JEOTEKSTİLLER

 

Jeotekstiller, jeosentetik ailesinin bir üyesidir. Jeosentetik ailesinin diğer üyeleri; jeogridler, jeoağlar, jeomembranlar ve jeokompozitlerdir.

Jeosentetikler; sentetik olarak inşa edilen bir strüktür veya sistemin entegre bir parçası olarak toprak, taş veya diğer jeoteknik materyallerle birlikte kullanılan polimerik, düzlemsel ürünlerdir.

Jeotekstiller;  sentetik olarak inşa edilen bir strüktür veya sistemin entegre bir parçası olarak toprak, taş veya diğer jeoteknik materyallerle birlikte inşaat mühendisliği aplikasyonlarında kullanılan geçirgen tekstil ürünleridir.

Jeogridler; sentetik olarak inşa edilen bir strüktür veya sistemin entegre bir parçası olarak toprak, taş veya diğer jeoteknik materyallerle birlikte takviye amaçlı kullanılan ve fonksiyonlarına göre kesişmeler veren ızgara benzeri (grid) polimerik materyallerdir.

Jeomembranlar; sentetik olarak inşa edilen sistem veya strüktürlerde sıvı migrasyonunu kontrol edici olarak ilgili jeoteknik materyallerle birlikte kullanılan çok düşük geçirgenlikte sentetik membran astar veya bariyerlerdir.

Jeokompositler: jeosentetiklerin kombinasyonu olarak üretilen bir üründür.

 

Konvensiyonel konstrüksiyon materyallerine göre jeotekstillerin genel avantajları;

- Kullanılan taş va çakıllar hacminde azalma

- Sonuç olarak konstrüksiyonun toplam hacminde azalma

- Pratik proses ve işlem süresinde azalma

- Maliyette azalma

 

Jeotekstiller hacimsel olarak jeosentetiklerin en büyük grubudur. Jeotekstiller; jeoteknik mühendisliği, inşaat ve asfalt konstrüksiyonları, hidrojeoloji ve çevre mühendisliği alanlarında kullanılmaktadır. Karayolları, havaalanları, demiryolları, barajlar, toprak setler, istinat duvarı, su deposu, kanallar, kıyı koruma, iç inşaat aplikasyonları, çatı ve duvarlarda ısı, ses, ateş yalıtımı vs. gibi çok geniş aplikasyon alanları mevcuttur.

Jeotekstiller aşağıdaki fonksiyonların bir veya daha çoğunu sağlamak için dizayn edilirler.

-         separasyon ve stabilizasyon

-         takviye

-         filtrasyon

-         erozyon koruma

-         drenaj

 

Jeotekstiler dokuma veya nonwoven materyallerdir. Örme ürünlerin bu aplikasyonlar için kullanımları zordur. Nonwoven ürünler özellikle tercih edilir. Bunun nedeni yüksek performansları ve maliyetlerinin düşük olmasıdır. Çoğu nonwoven jeotekstiller; dokuma veya örme prosesine göre genellikle daha az pahalı olan spunbond veya iğneleme yöntemine göre üretilmektedirler.

Jeotekstil üretiminde en önemli kriterler; polimer tipi, lif tipi, kumaş dizaynı ve nonwovenlar için bağlama yöntemi seçimidir. Jeotekstillerde en yaygın olarak kullanılan polimerler polipropilen ve poliesterdir. Polipropilen kimyasal saldırılara karşı en yüksek dayanım gösterir. Dokuma, nonwoven polipropilen jeotekstiller biyolojik olarak parçalanamaz ve toprakta yaygın olarak bulunan kimyasallara, atık depolarındaki böcek ve haşerelere karşı dayanıklıdır. Poliester 12 ay oda temperatüründe neme maruz kaldıktan sonra kalsiyum hidroksit ile reaksiyon gösterir ve kopma mukavemeti %75 azalır. Poliester lifi beton ile de benzer reaksiyonu gösterir. Polipropilen ve polietilen çok daha az yaygınlıkta kullanılır. Diğer liflerle karşılaştırıldığında poliamid daha çok su absorblar ve bu mukavemette azalmayla sonuçlanır.

İplikler monofilament, multifilament, stapel ve yarık film (slit-tape) formunda olabilir. Kullanım yerine göre kalın-ince, hafif (4 oz/yd²)/ ağır (8 oz/yd²) olarak kullanımları mevcuttur.

Jeotekstillerde kullanılan dokuma tipleri; bezayağı, panama ve dimi dokumadır.

 

JEOTEKSTİLLERİN ÖZELLİKLERİ VE TEST YÖNTEMLERİ

 

Jeotekstillerin fiziksel ve mekanik özelliklerinin yanısıra, toprak/jeotekstil interaksiyonunu etkileyen jeotekstil özellikleri de jeotekstil performansında kritik parametrelerdir.

Toprak/jeotekstil interaksiyonu ile ilişkili parametreler genellikle kullanım koşullarının simulasyonu ile spesifik dizayn koşullarında yapılmakta bu da toprağın direk etkisinin ölçümünü sağlamaktadır.

Jeotekstillerin önemli fiziksel özellikleri; kalınlık, gramaj ve elastikiyettir. Jeotekstillerin ölçülebilir önemli mekanik özellikleri ise; sıkıştırılabilirlik (compressibility), gerilim mukavemeti, dikiş mukavemeti; yırtılma, patlama, çarpma, ve delinme mukavemetidir.

Dokuma ve termal bağlanmış nonwoven tekstillerin sıkıştırılabilirliği düşüktür. İğneleme yöntemine göre elde edilmiş jeotekstiller yüksek sıkıştırılabilirliğe sahiptir. Bir jeotekstilin sıkıştırılması; geçirgenliğini ve nüfuz edebilirliğini azaltır. Çünkü sıkışma kumaşın gözenek strüktürünü değiştirir.

Gerilim, mukavemet özellikler jeotekstillerin önemli özellikleridir. Yeterli gerilim mukavemeti jeotekstil aplikasyonlarının tümü için gereklidir.

Jeotekstilin gerilim mukavemetinin ölçümünde kullanılan 3 test metodu vardır. Tutma gerilim testi, geniş en gerilim testi ve gerilim akma testi.  ASTM dizaynına göre her bir test için numune büyüklükleri tabloda gösterilmiştir.

Tutma gerilim testi, materyalin son kopuş kuvvetinin bir indeksini verir. Birim en başına düşen kuvvetten ziyade, yalnızca kuvvet biriminde (pounds gibi ) ifade edilir. Geniş en gerilim testinde ölçümler, birim en başına düşen kuvvet olarak ifade edilir (lb./inch). Zaman alıcı ve pahalıdır. Gerilim akma testinde, 10.000 saat (417 gün) boyunca geniş en test numunesi bir kuvvete maruz bırakılmaktadır. Bu kuvvet, kopuş geriliminin (son gerilim) yüzdesi olarak ifade edilebilir. Akış-uzama hızı zamanla sıfıra yaklaşacaktır. Aşağıdaki tabloda uygulama yerlerine göre yapılan mukavemet testleri görülmektedir.

Jeotekstil kumaşının uçları dikilmektedir. Çeşitli dikiş tipleri farklı kumaşlar için kullanılmaktadır. Dikiş dikme konstrüksiyonunun değişkenleri ve komponentleri;

- Dikiş tipi

- Dikiş sıra sayısı

- Dikiş yerleşimi

- İplik tipi

- İplik numarası

- Dikme aracıdır.

Aşağıdaki şekilde farklı dikiş tipleri görülmektedir.

 

TOPRAK/JEOTEKSTİL İNTERAKSİYONU

 

Toprak ve jeotekstil arasında mekanik ve fiziksel olmak üzere 2 çeşit interaksiyon mümkündür. Mekanik interaksiyon; jeotekstil ve toprak arasındaki kesme mukavemetiyle tanımlanır. Toprağın jeotekstile sürtünmesi kuvvetlendirme (takviye) aplikasyonlarında çok önemlidir. Toprak ve jeotekstil birbirlerine göre hareketleri açısından dizayn edildiklerinde düşük temas kesme mukavemeti istenilir ve jeotekstil toprak takviyesinde (sağlamlaştırılmasında) kullanıldığında yüksek temas kesme mukavemeti istenilir. Kesme mukavemeti, toprak ve jeotekstil arasındaki sürtünme açısıyla tanımlanır. Jeotekstilin sürtünme davranışını test etmek için iki farklı test uygulanmaktadır.

-         direk makaslama (kesme) testi

-         çekme (pull-out) testi

 

Yukarıda çekme ve direk kesme testleri şematik olarak gösterilmektedir.

Direk kesme testinde, toprak içeren diğer yarı kutuya karşı, hareket eden kayma kutusunun alt yarısına jeotekstil fikse edilerek gerçekleştirilir. Çekme testi; bir kutucuk içerisinde kaydırılarak çekilen bir jeotekstil ile gerçekleştirilir.

 

Fiziksel interaksiyon; jeotekstilin hidrolik özellikleri ile tanımlanır. Bu özellikler; gözeneklilik, açık alan (%), geçirgenlik (transmissivity), nüfuz edebilirlik (permittivity) ve görünür açık alan özellikleridir.    

Boşluk hacminin toplam hacme oranı olan gözeneklilik jeotekstilin filtrasyon uygulamaları için önemli bir parametredir. Ayrıca yine filtrasyon uygulamaları için önemli bir parametre olan geçirgenlik ve nüfuz edebilirlik ; sırasıyla ASTM D 4716 ve ASTM D 5493 test yöntemleri ile belirlendi.  Nüfuz edebilirlik testinde 550 kPa normal gerilim uygulandı. Aşağıdaki şekil şematik olarak bu testte kullanılan cihazı göstermektedir.

Bu aparatta nüfuz edebilirliğin ölçümü için 50,8 mm çapındaki jeotekstile, çelik bir piston ile belirli bir kuvvet uygulanır. Basınç ölçerdeki seviye farkından jeotekstilin nüfuz edebilirlik düzeyi hesaplanır. Bu metotta saf su ile çalışılır.

Geçirgenlik testinde 100*100 mm jeotekstil numunesi rijit bir metal tabakaya uygulanan normal bir gerilime maruz bırakılır. Bu test aparatı 2000 kPa normal gerilim uygulamak için dizayn edilmiştir. Bu test için de saf su kullanılır.

Jeotekstillin geçirgenlik ve nüfuziyet özellikleri; jeotekstilin kalınlığına bağlıdır. Toprak/jeotekstil sisteminin hidrolik karakteristiğini toprak ve jeotekstilin her ikisinin özellikleri etkileyecektir. Bu iki önemli özellik; toprak geçirgenliği ve jeotekstil geçirgenliğidir.

Toprak geçirgenliği [k_s (cm/sn)]  laboratuvarda ölçülebilen toprağın hidrolik bir karakteristiğidir. Toprağın ve jeotekstilin akış kapasitesi veya akış hızı; verilen hidrolik gradyant ve akış alanı koşullarına göre hesaplanabilir. Jeotekstilin geçirgenliği saniyenin tersi (1/sn) olarak ifade edilir.

Geçirgenlik ve akış hızı Darcy kanunuyla ilişkilidir. Darcy kanunundaki değişkenler aşağıda gösterilmiştir.

Denklemden de anlaşılacağı gibi jeotekstilin akış kapasitesini jeotektilin geçirgenliği ve kalınlığı etkilemektedir. Aynı geçirgenliğe sahip iki jeotekstil, aynı akış hızına sahip olmayabilir.

Yukarıdaki örnek jeotekstilin geçirgenliğinin direk olarak akış hızıyla korelasyona sahip olmadığı göstermektedir. American Association of State Highway Officials (AASHTO) tarafından belirlenmiş nüfuz edebilirlik değerleri tabloda gösterilmiştir. Fakat çalışılacak alana göre bu değerler test edilerek modifiye edilebilir.

Jeotekstilin dayanım özellikleri ise, kullanımı sırasında bozunmaya dayanımı ile ilişkilidir. Jeotekstilin dayanıklılığı yapımında kullanılan polimer esaslı materyal ve dış ortamın özelliklerine bağlıdır. Jeotekstil uygulanması boyunca; mekanik ve fizikokimyasal iki dış etkiye maruz kalır. Aşınma bir materyalin herhangi bir kısmının bir yüzeye sürtünmesiyle eskimesi olarak tanımlanır. Aşınma, toprak/jeotekstil sisteminin zayıflaması veya çakıl gibi küçük toprak partikülleriyle gerçekleştirilebilir.

Jeotekstilin fizikokimyasal degradasyonu; ultraviyole, ışık, nem ve farklı kimyasallar gibi atmosferik koşullara maruz bırakılarak veya devamlı yük altında tutularak gerçekleştirilebilir. Jeotekstilin degradasyonun ana sebebi; temperatür, kimyasal, biyolojik, günışığı degradasyonu polimer yaşlanması şeklinde gerçekleşebilir. Jeotekstilin diğer önemli bir performans özelliği; jeotekstilin tıkanmaya karşı dayanımı ve uzun süreli drenaj yeteneğidir.

JEOTEKSTİLLERİN FONKSİYONLARI

Jeotekstillerin ana fonksiyonları; separasyon, stabilizasyon, takviye, filtrasyon, drenaj, su iticilik ve korumadır. 

 

Jeosentetiklerin başlıca 8 fonksiyonu aşağıda gösterildi.

Jeosentetiklerin fonksiyonları kullanım yerlerine göre çok çeşitlidir. Örneğin şekilde gösterildiği gibi erozyon kontrol aplikasyonlarında nehir kıyıları  boyunca bir kumaşın üzerine taşlar ve kırılmış kaya parçaları yerleştirilebilir. Tüm sistemin rolü kanalda toprak erozyonunu önlemektir. Bu jeotekstil, toprak partiküllerini tutarken, kumaş boyunca topraktaki suyun geçişine izin vererek spesifik filtrasyon fonksiyonu göstermektedir.

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi istinat duvarlarında toprağın çevresine sarılan  jeotekstil duvarın sağlamlaştırılmasını sağlamaktadır.

1. SEPARASYON VEYA STABİLİZASYON FONKSİYONU

Separasyon fonksiyonunda jeotekstil materyal, konstrüksiyonun ömrü boyunca iki farklı toprağı birbirinden ayırıcı, karışmalarını önleyici olarak görev yapar. Anayollarda araç tekerleklerinin yüksek basıncı, uzun sürede asfalt zemininde çökmelere neden olur. Jeotekstil anayol asfaltların farklı toprak zeminlerin birbirine karışmasını ve çökelmeleri önleyerek asfaltı kuvvetlendirici, sabitleştirici  ve ömrünü uzatıcı rol oynar.

Ayırıcı olarak jeotekstil kullanılmadığında agregat parçaları alt zemine doğru dağılarak etkin temel kalınlığının azalmasına neden olur. Temel kalınlığındaki azalma agregat temelinin yük taşıma kapasitesindeki azalmayla sonuçlanır. Fig 5 de görüldüğü gibi jeotekstil kullanıldığında, jeotekstil agregat temelin alt zemine migrasyonunu önleyerek asfaltın ömrünü artırır.

 

2.FİLTRASYON

En yaygın olarak kullanılan jeotekstil fonksiyonudur. Yüzyıllar boyunca mühendisler konvensiyonel derecede agregatlar kullanarak filtre sistemleri inşa ettiler. Bir filtrasyon fonksiyonu sağlayan jeotekstil, çeşitli derecede agregatlardan oluşan toprak strüktürlerinde benzer bir rol oynar. (Şekil) Filtrasyon fonksiyonu, jeotekstil düzlemi boyunca filtre edilen topraktan suyun geçmesine izin verirken filtre edilen toprak partiküllerinin tutulmasını sağlar.

Filtre jeotekstillerin amacı toprak partiküllerini tutarken, serbest su akışına izin vermektir. Bu fonksyionun kullanıldığı bazı aplikasyonlar; karayolu kenarlarındaki kanallar, istinat duvarı drenaj sistemleri, atık deposu toplama sistemleridir. Verilen bir periyot süresince sistemden geçecek su miktarı, filtre sistemi akış kapasitesi veya akış hızı olarak belirlenecek ve cm3/sn veya cm3/sn/m olarak ifade edilecektir.

3. TAKVİYE VE SAGLAMLAŞTIRMA FONKSİYONU

Takviye fonksiyonunda, jeosentetikler kuvvetli gerilim yüküne maruz kalırlar. Yumuşak toprak üzerine yerleştirilen jeosentetik kuvvetlendirici materyal potansiyel rotasyonal zayıflamalara karşı gerilim kuvvetlerine karşı koyar.

4. TRANSMİSYON FONKSİYONU

Transmisyon fonksiyonunda sıvılar ve gazlar jeosentetik düzlemi içerisinden geçerler. Genellikle jeokomposit materyaller kullanılır. Bu fonksiyonda, bir drenaj ağ veya bir geçirgen merkez tabaka alttan ve üstten jeotekstil ile birleştirilir.

Ayrıca istinat duvarlarında bir jeotekstil/drenaj merkez kompozit geçirgenlik fonksiyonu verebilir.

Ayrıca atık deposu sistemlerinde jeomembranın yanında bir jeotekstil metan gazının geçişi ve tutulmasını sağlamak için  kullanılabilir.

5.YASTIKLAMA FONKSİYONU

Yastıklama fonksiyonu, tüm aplikasyon içerisindeki diğer komponenti korumak için bir jeosentetik kullanımı anlamına gelir. Genelde taş partiküllerinden ve diğer materyallerde jeomembranı korumak için bir jeotekstil kullanımı anlamına gelmektedir. Bu fonksiyon şekil 12 de gösterildiği gibi atık deposu aplikasyonlarında yaygın olarak kullanılır. 

6. BARİYER FONKSİYONU

Bariyer fonksiyonu jeosentetik düzlemine karşı sıvı akışını önlemek anlamına gelir. Tipik aplikasyonu atık deposu ve havuzlarında jeomebran kullanımıdır. Aynı zamanda nonwoven jeotekstil geçirgen olmayan bir materyal ile emdirildiğinde bir bariyer fonksiyonu görmektedir.  Anayol asfatlarının onarımında ve tekrar düzenlenmesinde yaygın olarak bilinir. (Şekil) Bu aplikasyonda,  asfalt esaslı bir madde ile emdirilen bir jeotekstil üzerine yeni asfalt döşenir. Jeotekstil/ kaplama kombinasyonu üst yüzeyden alt tabakaya suyun hareketini önler. Asfalt bölümü içerisindeki su karayolunun performansını azaltacaktır. Bu apliksayonda jeotekstil kullanımı karayolu dizaynının ömrünü uzatacaktır.