузки при приблизительно 75°C, обеспечивает некоторое понимание относительно его плохого сопротивления ползучести и тенденции к пластической деформации. В отличие от HDPE композиция согласно настоящему раскрытию сохраняет свою упругость (низкую Tan Delta) при очень высоких температурах, за счет чего предполагается, что она обладает потенциалом сохранять свои свойства в течение многих лет и многих циклов нагрузки.
ПРИМЕР 5
Три ленты испытывали согласно процедуре PRS SIM для определния их долгосрочного расчетного напряжения (LTDS). В качестве контроля одну ленту из HDPE изготовили согласно сравнительному примеру 1. Первую испытываемую ленту изготовили согласно Примеру 2. Вторую испытываемую ленту изготовили согласно Примеру 2, затем ориентировали при 115°C для увеличения ее первоначальной длины на 40%. Результаты показаны в Таблице 6 ниже.
| Таблица 6 | |||
| Геоячейка | Сравнительный Пример 1 | Пример 2 | Ориентированный Пример 2 |
| LTDS (МПа) | 2,2 | 3 | 3,6 |
Как видно в данном случае, как Пример 2, так и Ориентированный Пример 2 имели повышенные LTDS по сравнению со Сравнительным Примером 1.
Несмотря на то что были описаны конкретные варианты осуществления, альтернативы, модификации, изменения, улучшения и существенные эквиваленты которые являются или могут быть непредусмотрены в настоящей заявке, могут возникнуть у заявителей или других специалистов в данной области. Соответственно, предполагается, что приложенная формула изобретения, как она подана и как она может быть исправлена, охватывает все подобные альтернативы, модификации, изменения, улучшения и существенные эквиваленты.
1. Геоячейка, образованная из полимерных лент, причем, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет динамический модуль упругости, равный 500 МПа или больше при измерении в продольном направлении посредством Динамического Механического Анализа (ДМА) согласно ASTM D4065 при 23°C и с частотой, равной 1 Гц.
2. Геоячейка по п.1, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет динамический модуль упругости, равный 700 МПа или больше.
3. Геоячейка по п.1, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет динамический модуль упругости, равный 1000 МПа или больше.
4. Геоячейка по п.1, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет напряжение при 12%-ном растяжении, равное 14,5 МПа или больше, при измерении согласно методике Izhar при 23°C.
5. Геоячейка по п.1, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет напряжение при 12%-ном растяжении, равное 16 МПа или больше, при измерении согласно методике Izhar при 23°C.
6. Геоячейка по п.1, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет напряжение при 12%-ном растяжении, равное 18 МПа или больше, при измерении согласно методике Izhar при 23°C.
7. Геоячейка по п.1, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет коэффициент теплового расширения, равный 120·10-6/°C или меньше при 25°C согласно ASTM D696.
8. Мостовая, дорога, железнодорожный путь или автостоянка, содержащие, по меньшей мере, один слой, содержащий геоячейку по п.1.
9. Мостовая, дорога, железнодорожный путь или автостоянка по п.8, при этом геоячейку наполняют зернистым материалом, выбранным из группы, состоящей из песка, гравия, дробленого камня, щебня, каменной муки, раздробленного бетона, регенерированного асфальта, кирпичной крошки, строительных обломков и строительного мусора, стеклянного боя, шлака от электростанций, зольной пыли, угольной золы, шлака доменной плавки, гранулированного шлака для производства цемента, металлосодержащего шлака и их смесей.
10. Геоячейка, образованная из полимерных лент, причем, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет динамический модуль упругости, равный 150 МПа или больше при измерении в продольном направлении посредством Динамического Механического Анализа (ДМА) согласно ASTM D4065 при 63°C и с частотой, равной 1 Гц.
11. Геоячейка по п.10, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет динамический модуль упругости, равный 250 МПа или больше.
12. Геоячейка по п.10, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет динамический модуль упругости, равный 400 МПа или больше.
13. Геоячейка по п.10, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет напряжение при 12%-ном растяжении, равное 14,5 МПа или больше при измерении согласно методике Izhar при 23°C.
14. Геоячейка по п.10, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет напряжение при 12%-ном растяжении, равное 16 МПа или больше при измерении согласно методике Izhar при 23°C.
15. Геоячейка по п.10, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет напряжение при 12%-ном растяжении, равное 18 МПа или больше при измерении согласно методике Izhar при 23°C.
16. Геоячейка по п.10, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет коэффициент теплового расширения, равный 120·10-6/°C или меньше при 25°C согласно ASTM D696.
17. Мостовая, дорога, железнодорожный путь или автостоянка, содержащие, по меньшей мере, один слой, содержащий геоячейку по п.10.
18. Мостовая, дорога, железнодорожный путь или автостоянка по п.17, при этом геоячейку наполняют зернистым материалом, выбранным из группы, состоящей из песка, гравия, дробленого камня, щебня, каменной муки, раздробленного бетона, регенерированного асфальта, кирпичной крошки, строительных обломков и строительного мусора, стеклянного боя, шлака от электростанций, зольной пыли, угольной золы, шлака доменной плавки, гранулированного шлака для производства цемента, металлосодержащего шлака и их смесей.
19. Геоячейка, образованная из полимерных лент, причем, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет долгосрочное расчетное напряжение, равное 2,6 МПа или больше, при измерении согласно процедуре PRS SIM.
20. Геоячейка по п.19, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет долгосрочное расчетное напряжение, равное 3 МПа или больше, при измерении согласно процедуре PRS SIM.
21. Геоячейка по п.19, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет долгосрочное расчетное напряжение, равное 4 МПа или больше, при измерении согласно процедуре PRS SIM.
22. Геоячейка по п.19, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет напряжение при 12%-ном растяжении, равное 14,5 МПа или больше, при измерении согласно методике Izhar при 23°C.
23. Геоячейка по п.19, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет напряжение при 12%-ном растяжении, равное 16 МПа или больше, при измерении согласно методике Izhar при 23°C.
24. Геоячейка по п.19, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет напряжение при 12%-ном растяжении, равное 18 МПа или больше, при измерении согласно методике Izhar при 23°C.
25. Геоячейка по п.19, в которой, по меньшей мере, одна полимерная лента имеет коэффициент теплового расширения, равный 120·10-6/°C или меньше при 25°C согласно ASTM D696.
26. Мостовая, дорога, железнодорожный путь или автостоянка, содержащие, по меньшей мере, один слой, содержащий геоячейку по п.19.
27. Мостовая, дорога, железнодорожный путь или автостоянка по п.26, причем геоячейку наполняют зернистым материалом, выбранным из группы, состоящей из песка, гравия, дробленого камня, щебня, каменной муки, раздробленного бетона, регенерированного асфальта, кирпичной крошки, строительных обломков и строительного мусора, стеклянного боя, шлака от электростанций, зольной пыли, угольной золы, шлака доменной плавки, гранулированного шлака для производства цемента, металлосодержащего шлака и их смесей.
