現在、土木工学においては、どのようなジオセル材料を使用するかを決定することが、プロジェクトの耐久性、構造物の性能、および全体コストに影響を与える最初のステップとなっています。ジオセルとは、主に側方からの拘束力によって弱い土壌を強化することで機能する3次元のハニカム構造の拘束システムです。しかし、これらの材料の性能には大きな差があります。

本書では、従来のHDPEから先進的な新型ポリマー合金（NPA）に至るまで、6種類の人気のあるジオセル材料を、引張強度、溶接剥離強度、耐紫外線性、クリープ挙動、および使用適性の観点から比較している。高速道路の路盤補強、斜面の安定化、擁壁の建設など、どのような用途においても、本書は構造的安全性と持続可能性のバランスを実現するのに役立つだろう。

1. ジオセル素材とは何ですか？

Geocell は、接続されたポリマー ストリップから作られた 3D ハニカム状の細胞閉じ込めシステムです。現場で拡張すると、これらのストリップは、土、砂利、砂、コンクリートなどの充填材料を閉じ込めてサポートする壁のネットワークを作成します。

ジオセル侵食制御技術の使用の背後にある主なアイデアは、横方向の閉じ込めです。土壌粒子の水平方向の変位を制限することで、ジオセルは土壌層のせん断強度と剛性を高め、その結果、硬いマットレスのような構造が得られます。この複合システムは、重い荷重を広範囲に分散するのに役立ち、浸食を防止し、わだち掘れを軽減し、構造破損のリスクを軽減します。したがって、生成された機械的に安定化された層は、補強なしの土壌よりも大幅に大きな荷重に耐えることができます。

2. ジオセル材料にはどのような種類の材料が使用されていますか?

2.1 高密度ポリエチレン (HDPE)

HDPE は、最も頻繁に使用される HDPE ジオセル材料であり、道路建設や法面保護などのさまざまな用途の世界業界標準です。

2.2 新規ポリマーアロイ (NPA)

NPA はプラスチックジオセル製品のアップグレード用の材料と考えられており、通常の HDPE のクリープ問題を克服するために特別に設計されています。これらの高性能材料は通常、ナノファイバーまたは特殊な樹脂で強化されたさまざまなポリマーの組み合わせです。

2.3 ポリプロピレン(PP)

ジオセル構造でより高い剛性を備えながらも高価な合金よりも低価格の材料が必要な場合、PP が最初の選択肢となることがあります。

2.4 ポリエステル織物/不織布(PET)

ジオセル システムの一部は、固体プラスチック シートの代わりに高強度ポリエステル ジオテキスタイルを採用しています。

PET ジオセルは、高い引張強度が特徴です。それに加えて、それらは浸透性が高く、水は細胞壁を通って流れることができます。浸透性は、排水が重要な用途にとって有利です。ただし、これらの布地ベースのシステムは剛壁ジオセルとは根本的に異なり、通常は重荷重に耐えるものではなく、特殊な侵食制御や排水用途に使用されます。

2.5 リサイクルHDPE

持続可能性への注目がますます高まっているため、現在、いくつかのメーカーがリサイクル HDPE 樹脂で作られたジオセル素材を提供しています。リサイクルされた HDPE ジオセルは、埋め立て地からプラスチック廃棄物を転用するという環境上の利点を提供し、バージン HDPE の多くの特徴を依然として備えています。ただし、これらの製品の機械的特性、特に引張強さと長期クリープ耐性は、未使用の材料と比較してわずかに低い場合があります。これらの材料は、最高レベルの構造性能が主要な要件ではない、歩道、景観設計、仮設アクセス道路などの軽量用途に最適です。

3. 柔軟性と剛性の最適なバランスを提供するジオセル素材はどれですか?

3.1 業界ベンチマーク: HDPE ジオセル材料

高密度ポリエチレン (HDPE) は、一般的なエンジニアリング作業の主な焦点において最も合理的な妥協案として広く認識されています。充填材を効率的に閉じ込めるために十分なフープ強度を実現するだけでなく、非常に高いレベルの延性も維持します。この非常にまれな特徴により、一方では、HDPE で作られたジオセルが不均一な路床に合わせて成形し、いくつかの沈下に対処し、急な斜面の輪郭にも適応することができ、他方では、脆性破壊などのリスクが完全に排除されます。

道路建設や斜面安定化工事における HDPE は、その高い柔軟性により、その下の地面にぴったりと密着する生き物のようなものであるため、水が侵入して下に浸食を引き起こす場所がありません。さらに、私道の HDPE ジオセル素材は、応力がかかっても壊れずに少し曲がるのに十分な能力を備えているため、取り扱いが簡単で、使用中に非常に耐久性があります。

3.2 構造的完全性: NPA および PP ジオセル材料

3.2.1 新しいポリマーアロイ (NPA): 

このタイプの材料は、スペクトルの剛性の限界に非常に近いものです。そのため、車両に重い荷重がかかってもセル壁の変形が最小限に抑えられるため、荷重支持能力においてははるかに優れていますが、同時に設置時の柔軟性が最も低くなります。実際、NPA ジオセルは路床の準備に高度な精度を要求し、表面の凹凸に対する耐性はあまり高くありません。

ただし、高速鉄道の線路や空港の滑走路など、路面の正確なレベルを維持することが最も重要な場合には、この剛性の特徴が非常に重要な利点となります。

3.2.2 ポリプロピレン (PP): 

PP は HDPE に比べて最初から高い剛性を持っており、より強いタッチをもたらしますが、同時に瞬間的な変形に対する抵抗力も大きくなります。

しかし、剛性が高まると同時に、いくつかの妥協も生じます。低温では、PP の剛性は材料が脆くなるレベルに達するため、衝撃や動的荷重の結果として亀裂が発生し始める可能性があります。変化の激しい気候や凍結融解サイクルが頻繁に起こる地域で実施されるプロジェクトの場合、低温での柔軟性がより高い HDPE の方が、一般に長期にわたる耐久性が優れています。

4. 引張強度と溶接剥離強度はどのように比較されますか?

4.1 NPA (新規ポリマー合金): パフォーマンスリーダー

NPA はこの種の高ストレス環境に特化しているため、その技術的特徴もこの特化の特徴となっています。

4.1.1 引張強さ: 

NPA はすべてのジオセル材料の中で最も強力です。 NPAの製造には特殊な樹脂と強化繊維が使用されているため、軽度かつ長時間の負荷がかかった場合でも強度を維持できます。この材料の高い弾性率は、伸びに強く抵抗するため、非常に重い車輪荷重下でもジオセル グリッドがその設計形状を維持することを保証します。

4.1.2 溶接剥離強度: 

NPA は溶接強度の点で他を上回ります。 NPA の溶接部で作られる分子結合は非常に強力であるため、疲労に耐えることができます。言い換えれば、非常に重い車両、たとえば車両の繰り返し荷重がかかっても継ぎ目が破損する可能性は非常に低いです。トラック、電車。言うまでもなく、この種の耐疲労性は、溶接の破損によって安定化層全体が危険にさらされる可能性があるインフラストラクチャ プロジェクトにとって非常に必要な特性です。

4.2 HDPE (高密度ポリエチレン): 業界標準

HDPE は信頼性の高いレベルの強度を提供し、ほとんどの国際規格 (GRI-GS13 など) を満たしていますが、NPA と比較すると、その絶対値は一般に低い値になります。

4.2.1 引張強さ: 

HDPE は強力で信頼性の高い引張抵抗を実現しますが、NPA と比較すると弾性率が低いという事実があります。これが基本的に意味するのは、HDPE を破断するのは非常に難しいにもかかわらず、同じ材料は破断する前に NPA よりも大きな伸び (クリープ) を受けるということです。また、沿面距離は、標準的な用途の大部分についてエンジニアの設計に組み込むのに十分です。

4.2.2 溶接剥離強度:

HDPE 溶接は、材料が製造中に容易に溶けて結合するため、非常に安定しています。ポリエチレンの溶接プロセスは十分に確立され、品質管理されているため、信頼性の高い継ぎ目の完全性が得られます。ただし、極度の高温条件では、HDPE の溶接強度が合金ベースの材料よりも大幅に低下する可能性があるため、極度の高温気候でのプロジェクトについては考慮する必要があります。

4.3‍‌‍‍‌‍‌‍‍‌ PP (ポリプロピレン): 有力な候補者

PP は HDPE に比べて剛性が高いため、初期の伸びに対する抵抗力が高くなります。ただし、溶接の品質には問題があります。

4.3.1 引張強さ: 

PPを伸ばすのに必要な力は、最初は非常に大きいです。この素材はより硬い感触を持ち、静荷重下で充填素材を効果的に固定します。

4.3.2 溶接剥離強度: 

異なり、時には問題が生じます。ポリプロピレンは、ポリエチレンよりも超音波溶接が難しいという評判があります。完全に製造された PP 溶接部は良好な強度を備えていますが、溶接部自体は一般に HDPE の溶接部よりも脆いです。この脆弱性により、PP 溶接部は鋭い衝撃や動的荷重がかかると降伏や伸びを伴わずに突然破損する可能性があり、これは耐久性の高いケースでは非常に重大な破損モードとなります。

5. 耐紫外線性と長期耐久性の点で最も高く評価されているジオセル素材はどれですか?

5.1 UV 保護と化学的安定性

ほとんどの場合、HDPE は長期的な環境耐久性に関して最高の評価を持っていると考えられています。 HDPE ジオセルの製造中に 2% ～ 3% のカーボン ブラックを使用すると、材料の耐紫外線性が著しく向上します。カーボン ブラックは非常に効率的な UV 吸収剤および安定剤として機能するため、HDPE ジオセルは、引張強度や柔軟性が大幅に損なわれることなく、数十年間非常に強い太陽光にさらされても問題ありません。

さらに、HDPE は化学的に不活性であるため、強酸性またはアルカリ性の土壌、塩水、および土木工学用途で存在するほとんどの化学物質への曝露による劣化に対するもう 1 つの防御層を提供します。この化学的安定性は、腐食性の路床土壌や産業汚染物質にさらされても材料が脆くなったり劣化したりしないことを意味します。

5.2 過酷な気候における長期的なパフォーマンス

5.2.1 クリープ耐性の NPA: 

重くて長期にわたる荷重がかかる構造環境では、NPA が HDPE よりもはるかに優れたクリープ (永久変形) 耐性を備えているため、最適であると考えられています。 HDPE は数十年にわたる重荷重の影響でゆっくりと変形する可能性がありますが、NPA は元の形状を維持するため、設計寿命全体にわたって一貫した荷重分散が提供されます。

5.2.2 熱安定性: 

HDPE は -40°C まで破損することなく簡単に曲げることができますが、PP は低温にさらされると破損する可能性が高くなります。暑い夏や凍てつく冬など、極端な温度変化がある状況でも、HDPE は世界中で耐久性のベンチマークであり続けます。 NPA はこのような極端な温度にも十分耐えますが、その主な強みは熱的な柔軟性ではなく、重い荷重に耐えることにあります。

5.2.3 リサイクル HDPE: 

環境に良いものではありますが、再生 HDPE は一般に、最適なレベルでカーボン ブラックを使用した新しい材料から得られるものほど高い耐紫外線性を持ちません。ジオセルを充填作業前に長時間太陽の下に放置する必要がある場合は、最高品質の新しい HDPE または NPA を使用することが最良の選択肢となります。

6. 高耐久荷重のサポートに最も効果的なジオセル素材はどれですか?

6.1 耐久性の高い荷重サポート: NPA ジオセル材料の場合

高速道路、鉄道、工業港、鉱山輸送道路、空港滑走路などの高耐久荷重支持用途に関しては、ノベル ポリマー アロイ (NPA) が最も適切な材料の選択です。

6.1.1 構造剛性と耐クリープ性: 

通常のプラスチックとは異なり、NPA は高い弾性率を持つように特別に設計および製造されています。この材料の品質または特性により、重い車両の恒久的な重量がかかっても、ジオセルの壁がクリープ (永久に伸びない) ことが保証されます。 NPA は元の形状を適切に保持しながら、硬いマットレス効果をもたらし、その結果、柔らかい路盤の支持力を大幅に向上させます。特に、表面のわずかな変形でも安全上の危険が生じたり、より頻繁なメンテナンスが必要になったりする可能性がある高速アプリケーションの場合、これは非常に重要です。

6.1.2 インフラストラクチャの長期耐用年数: 

NPA は、大型トラックの交通や鉄道運行による高頻度の負荷の下でも、50 年以上にわたって構造の完全性を維持します。 NPA 製品を提供するメーカーは、材料の長期挙動に対する信頼を反映して、特定の地質条件および荷重条件下で最長 75 年間のエンジニアリング性能保証を提供することがよくあります。

6.2‍‌‍‍‌‍‌‍‍‌ 中程度の耐久性の高いアプリケーション向けの HDPE

確かに、HDPE は軽い道路や二次高速道路に非常に効果的に使用できます。ただし、継続的に大きな荷重がかかると長期間にわたってわずかに変形するという特性があるため、路面の精度が非常に重要となる主要な高速インフラストラクチャや重量トン数の設置にはあまり適していません。それでも、中程度の大型車両の交通量の場合、または予算が主な要因である場合には、HDPE が十分にテストされた優れたオプションであることに変わりはありません。

6.2.1 負荷分散:

閉じ込めメカニズムによる負荷分散のプロセスでは、HDPE ジオセルは良好にパフォーマンスを発揮します。ただし、非弾性負荷がかかるとセルの壁は NPA よりも変形する可能性があります。このレベルの変形は、ほとんどの商業用駐車場、アクセス道路、二次ルートでは許容可能です。

7. どのようなジオセル材料メーカーの保証または認定が利用可能ですか?

7.1 国際製造業者: 認証と保証

7.1.1 プレスト ジオシステムズ (米国): 

私の世代のジオセル技術は彼らのものであり、彼らの GEOWEB シリーズは ISO 9001:2015 の認証を受けており、CE マークが付いています。 Presto によれば、同社のパフォーマンス データはサードパーティの研究所によって検証されており、特に溶接強度と材料の一貫性に重点を置いた業界をリードする限定保証が提供されています。材料は長い間市場に出回っているため、さまざまな用途における材料の性能は問題になりません。

7.1.2 PRS ジオテクノロジーズ (イスラエル): 

Neoloy 高性能ポリマー アロイ (NPA) ジオセルに関して言えば、PRS は ASTM D6992 (SIM) クリープ試験を認証ポートフォリオに導入している企業です。エンジニアリング性能保証は、指定された地質条件下で最長 75 年間提供され、NPA 配合のハイエンドな性質を反映しています。同社の製品は ISO 規格に合格しており、主に高負荷のインフラストラクチャ アプリケーション向けに設計されています。

7.2 中国の主要製造業: BPM ジオシンセティクス

業界をリードする立場にある BPM Geosynthetics は、100 か国以上に製品を供給し、品質管理の面で国際基準を満たす完全なシステムを運用しています。

7.2.1 包括的な認証: 

ISO 9001、ISO 14001、OHSAS 18001 に加えて、BPM ジオシンセティックス製造工場も認証されています。製品は、SGS、Intertek、ビューロー ベリタスなどの国際的に認められた機関によってテストされ、製品が ASTM 規格に準拠していることが保証されます。第三者による検証を使用することは、材料仕様と性能値を正確に示す BPM の方法です。

7.2.2 保証の約束: 

製品保証の中で最も一般的なのは、耐紫外線性と溶接剥離強度の 2 つのカバーであり、通常 2 年から 10 年の保証が適用されます。 BPM ジオシンセティクスの生産と同様、高速道路路床および斜面安定化プロジェクトは、一貫した生産品質により 99.5% の品質認定率を実証しています。

結論

どのジオセル材料が最適であるかは、プロジェクトの地理的および構造的要件に帰着します。ジオセルを注文する際に最初に念頭に置くべきことは、最も重い荷重条件を考慮し、環境への配慮を妥協せず、サードパーティのテストとメーカー保証によって裏付けられた材料を選択することです。実際、適切な材料を選択し、適切に設置すれば、弱い土壌を強固な構造要素に変え、文明のインフラを何世代にもわたって支え続けることができます。

お問い合わせ - 詳細については、株式会社ベストプロジェクトマテリアル（BPMジオシンセティクス） チーム。