Ứng dụng và đổi mới của vải địa kỹ thuật trong công tác địa kỹ thuật hiện nay

Vải địa kỹ thuật là gì ?

Vải địa kỹ thuật là một loại vật liệu được thực hiện bởi công nghệ dệt vải dùng trong xây dựng hạ tầng cầu đường. Xây dựng cầu cảng và hiện nay chúng được sử dụng trong nông nghiệp, trang trí cảnh quan, xử lý môi trường và các chức năng khác.

Vải địa tiền thân của nó xuất xứ là một loại vải lọc, dùng để che chắn sự xói mòn và rửa trôi đất. Qua thời gian sử dụng chúng được đưa vào trong các ứng dụng kỹ thuật xây dựng gia cố nền đất yếu.

Không những thế, chúng được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các công trình phức tạp và ngày càng bắt buộc trong công tác xử lý nền móng.

Hầu hết các loại vải địa bao gồm các polyme thuộc họ polyolefin, polyeste hoặc polyamit, có liên quan đến các vấn đề môi trường như vấn đề ô nhiễm đất. Vải địa kỹ thuật có thể được sử dụng cho ít nhất một trong các chức năng sau:

Tách, gia cố, lọc, thoát nước, ổn định, phân cách và chống xói mòn. Do các đặc tính của cường độ cao, giá thành rẻ và dễ sử dụng nên vải được sử dụng rộng rãi trong địa kỹ thuật như gia cố nền mềm, bảo vệ mái dốc, hệ thống thoát nước.

Bài viết này đánh giá thành phần và chức năng của vải địa trong công trình địa kỹ thuật. Ngoài ra, dựa trên các tài liệu bao gồm dữ liệu gần đây nhất, cuộc thảo luận chuyển sang sự phát triển gần đây của vải địa kỹ thuật, với trọng tâm là vải địa kỹ thuật xanh.

Vải địa kỹ thuật xanh gọi là Geotextile green. Chúng được sản xuất bằng các sợi xơ sinh học. Có khả năng phân hủy trong môi trường đất tự nhiên. Do đó ngày nay chúng được tin cậy trong đánh giá tác động ít nhất đến môi trường.

Vải địa kỹ thuật thông minh và vải địa kỹ thuật hiệu suất cao. Tình hình hiện tại của các loại vải địa kỹ thuật mới này và ứng dụng của chúng trong công trình địa kỹ thuật được xem xét.

Giới thiệu

Địa kỹ thuật tổng hợp là các sản phẩm được làm từ vật liệu tổng hợp hoặc cao phân tử tự nhiên, được sử dụng để tiếp xúc với đất hoặc đá và / hoặc các vật liệu địa kỹ thuật khác.

Vật liệu kỹ thuật địa tổng hợp chủ yếu bao gồm vải địa kỹ thuật, lưới địa kỹ thuật, Ô địa kỹ thuật, màng chống thấm HDPE, thảm kiểm soát xói mòn, lớp lót đất sét địa tổng hợp và địa tổng hợp . vải địa là vật liệu địa tổng hợp được sử dụng rộng rãi nhất .

Việc sử dụng vải địa được báo cáo đầu tiên có thể được coi là túi nylon chứa đầy cát được sử dụng trong Công trình Delta của Hà Lan vào năm 1956. Trong 60 năm gần đây, vải được sử dụng rộng rãi trong công trình địa kỹ thuật nền móng. Địa kỹ thuật môi trường và các công trình dân sinh khác.

Hiện tại, hơn 1,4 tỷ mét vuông vải địa được sử dụng mỗi năm và xu hướng này đang gia tăng. Khoảng 98% vải địa bao gồm các polyme không phân hủy từ họ polyolefin, polyester hoặc polyamide.

Việc sử dụng lâu dài các loại vải địa, do một số yếu tố môi trường như gió, độ ẩm, ma sát và bức xạ tia cực tím, có thể gây ra sự phân hủy polyme tổng hợp, dẫn đến sự tích tụ của vi nhựa trong môi trường xung quanh. Dẫn đến ô nhiễm nguồn nước ngầm hoặc ô nhiễm vi nhựa trong thực vật và động vật xung quanh nó.

Ngoài ra, việc ứng dụng vải trong công trình địa kỹ thuật có thể gặp phải các điều kiện môi trường phức tạp, chẳng hạn như điều kiện axit-bazơ phức tạp, và khi đó các yêu cầu về hiệu suất của vải địa sẽ cao hơn 

Vì vậy, vải địa nên phát triển theo hướng hiệu suất cao và đa chức năng. Với sự phổ biến của khái niệm xanh, vô số học giả đã nghiên cứu khả năng của các loại vải địa tự nhiên thay thế các loại vải địa polyme không phân hủy sinh học .

Hiện nay, vải địa tự nhiên có thể thay thế vải địa tổng hợp trong 50% tất cả các ứng dụng. Với việc tích hợp cảm biến sợi quang vào vải, vải địa cũng đang phát triển theo hướng lĩnh vực trí tuệ đa chức năng. 

Khi các loại vải địa thông minh được áp dụng để gia cố cấu trúc địa kỹ thuật, nó cũng có thể thực hiện giám sát độ ổn định của cấu trúc địa kỹ thuật. Để đảm bảo rằng cấu trúc địa kỹ thuật và các vị trí của nó có nguy cơ hỏng hóc và hư hỏng cao có thể được tìm thấy sớm.

Giai đoạn, có lợi cho việc phòng ngừa và bảo trì trước. Với sự phát triển của vật liệu sợi xơ hóa, một số loại vải địa hiệu suất cao mới đã xuất hiện, bao gồm vải địa wicking và vải địa cần kim loại sợi bazan vải được coi là loại vải tiết kiệm chi phí, bền và dễ sử dụng.

Ngày nay, vải địa ngày càng phát triển không thể thiếu trong công trình địa kỹ thuật. bài viết này đánh giá thành phần và chức năng của vải trong công trình địa kỹ thuật nền móng và môi trường.

Ngoài ra, dựa trên các tài liệu bao gồm dữ liệu gần đây nhất, cuộc thảo luận chuyển sang sự phát triển gần đây của vải , với trọng tâm là vải địa kỹ thuật xanh, vải địa kỹ thuật thông minh và vải địa hiệu suất cao.

Sự phát triển của các loại vải địa mới này và ứng dụng của chúng trong công trình địa kỹ thuật được xem xét lại. 

Thành phần và chức năng của vải địa kỹ thuật

Vật liệu cơ bản của vải địa tổng hợp

Việc lựa chọn vật liệu vải địa phải phù hợp với tình hình thực tế của dự án, không chỉ xem xét các yêu cầu về tính năng của vải địa trong công trường mà còn phải xem xét đến giá thành sản phẩm. Hiện nay, chất liệu cơ bản của vải chủ yếu là sợi tổng hợp.

Polypropylene (PP) là vật liệu được sử dụng thường xuyên nhất liên quan đến vải địa, tiếp theo là polyethylene terephthalate (PET) và polyethylene (PE). Hình 1 minh họa các polyme phổ biến nhất được sử dụng làm vải địa và hình ảnh SEM.

Polypropylene là một trong những loại sợi được sử dụng rộng rãi nhất cho vải địa vì chi phí thấp, đặc tính kéo chấp nhận được và tính trơ hóa học. Loại sợi này có một lợi thế bổ sung vì mật độ thấp, dẫn đến chi phí trên mỗi khối lượng cực kỳ thấp.

Nhược điểm chính của polypropylene là độ nhạy với tia cực tím kém. Ngoài ra, ở nhiệt độ cao, hiệu suất của nó dễ dàng xấu đi, thể hiện đặc tính kháng trượt kém, dễ phân rã trong ứng suất của khối đắp.

Bảng 1 tóm tắt các thuộc tính Một loại sợi tổng hợp chính khác cho vải địa là PET. Nó có đặc tính kéo tuyệt vời và kháng trượt tốt.

Các chất phụ gia thường được thêm vào để nâng cao hiệu suất của vải địa, chẳng hạn như chất chống oxy hóa, Mặc dù sợi polyethylene thường được sử dụng để làm màng chống thấm, nhưng do thiếu nguồn cung cấp Chất ổn định kháng UV amin bị cản trở, chất hấp thụ và chất ổn định tia cực tím, chất ổn định nhiệt lâu dài.

Chức năng của vải địa kỹ thuật

 Vải địa được sử dụng trong phân cách lớp vật liệu

Chức năng phân tách của vải địa đề cập đến một loại vải có thể tách hai loại vật liệu với các đặc tính khác nhau, tránh trộn lẫn với nhau và làm mất tính toàn vẹn và tính toàn vẹn cấu trúc của Vật liệu khác nhau.

Trong Hình 2, khi tập hợp đá được đặt trên đất hạt mịn, cả hai cơ chế sẽ xảy ra đồng thời theo thời gian. Một là đất mịn ở lớp dưới cố gắng đi vào khoảng trống của cốt liệu, do đó phá hủy khả năng thoát nước của nó; còn lại là tập hợp ở lớp trên cố gắng xâm nhập vào đất mịn, do đó phá hủy cường độ của cốt liệu. Điều này thường xảy ra mà không cần sử dụng vải.

Hình 3 thể hiện sự so sánh của mặt đường có hoặc không có vải. Chức năng ngăn cách của vải có thể ngăn chặn hiệu quả hiệu ứng bơm do động lực học tạo ra. Một số lĩnh vực ứng dụng là :

Giữa lớp nền và nền đá ở những con đường và sân bay không trải nhựa và lát đá

• Giữa lớp nền trong đường sắt

• Giữa bãi chôn lấp và bãi đá trên nền đá Giữa các tấm Màng chống thấm và các lớp thoát nước cát

• Bên dưới các tấm lát vỉa hè Khu vực bên dưới lề đường Bên dưới bãi đậu xe

• Bên dưới các sân thể thao và điền kinh

Vải địa kỹ thuật được sử dụng tách lọc

Trong đất không ổn định bên trong, thấm nước có thể gây ra hiện tượng ngập úng; sự vận chuyển của các hạt mịn theo dòng thấm đi kèm với sự sụp đổ của cấu trúc đất.

Bởi vì vải địa có tính thấm và độ thoáng khí dương, chúng có thể được đặt trong cấu trúc đất để cho phép chất lỏng trong đất đi qua và thải ra ngoài, đồng thời đóng vai trò bảo tồn đất, có thể ngăn chặn hiệu quả sự thất thoát của các hạt đất, cát mịn.

Và những viên đá nhỏ ở thượng nguồn, ngăn chặn sự phá hủy đất, và tránh hiện tượng ngập úng một cách hiệu quả. Cơ chế được thể hiện trong

Hình 4. Chức năng lọc của vải cũng được sử dụng rộng rãi trong công trình địa kỹ thuật.

Hình 3 thể hiện sự so sánh của mặt đường có hoặc không có vải địa. Chức năng ngăn cách của vải có thể ngăn chặn hiệu quả hiệu ứng bơm do động lực học tạo ra

.Một số lĩnh vực ứng dụng là

 • Giữa các tấm màng chống thấm và các lớp thoát nước cát

• Bên dưới các tấm lát vỉa hè

• Khu vực bên dưới lề đường Ví dụ, vải địa được sử dụng để ngăn các hạt đất di chuyển và xâm nhập vào các cốt liệu thoát nước hoặc đường ống thoát nước, đồng thời duy trì hoạt động bình thường của hệ thống thoát nước; để vải dưới lớp bảo vệ riprap và các vật liệu bảo vệ khác trên bờ biển và bãi sông có thể ngăn chặn xói mòn đất và sạt lở bờ sông. 

Vải địa kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống thoát nước

Vải địa có khả năng dẫn nước thuận lợi, được dùng làm kênh thoát nước. Nước trong cấu trúc đất trong các tấm vải địa có thể được thu gom và thải từ từ dọc theo các tấm vải (Hình 5).

Hiện nay, vải địa đã được sử dụng rộng rãi trong hệ thống thoát nước ngầm, thoát nước dưới lớp nền, thoát nước tường chắn và các công trình thoát nước khác (Hình 6).

Vải địa kỹ thuật được sử dụng trong ổn định mái dốc

Vải địa được đặt bên trong đất làm vật liệu gia cố, chúng kết hợp với đất để tạo thành đất hỗn hợp gia cường. So với đất không gia cố, cường độ và tính năng biến dạng của đất hỗn hợp gia cố được cải thiện rõ ràng (Hình 7).

Có ba đặc tính cơ học quan trọng của vải được sử dụng để gia cố: Cường độ chịu kéo, Sức kháng thủng và Độ biến dạng. Chức năng gia cố của vải địa được sử dụng phổ biến nhất trong công trình địa kỹ thuật.

Như trong Hình 8, nó đã được sử dụng rộng rãi trong việc gia cố đường và đường sắt lát đá và không trải nhựa, gia cố tường, gờ, mái dốc và gia cố nền đất yếu 

Ngoài một số ứng dụng chính trên của vải, các chức năng của vải địa bao gồm rào cản và chống xói mòn. Chức năng chống thấm của vải thường được sử dụng trong chống thấm hồ chứa, chống thấm hầm và chống thấm bãi chôn lấp.

Hiệu quả bảo vệ của vải địa nói chung là thông qua việc đặt vải, có thể làm giảm sự mất đất do tác động của mưa và nước mặt chảy tràn. Nói chung, vải địa đóng nhiều hơn hai chức năng cùng một lúc, khi được sử dụng trong kỹ thuật thiết kế địa kỹ thuật.

Phân tích ứng dụng của vải địa kỹ thuật

Vải địa đã đóng một vai trò quan trọng trong lĩnh vực địa kỹ thuật và thể hiện sự tăng trưởng ổn định trong nhu cầu thị trường toàn cầu. Quy mô thị trường vải địa toàn cầu ước tính là 4,6 tỷ đô la Mỹ vào năm 2019 và tốc độ tăng trưởng kép hàng năm dự kiến là 11,9%.

Được thúc đẩy bởi Trung Quốc, Ấn Độ và các quốc gia khác, khu vực Châu Á Thái Bình Dương là thị trường vải địa lớn nhất. Do nhu cầu cao đối với vải địa kỹ thuật trong các dự án phát triển cơ sở hạ tầng hiện đại của đất nước

Trung Quốc chiếm 45,7% thị trường vải địa Châu Á Thái Bình Dương vào năm 2019. Như thể hiện trong Hình 9, các ứng dụng chính của vải địa bao gồm xây dựng đường, chống xói mòn và thoát nước các hệ thống.

Với nhu cầu sử dụng vải ngày càng cao, các loại vải địa cũng được đổi mới. Với sự phát triển của khái niệm xanh, các loại vải địa làm bằng sợi tự nhiên rất đáng được xem xét.

vải địa thông minh cũng là xu hướng phát triển của vải địa. Hiện nay, việc tích hợp cảm biến sợi quang vào vải có thể làm cho vải địa có chức năng gia cố, giám sát an toàn kết cấu và cảnh báo sớm.

Sự phát triển mới nhất của vải địa tự nhiên, vải địa thông minh và vải địa hiệu suất cao sẽ được tóm tắt chi tiết dưới đây.

Vải địa kỹ thuật xanh

Hầu hết các loại vải địa kỹ thuật được làm từ PP, PET và PE, là những polyme không phân hủy. Trong quá trình sử dụng lâu dài, do các tác nhân từ môi trường bên ngoài như gió, nước, ma sát và bức xạ tia cực tím có thể gây ra hiện tượng xẹp lún các polyme tổng hợp, dẫn đến tích tụ các vi nhựa trong môi trường xung quanh.

Thứ hai, sự phân huỷ của polyme sẽ làm cho các chất phụ gia lọc ra khỏi vải  sẽ gây ô nhiễm môi trường. Các đặc tính của vải làm bằng sợi tự nhiên đáp ứng nhu cầu của hầu hết các ứng dụng,đồng thời có chi phí thấp và khả năng phân hủy sinh học.

Do đó, vải địa tự nhiên có tiềm năng thay thế vải địa tổng hợp trong khá nhiều ứng dụng của vải địa kỹ thuật.

Chất liệu cơ bản của vải địa kỹ thuật tự nhiên

Có ba loại sợi tự nhiên: Sợi thực vật, sợi động vật và sợi khoáng. Trong số các loại sợi này, sợi thực vật đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho vải địa kỹ thuật tự nhiên vì nguồn gốc phong phú, dễ khai thác, giá thành rẻ và hiệu suất cao.

Chất liệu cơ bản của vải địa tự nhiên

Các đặc tính của sợi tự nhiên được xác định bởi thành phần và vị trí của các thành phần . Các thành phần chính của sợi tự nhiên là cellulose, hemicellulose, lignin và pectin .

Hàm lượng của từng thành phần trong mỗi loại sợi tự nhiên là khác nhau. Xenluloza, hemixenluloza và lignin là những thành phần cơ bản quyết định tính chất vật lý của sợi.

Xenlulo là thành phần hữu cơ cứng nhất và mạnh nhất trong chất xơ. Hemicellulose có cấu trúc mở, chứa một đội quân các nhóm hydroxyl và acetyl. Do đó, hemicellulose hòa tan một phần trong nước và có tính hút ẩm.

Lignin chủ yếu là polyme đơn vị thơm, phenylpropan. Tuổi thọ sử dụng của vải địa kỹ thuật tự nhiên phụ thuộc vào hàm lượng xenlulo và lignin trong sợi thành phần; hàm lượng càng cao thì độ bền càng cao .

Hình 10 tóm tắt cấu trúc hóa học và tính chất của các thành phần chính trong sợi thực vật.

Các đặc tính của sợi tự nhiên thay đổi theo các loại khác nhau. Vải địa kỹ thuật tự nhiên thường chọn sợi tự nhiên có tính chất cơ học cao làm nguyên liệu thô. Bảng 2 phác thảo thành phần và các đặc tính của sợi tự nhiên thường được sử dụng để làm vải địa tự nhiên.

Trong số các loại sợi này, sợi đay và sợi xơ dừa đã trở thành vật liệu nghiên cứu tốt nhất cho vải địa tự nhiên do tính ưu việt của chúng hiệu suất và một số sản phẩm thương mại có sẵn.

Hiệu suất của vải địa kỹ thuật tự nhiên trong công tác địa kỹ thuật

Giải pháp chống xói mòn

Trong những năm gần đây, vải địa kỹ thuật tự nhiên đã được phát triển rất nhiều. Nhiều học giả đã nghiên cứu ứng dụng và hiệu suất của vải địa tự nhiên trong địa kỹ thuật

Tác giả đã sắp xếp và phân tích ứng dụng của vải địa tự nhiên trong công trình địa kỹ thuật ở những năm gần đây. Hình 11 mô tả các loại vải địa kỹ thuật tự nhiên phổ biến hiện nay 

Xói mòn đất đề cập đến quá trình đất bị tước đi và di chuyển bởi gió hoặc nước bề mặt do lớp phủ thực vật không đủ hoặc không thích hợp . Suy thoái đất do xói mòn có tác động tiêu cực nghiêm trọng đến tính bền vững của môi trường và năng suất nông nghiệp.

Để ngăn đất tiếp tục suy thoái, vải địa được sử dụng làm lớp phủ đất để bảo vệ tạm thời cho đất, có thể kiểm soát xói mòn hiệu quả cho đến khi đất được ổn định bởi thảm thực vật. Tác dụng của vải địa kỹ thuật xơ dừa như một biện pháp bảo vệ bờ là tuyệt vời. 

Vải địa làm bằng sợi tự nhiên có hiệu quả cao trong việc kiểm soát xói mòn . Bảng 3 tóm tắt các loại vải địa kỹ thuật tự nhiên được sử dụng để bảo vệ và tác dụng bảo vệ của nó.

So với vải địa tổng hợp, vải địa tự nhiên hiệu quả hơn trong việc kiểm soát xói mòn và có độ bám dính của đất tốt hơn. Quan trọng hơn, do khả năng phân hủy sinh học của vải địa tự nhiên, có thể tránh được sự tích tụ của vi nhựa trong môi trường.

Hơn nữa, tuổi thọ ngắn và khả năng hút ẩm của vải địa tự nhiên ít ảnh hưởng đến việc kiểm soát xói mòn. Miễn là thảm thực vật được thiết lập tại chỗ, vải địa trở nên dư thừa trong việc kiểm soát xói mòn, do đó, tuổi thọ của vải địatự nhiên là khoảng hai đến ba năm, điều này ít ảnh hưởng đến việc kiểm soát xói mòn.

Khả năng hút nước và trữ nước của vải địa tự nhiên được coi là một khía cạnh tích cực. Thứ nhất, khả năng hút nước cao làm giảm sự chảy nước của đất do mưa lớn.

Thứ hai, lượng nước tích trữ có thể thoát ra mặt đất ổn định trong điều kiện thời tiết khô ráo, tạo môi trường lý tưởng cho cây phát triển. Vì vải địa tổng hợp hầu như không thấm nước, nên người ta cho rằng vải địa tự nhiên thích hợp cho việc chống xói mòn hơn vải địa tổng hợp.

Ngoài ra, các sản phẩm phân hủy của vải địa tự nhiên rất giàu chất dinh dưỡng cho đất, có thể được sử dụng làm phân bón cho thảm thực vật mới.

Vải địa tự nhiên có độ bền kéo ban đầu cao. Được sử dụng để xây dựng đường, nó có thể được gia cố hiệu quả ở giai đoạn đầu sử dụng đường.

Nghiên cứu khả năng chịu lực của đường địa kỹ thuật có gia cố bằng đay và đường không gia cố cho thấy so với đường không gia cố, khả năng chịu lực của đường có gia cố bằng vải đay và đường không gia cố tăng khoảng 1,5–7 lần.

Do khả năng phân hủy sinh học của sợi tự nhiên, hiệu suất của vải địa tự nhiên sẽ giảm theo thời gian, dẫn đến việc gia cố sau này bị hỏng khi được sử dụng trong xây dựng đường bộ.

Trong những năm gần đây, các học giả đã phát hiện ra rằng độ bền lâu dài của vải địa tự nhiên không đặc biệt quan trọng đối với việc tăng cường sự ổn định của lớp dưới đường cao tốc nông thôn. Tại Ấn Độ, ngày càng có nhiều loại vải địa tự nhiên được sử dụng để tăng cường nâng cấp đường nông thôn.

Điều này là do các loại vải địatự nhiên có độ bền kéo ban đầu cao, làm cho lớp nền chịu ứng suất thấp trong thời gian xây dựng và khai thác của đường.

Sau đó, theo thời gian, sự cố kết và nén chặt của lớp đất dưới tác dụng của tải trọng giao thông, do đó khả năng chịu lực được nâng cao. Sau khi lớp vải địa tự nhiên xuống cấp, khả năng chịu lực của lớp phụ đảm bảo yêu cầu sử dụng. Bảng 4 tóm tắt các loại vải địatự nhiên được sử dụng để gia cố và tác dụng của nó.

vải địatự nhiên cũng có thể được sử dụng để lọc hoặc thoát nước trung và ngắn hạn, và các loại sợi tự nhiên có khả năng loại bỏ kim loại nặng.

Abbar và cộng sự.Nghiên cứu ảnh hưởng của vải địa lanh đối với các kim loại nặng hòa tan bằng cách sử dụng các bộ lọc chứa đầy cát và vải địa lanh.

Kết quả chứng minh rằng vải địa sợi lanh đã cải thiện khả năng của bộ lọc để giữ lại kim loại hòa tan và gắn kim loại nặng (Hình 12). Vì vậy, vải địa tự nhiên có ưu điểm rõ ràng trong việc lọc các kim loại nặng hòa tan.

Tuy nhiên, tính hút ẩm của sợi thực vật liên quan đến các vấn đề chính là hấp thụ nước và độ giãn nở của sợi. Người ta thấy rằng vải địa sợi đay, như một phương tiện thoát nước, là khả thi và kinh tế để giải quyết các vấn đề thoát nước gặp phải trong công trình địa kỹ thuật.

Do khả năng hấp thụ nước cao, đường kính lỗ của bộ lọc giảm đáng kể. Trong trường hợp xấu nhất, điều này sẽ dẫn đến việc cắm bộ lọc và mất khả năng thẩm thấu hoàn toàn. Tính hút ẩm và tuổi thọ của vải địa tự nhiên hạn chế chức năng lọc hoặc thoát nước của vải địatự nhiên.

Từ ứng dụng trên của vải địa tự nhiên, có thể thấy rằng sự phân hủy sinh học sớm của vải địa tự nhiên là vấn đề cơ bản làm hạn chế chức năng hơn nữa của vải địa tự nhiên.

Phần lớn các nghiên cứu về vải địa tự nhiên trong hai thập kỷ qua đã xem xét cách cải thiện độ bền của vải địatự nhiên. Bảng 5 trình bày các phương pháp cải thiện hiệu suất của vải địa tự nhiên trong những năm gần đây.

Hiện tại, các phương pháp chính để tăng cường các đặc tính của vải địa tự nhiên là thêm một lượng sợi tổng hợp nhất định, hoặc sửa đổi vải địatự nhiên về mặt hóa học.

Thêm một lượng sợi tổng hợp nhất định có thể cải thiện các tính chất cơ lý của vải địa tự nhiên. Các loại vải địa tổng hợp bằng sợi tự nhiên / polyme này, chẳng hạn như vải địađay / PET, vải địađay / PP và vải địa cây tầm ma / axit polylactic, chứng tỏ hiệu suất đầy hứa hẹn trong các thử nghiệm khác nhau.

Điều chỉnh hóa học hoặc sử dụng chất xúc tiến kết dính cũng có thể là những con đường thú vị để cải thiện các đặc tính cơ học tổng thể. La Mantia và cộng sự. đã tóm tắt các phương pháp biến đổi hóa học của sợi tự nhiên:

Xử lý kiềm, axetyl hóa, xử lý bằng axit stearic, benzyl hóa, xử lý TDI, xử lý peroxide, xử lý anhydrit, xử lý pemanganat, xử lý silan , xử lý isocyanate và xử lý huyết tương.

Nhiều nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các loại vải địa biến đổi hóa học, chẳng hạn như khả năng chống phân hủy hóa học của vải địa đay được xử lý bằng cách ester hóa được cải thiện.

Vải địa kỹ thuật thông minh

Cảm biến quang sợi là một loại cảm biến mới dựa trên sợi quang học được phát triển vào giữa những năm 1970. Nó có ưu điểm là cách điện vượt trội, chống nhiễu điện từ mạnh, độ nhạy cao, và dễ dàng nhận ra giám sát từ xa của tín hiệu đo được.

Cảm biến sợi quang được tích hợp vào vải địa kỹ thuật bằng cách sử dụng một số vị trí cố định đan dọc giữa cảm biến và vải. Khi vải địa được áp dụng để ổn định và gia cố các cấu trúc địa kỹ thuật như đập,đường sắt, kè và mái dốc.

Cảm biến sợi quang có thể cung cấp các chức năng khác cho vải địa, chẳng hạn như theo dõi sự thay đổi của biến dạng cơ học, nhiệt độ, độ ẩm và áp suất lỗ rỗng để theo dõi tình trạng của các công trình địa kỹ thuật.

Để đảm bảo phát hiện sớm nguy cơ hư hỏng và hỏng hóc cao của các công trình địa kỹ thuật và vị trí của chúng, điều này có lợi cho việc ngăn ngừa hoặc sửa chữa trước. Vì vậy, vải địa thông minh có triển vọng vượt trội.

Phát triển vải địa kỹ thuật thông minh

Cảm biến sợi quang dựa trên cách tử Fiber Bragg (FBG) là cảm biến đầu tiên được áp dụng cho vải địa. Nguyên lý làm việc và nguyên lý cảm biến của FBG được thể hiện trên hình 13

Tuy nhiên, công nghệ này là công nghệ đo gần như phân tán, chỉ cung cấp thông tin biến dạng dọc theo một số điểm hữu hạn của sợi quang, dẫn đến hệ thống giám sát cảm biến sợi quang dựa trên FBG chỉ có thể đo biến dạng phân bố gần như có độ dài giới hạn.

Không thể đáp ứng nhu cầu giám sát của các công trình kè, đập, đường sắt, mái dốc, và các công trình địa kỹ thuật dài hàng trăm mét khác

Thứ hai, cảm biến FBG sử dụng sợi silica làm môi trường cảm biến và độ căng cuối cùng của sợi quang silica thông thường chỉ khoảng 5%. Giá thành của cảm biến FBG tương đối cao, khoảng hơn 20 đô la Mỹ cho mỗi cảm biến điểm

Do đó, chi phí cao và tính dễ bị tổn thương cũng hạn chế việc sử dụng cảm biến sợi quang này trong các loại vải địa thông minh 

Để đáp ứng nhu cầu giám sát cấu trúc địa kỹ thuật diện tích lớn, cảm biến sợi quang phân tán ra đời. Tán xạ Brillouin là một loại hiện tượng tán xạ ánh sáng gây ra bằng sự tương tác giữa sóng ánh sáng tới trong sợi và sóng âm đàn hồi trong sợi.

Cảm biến tán xạ Brillouin phân tán bằng sợi quang sử dụng tín hiệu tán xạ ngược của nó để đo các đại lượng vật lý bên ngoài. Vải địa kỹ thuật dựa trên loại cảm biến này (Hình 14), nó không chỉ có thể tăng cường cấu trúc địa kỹ thuật, mà còn đáp ứng nhu cầu giám sát của cấu trúc địa kỹ thuật diện tích lớn. 

Khi xảy ra biến dạng cơ học (biến dạng> 1%) của hai loại vải địa thông minh trên, cảm biến sợi quang có khả năng bị hỏng, và độ giòn của sợi silica phải được bảo vệ bằng cáp đắt tiền.

Cảm biến sợi quang polyme tích hợp vải địa kỹ thuật (Hình 15) cung cấp một giải pháp cho phép đo phân tán biến dạng cao. Công nghệ máy đo phản xạ miền thời gian quang học POF dựa trên nguyên tắc tăng mức độ ánh sáng tán xạ tại nơi tác động lên POF.

Liehr và cộng sự. Nhận thấy rằng với công nghệ OTDR, có thể đo tới 40% sự phân bố chủng bằng cách sử dụng polymethyl methacrylate POF tiêu chuẩn.

So với các cảm biến nêu trên, POF với độ đàn hồi cao, biến dạng đứt gãy cao và biến dạng đo lường (cao hơn 40%) có nhiều ưu điểm hơn do tích hợp cảm biến trên vải địa kỹ thuật, đặc biệt để theo dõi biến dạng cơ học cao (như độ dốc với nguy cơ trượt lở đất) trong một khu vực nhỏ.

Perfluoropof suy hao thấp có thể mở rộng phạm vi đo đến 500 m. Cảm biến POF có thể được xử lý trực tiếp bằng máy dệt và có thể được nhúng vào quy trình sản xuất cấu trúc vải (vải nhiều trục).

Ngoài vải địa tích hợp cảm biến sợi quang, các vật liệu tiên tiến khác cũng đang thúc đẩy sự phát triển của vải địa thông minh, chẳng hạn như lớp phủ graphene.

Graphene có thể cung cấp cho vải địa các đặc tính tuyệt vời, bao gồm độ dẫn nhiệt tuyệt vời (độ dẫn nhiệt lớn), độ dẫn điện tuyệt vời, độ bền cao (giảm trọng lượng), tính ổn định, tự sửa chữa, tính kỵ nước hiệu suất kháng khuẩn (để ngăn chặn việc cắm bộ lọc), và chức năng cảm biến nhiệt độ / áp suất / độ ẩm (nhiệt độ, thay đổi áp suất và phát hiện vị trí rò rỉ).

Có thể dự đoán rằng các loại vải địa kỹ thuật thông minh hơn sẽ xuất hiện trong tương lai gần và đóng một vai trò lớn hơn trong kỹ thuật địa kỹ thuật.

Ứng dụng của vải địa kỹ thuật thông minh trong nghiên cứu trường hợp

Giám sát Kè đường sắt gần Chemnitz

STFI của Đức và Công ty dệt Alpe Adria của Ý đã áp dụng các loại vải địa tích hợp dựa trên công nghệ POF OTDR cho các tuyến kè đường sắt gần thành phố Kemnes của Đức (Hình 16).

Vải địa tích hợp sợi quang vẫn còn nguyên vẹn trong quá trình lắp đặt nghiêm ngặt và thường xuyên được thẩm vấn sau khi xây dựng lại kè vào năm 2007 để kiểm tra sự xuất hiện của biến dạng hoặc độ lún của kè có thể do giao thông đường sắt gây ra.

Thí nghiệm hiện trường chứng minh tính khả thi của việc sử dụng vải địa tích hợp sợi quang để gia cố và giám sát kè đường sắt đồng thời. Ngoài ra, vải cảm biến còn có thể chịu được việc lắp đặt các máy móc hạng nặng trong công trường mà không bị hư hại gì.

Ngoại trừ sự gia tăng suy giảm nhỏ và đồng đều dọc theo sợi quang, không có ảnh hưởng tiêu cực lâu dài nào xảy ra trong vòng 14 tháng kể từ khi lắp đặt.

Thử nghiệm thực địa để đánh giá độ ổn định của mái dốc tại Belchatow ở Ba Lan

Phạm vi của thử nghiệm hiện trường này là để đánh giá khả năng điều tra và quan sát các dốc trượt và trượt lở đất bằng cách sử dụng các loại vải địa kỹ thuật tích hợp sợi quang học.

Sợi được chọn là PMMA POF tiêu chuẩn, được tích hợp trong vải địa và có thể đo hành vi biến dạng phân bố trên chiều dài 100 m. PMMA POF tiêu chuẩn có thể quan sát độ căng lên đến 40%.

Thông qua việc đánh giá sự thay đổi chiều dài của cáp quang cảm biến, vị trí và vận tốc trượt của vết nứt trượt lở đất đã được xác định. Kết quả cho thấy vận tốc leo dốc của mái dốc là không đổi và vận tốc trung bình là khoảng 2 mm mỗi ngày.

Kết quả thử nghiệm chứng minh khả năng ứng dụng của vải địa kỹ thuật thông minh trong việc theo dõi sức khỏe kết cấu.

Kiểm tra thực địa để đánh giá lợi ích của việc gia cố địa kỹ thuật khi hư hỏng mái dốc tại Zimmersrode

Các cuộc thử nghiệm thực địa được thực hiện tại một địa điểm khai thác cũ ở Zimmersrode [113], nằm cách Kassel, Đức khoảng 50 km về phía nam Các loại vải địa kỹ thuật thông minh mà các cảm biến sợi quang được tích hợp trước tiên trong một loại vải địa mỏng như sợi dây thừng và sau đó được đặt giữa hai lớp thảm lọc không dệt đã được sử dụng.

Mục đích là để thu thập thông tin có giá trị cũng như hiệu suất của các loại vải địa thông minh chống lại thời tiết và căng thẳng cơ học. Kết quả thử nghiệm chứng minh vải địa tích hợp POF cung cấp giải pháp đo lường phân tán độ biến dạng cao và không có ảnh hưởng tiêu cực của độ ẩm lên sợi cảm biến.

Vải địa kỹ thuật hiệu suất cao

Với sự mở rộng ứng dụng của vải địa kỹ thuật và sự phức tạp của môi trường, các loại vải địa có độ bền cao, đa chức năng và hiệu suất cao đã trở thành hướng phát triển của vải địa kỹ thuật Hiện nay, các phương pháp chính để cải thiện hiệu suất của vải địa là phụ gia, biến tính hóa học và vải địa tổng hợp.

Đó là một phương pháp được chia sẻ để sử dụng các chất phụ gia để tạo ra các khuyết tật về hiệu suất của vải địa kỹ thuật, chẳng hạn như chất ổn định và chất chống oxy hóa, nhưng một đội quân các chất phụ gia đang gây ô nhiễm môi trường.

Việc sửa đổi vải địa cũng là một biện pháp quan trọng để mở rộng lĩnh vực ứng dụng của vải địa và nâng cao giá trị gia tăng. Vải địa kỹ thuật biến tính có độ bền cao hơn và chống suy thoái.

Ví dụ, ghép chitosan hoặc cysteine cộng hóa trị lên vải địa PP biến tính acrylic có thể làm cho vải địa có khả năng thu giữ kim loại nặng trong khi thoát nước hoặc lọc. vải địa composite thường được làm bằng hỗn hợp nhiều loại sợi khác nhau, chúng kết hợp các chức năng tốt nhất của các vật liệu khác nhau.

Việc tìm kiếm các loại sợi hiệu suất cao phù hợp luôn là một hướng nghiên cứu quan trọng của các loại vải  hiệu suất cao. Độ bền và mô đun của sợi vô cơ như sợi thủy tinh, sợi bazan, và sợi carbon rõ ràng là cao hơn sợi tổng hợp.

Tuy nhiên, do chi phí sản xuất cao nên diện tích lớn của sợi vô cơ trên vải địa bị hạn chế. Các loại vải địa kỹ thuật tổng hợp sợi thủy tinh, được làm từ sợi thủy tinh và vải không dệt kim sợi ngắn, có các đặc điểm là thấm nước cao, chống lọc tuyệt vời và chống mài mòn Vải địa kỹ thuật sợi bazan có ưu điểm là bảo vệ môi trường và chịu nhiệt độ cao.

Ngoài một số vật liệu sợi ở trên, còn có một đội quân vật liệu sợi, có khả năng được sử dụng làm nguyên liệu vải địa hiệu suất cao, trong đó loại được mong muốn nhất là sợi nano.

Sợi nano là một trong những vật liệu tiên tiến nhất, có thể dễ dàng thiết kế thành vật liệu hiệu suất cao với hiệu suất độc đáo và có thể nâng cao đáng kể hiệu suất của các loại vải địa kỹ thuật hiện có 

Kết luận

Trong những thập kỷ gần đây, vải địa đã được sử dụng rộng rãi trong công trình địa kỹ thuật, và nhu cầu thị trường toàn cầu đang tăng lên một cách ổn định.

Vải địa kỹ thuật chủ yếu được cấu tạo từ các polyme dòng polyolefin, polyester hoặc polyamit, và các chất phụ gia thường được thêm vào để nâng cao hiệu suất của vải địa. Vải có thể được sử dụng cho ít nhất một trong các chức năng sau trong công trình địa kỹ thuật:

Tách, lọc, thoát nước, gia cố, rào cản và chống xói mòn. Vải địa kỹ thuật ngày càng đóng một vai trò quan trọng trong kỹ thuật địa kỹ thuật, nhưng cũng có khá nhiều vấn đề tiềm ẩn:

Một phần của kỹ thuật địa kỹ thuật đặt ra các yêu cầu cao hơn đối với vải địa kỹ thuật, sự xuống cấp của vải trong quá trình ứng dụng và ô nhiễm môi trường tiềm ẩn. Đây là những điều đáng để chúng ta quan tâm.

Dựa trên tổng quan tài liệu và dữ liệu mới nhất, xu hướng phát triển của vải địa kỹ thuật được thảo luận. Vải địa kỹ thuật tự nhiên phù hợp với khái niệm xanh, có lợi cho việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Vải địa kỹ thuật sợi tự nhiên có thành phần chủ yếu là sợi thực vật. Trong một phần các ứng dụng ngắn hạn và trung hạn của địa kỹ thuật, nó có thể thay thế vải địa kỹ thuật truyền thống một cách tự nhiên.

Đặc biệt trong ứng dụng kiểm soát xói mòn, khả năng hút nước và lưu trữ của vải địa kỹ thuật tự nhiên là những mặt tích cực. Độ bền hạn chế ứng dụng của vải địa kỹ thuật sợi tự nhiên.

Hiện tại, độ bền của vải địa kỹ thuật tự nhiên có thể được cải thiện hiệu quả bằng cách thêm một số sợi tổng hợp và sửa đổi hóa học. Khi vải thuật thông minh được áp dụng để gia cố cấu trúc địa kỹ thuật, việc theo dõi sức khỏe của cấu trúc địa kỹ thuật có thể được thực hiện để đảm bảo rằng cấu trúc địa kỹ thuật và vị trí của nó có nguy cơ hỏng hóc và hư hỏng cao có thể được tìm thấy trong giai đoạn đầu, có lợi cho việc phòng ngừa và bảo trì trước.

Khả năng giám sát của vải địa thông minh phụ thuộc vào đặc tính của cảm biến. Hiện tại, cảm biến sợi quang được tích hợp vào vải địa kỹ thuật chủ yếu bao gồm cảm biến sợi quang dựa trên cách tử Fiber Bragg, cảm biến sợi quang dựa trên sự tán xạ Brillouin và cảm biến sợi quang polyme, có những ưu và nhược điểm riêng.

Ngược lại, cảm biến POF có độ đàn hồi cao, độ căng đứt gãy cao và độ biến dạng đo (cao hơn 40%) phù hợp hơn với vải địa thông minh. Ngoài cảm biến sợi quang, còn có các công nghệ khác, chẳng hạn như công nghệ graphene, có thể làm cho vải địa kỹ thuật trở nên thông minh.

Vải địa hiệu suất cao luôn là một hướng quan trọng của sự phát triển vải địa. Hiện tại, chủ yếu là bổ sung các chất phụ gia và sửa đổi vải địa kỹ thuật để bù đắp các khuyết tật về hiệu suất của vải địa kỹ thuật.

Thứ hai, vải địa với các đặc tính tuyệt vời có thể được làm từ sợi hiệu suất cao, chẳng hạn như sợi thủy tinh hoặc sợi bazan. Trong tương lai, có thể thiết kế các loại vải địa kỹ thuật với các đặc tính độc đáo và tuyệt vời bằng cách áp dụng các sợi nano vào vải địa kỹ thuật

Lược Dịch – Hưng Phú địa kỹ thuật môi trường.