ANALIZA UZYSKANYCH WYNIKÓW BADAÑ

Na podstawie przeprowadzonych badañ przeanalizowa-no w³aœciwoœci izolacyjne i wytrzyma³oœciowe oraz mo¿li-woœci wykorzystania i³ów neogeñskich z Mszczonowa jako Fig. 72. Waloryzacja parametrów do okreœlenia przydatnoœci mieszanki gruntowej w celu wykorzystania jej

jako materia³u mineralnej warstwy uszczelniaj¹cej

Valorization of parameters for determination of suitability of a soil mixture for using it as a mineral sealing bed

materia³u izolacyjnego i konstrukcyjnego sk³adowisk odpa-dów. Odzwierciedleniem sk³adu mineralnego, zawartoœci substancji organicznej oraz tlenków Fe, Al i Mn w gruntach jest pojemnoœæ wymiany kationów (Adriano, 1986). Warto-œci powierzchni w³aWarto-œciwej i pojemnoWarto-œci wymiany kationów w badanych i³ach zmieniaj¹ siê odpowiednio od ok. 250 · 10³ do 350 · 10³m²/kg i 320 do 440 mval/kg, przy czym najni¿-szymi wartoœciami odznacza siê i³ br¹zowy. Wymienione powy¿ej cechy i³ów pozwalaj¹ stwierdziæ, ¿e grunty te s¹ œredniej klasy sorbentem. Potwierdzaj¹ to wyniki badañ sorpcji i desorpcji jonów o³owiu i kadmu z roztworów pro-bierczych o ró¿nych stê¿eniach przy pH = 7. Kumulacja jo-nów Cd i Pb nie by³a ni¿sza ni¿ 79% w przypadku roztwor-ów monometalicznych, a przy obecnoœci jonroztwor-ów obu metali w jednym roztworze – nie ni¿sza ni¿ 62%.

Badania w³aœciwoœci fizycznych tych i³ów wykaza³y, ¿e charakteryzuj¹ siê one wskaŸnikiem plastycznoœci w grani-cach od 27% dla i³u br¹zowego do 34% dla i³u br¹zowosza-rego oraz ¿e wystêpuj¹ g³ównie w stanie pó³zwartym, rzadko w twardoplastycznym. Grunt zwiêz³o spoisty w takim stanie sprawia³by trudnoœci przy formowaniu i zagêszczaniu go w celu otrzymania ci¹g³ych warstw. Równie¿ procesy pêcz-nienia w tak zbudowanej warstwie bêd¹ utrudnione i ograni-czone jedynie do zewnêtrznych stref bry³ gruntu ilastego, co uniemo¿liwi samouszczelnianie warstw w wyniku pêcz-nienia. Z drugiej strony grunty te charakteryzuj¹ siê wysoki-mi wartoœciawysoki-mi skurczu liniowego, od 15 do 20%, co mo¿e powodowaæ powstawanie szczelin przy przesuszeniu warstw w trakcie eksploatacji sk³adowiska.

Do formowania z opisywanego i³u jednolitych warstw mineralnego uszczelnienia konieczne by³oby podwy¿szenie jego wilgotnoœci, a¿ do osi¹gniêcia przez ten grunt stanu pla-stycznego, co wi¹¿e siê ze znacznym pogorszeniem w³aœ-ciwoœci konstrukcyjnych. Taki grunt mo¿na by warunkowo stosowaæ jedynie do uszczelniania poziomych powierzchni sk³adowiska, przy czym sprawia³by on k³opoty podczas za-gêszczania warstwy oraz w czasie eksploatacji sk³adowi-ska (£uczak-Wilamowsk³adowi-ska, 2002b; £uczak-Wilamowsk³adowi-ska, Dr¹gowski, 2005).

W celu poprawy w³aœciwoœci konstrukcyjnych i wyko-rzystania w³aœciwoœci izolacyjnych i³ów neogeñskich prze-prowadzono badania modelowych w³aœciwoœci i³u przez za-stosowanie dodatku piasku wydmowego. Dodatek ziarn frakcji piaskowej powinien stanowiæ szkielet noœny, a i³ – le-piszcze i wype³nienie powsta³ego gruntu.

Sporz¹dzone homogeniczne mieszanki gruntowe z i³u i piasku wydmowego pod wzglêdem sk³adu granulometrycz-nego odpowiada³y: i³owi – M20p, glinie zwiêz³ej – M40p, glinie piaszczystej zwiêz³ej – M60p oraz glinie piaszczystej – M80p. Stwierdzono wyraŸny wp³yw zawartoœci ziarn frak-cji piaskowej w mieszance gruntowej na jej w³aœciwoœci fi-zyczne, wytrzyma³oœciowe i sorpcyjne.

W zakresie potencjalnej ekspansywnoœci, aktywnoœci, stopni ekspansji oraz potencja³u pêcznienia wszystkie mie-szanki gruntowe wykazuj¹ zmniejszenie wartoœci wymie-nionych parametrów wraz ze wzrostem zawartoœci piasku w mieszance gruntowej. Wszystkie mieszanki gruntowe s¹

nieaktywne – dla i³ów zanotowano aktywnoœæ w szerokim zakresie od 1,25 do poni¿ej 0,5. Zasadniczo wykazuj¹ nisk¹ potencjaln¹ ekspansywnoœæ i niski stopieñ ekspansji – i³y w zakresie od bardzo wysokich do œrednich wartoœci poten-cjalnej ekspansywnoœci i w zakresie od wysokich do œred-nich stopni ekspansji. Mieszanki gruntowe wykazuj¹ poten-cja³ pêcznienia poni¿ej 1,5%, natomiast i³y – w zakresie od 25% do 1,5%.

Wraz ze wzrostem zawartoœci ziarn frakcji piaskowej w mieszance gruntowej liniowo maleje wartoœæ gêstoœci w³aœciwej szkieletu gruntowego od 2,70 Mg/m³ dla i³u br¹zowego do 2,66 Mg/m³dla mieszanki M80p. Równie¿ li-niowo spadaj¹ wartoœci wilgotnoœci optymalnej (wopt) z 17%

dla M20p do 11,1% dla M80p i 9,8% dla piasku. W przypad-ku innych parametrów zmiennoœæ ma charakter krzywoli-niowy. Przebieg zmiennoœci zbli¿ony do funkcji potêgowej o wyk³adniku ujemnym wykazuj¹: powierzchnia w³aœciwa (St), której wartoœci malej¹ od 253×10³m²/kg dla i³u br¹zo-wego do 52×10³m²/kg dla mieszanki M80p; pojemnoœæ wy-miany kationów (CEC) zmieniaj¹ca siê od 320 mval/kg dla i³u br¹zowego do 67 mval/kg dla M80p; pêcznienie swobod-ne (FSHG) o zmiennoœci od 70% do 20%; skurcz liniowy (LS), którego wartoœci malej¹ od 14,7% do 7,4% a tak¿e pa-rametry plastycznoœci: granica plastycznoœci (wp) od 21,3%

do 18,6%, granica p³ynnoœci (wL) od 48,6% do 20,6%

i wskaŸnik plastycznoœci (Is) od 27,3% do 2,0%. Dla serii mieszanek gruntowych notuje siê równie¿ zmiennoœæ warto-œci parametru z osi¹gniêciem ekstremum. Uzyskano maksy-maln¹ gêstoœæ objêtoœciow¹ szkieletu gruntowego (2,057 Mg/m³), minimaln¹ porowatoœæ (22%) oraz minimalny wskaŸnik porowatoœci (0,29) dla mieszanki zawieraj¹cej 80% piasku, co wskazuje na bardzo dobr¹ zagêszczalnoœæ tej mieszanki.

Badania wytrzyma³oœci na œcinanie przeprowadzono na próbkach mieszanek gruntowych o maksymalnej gêstoœci objêtoœciowej szkieletu gruntowego oraz o wilgotnoœci nie-znacznie przekraczaj¹cej wilgotnoœæ optymaln¹. Wraz ze wzrostem zawartoœci piasku w mieszance gruntowej wzra-staj¹ liniowo wartoœci k¹ta tarcia wewnêtrznegoj od 6,2 dla i³u br¹zowego do 39,2 dla piasku. Zmiennoœæ spójnoœci przebiega w odwrotnym kierunku. Zmiennoœæ konsolidome-trycznego modu³u œciœliwoœci (Mk) w funkcji naprê¿enia (s) dla mieszanek ma charakter liniowy (w odró¿nieniu od i³u), przy czym tempo zmian Mk(s) roœnie wraz ze wzrostem za-wartoœci piasku w mieszance gruntowej. Przy zastosowa-nym przedziale naprê¿eñ konsoliduj¹cych do 600 kPa naj-ni¿sz¹ wartoœæ konsolidometrycznego modu³u œciœliwoœci zanotowano dla mieszanki M20p – 5,7 MPa, a najwy¿sz¹ dla M80p – 42,2 MPa.

Przeprowadzone badania konsolidometryczne z pomia-rem ciœnienia porowego w próbkach mieszanek gruntowych pos³u¿y³y do wyznaczenia metod¹ ekstrapolacji wartoœci wspó³czynnika filtracji dla maksymalnie zagêszczonych mieszanek gruntowych. Wartoœci wspó³czynnika filtracji nie wykazuj¹ zale¿noœci od sk³adu mieszanki gruntowej, ale spe³niaj¹ podstawowy warunek przydatnoœci mineralnego

materia³u izolacyjnego sk³adowisk odpadów, gdy¿ s¹ ni¿sze od 10^–9m/s.

Funkcjonowaniu warstw mineralnego uszczelnienia jako bariery dla odcieków ze sk³adowisk odpadów sprzyja niska wartoœæ wspó³czynnika filtracji wraz z dobrymi w³aœciwo-œciami sorpcyjnymi. Badania dotycz¹ce eliminowania jonów kadmu i o³owiu z ich roztworów wodnych w obecnoœci za-wiesiny gruntowej przy pH = 7 wykaza³y spadek kumulacji jonów tych metali wraz ze wzrostem zawartoœci piasku w mieszance gruntowej. Wartoœci kumulacji nie by³y ni¿sze ni¿ 78% pocz¹tkowego stê¿enia jonów niezale¿nie od ich stê¿enia i jednoczesnego wystêpowania dwóch rodzajów jo-nów w roztworze. £atwiej eliminowanym jonem z roztworu jest o³ów. Oprócz wysokiej sorpcji jonów metali ciê¿kich przez minera³y ilaste zawarte w mieszankach gruntowych zachodz¹ te¿ procesy wytr¹cania jonów tych metali w obec-noœci ziarn frakcji piaskowej maj¹cych w³aœciwoœci bufo-ruj¹ce. Wyniki wykonanych badañ dowodz¹, ¿e zawartoœæ ziarn frakcji piaskowej nie ma wiêkszego wp³ywu na wiel-koœæ kumulacji kadmu i o³owiu przez mieszanki gruntowe.

Procesy kumulacji metali ciê¿kich s¹ bardzo z³o¿one. W zwi¹zku z tym wskazane jest przeprowadzanie ka¿dorazowo tych badañ dla gruntów spoistych o przeznaczeniu na mine-ralne warstwy uszczelniaj¹ce sk³adowisk odpadów przewi-dywanych dla konkretnego obiektu lub dla porównañ przy neutralnym pH.

Z przeprowadzonych badañ i analiz wynika, ¿e nie jest mo¿liwe jednoznaczne wskazanie parametrów charaktery-zuj¹cych tylko i wy³¹cznie w³aœciwoœci izolacyjne i w³aœ-ciwoœci wytrzyma³oœciowe gruntów. Mo¿na jedynie wska-zaæ parametry podstawowe dla okreœlenia tych w³aœciwoœci.

Za podstawowe parametry okreœlaj¹ce w³aœciwoœci izo-lacyjne gruntów nale¿y uznaæ: sk³ad granulometryczny, a szczególnie zawartoœæ frakcji i³owej, sk³ad mineralny – g³ównie frakcji i³owej, wspó³czynnik filtracji. Ponadto istot-ne s¹: pojemnoœæ wymiany kationów, pêcznienie i skurcz oraz w³aœciwoœci sorpcyjne.

Rozwa¿aj¹c przydatnoœæ gruntu jako materia³u konstruk-cyjnego oraz dla technologii kszta³towania i formowania warstw mineralnego uszczelnienia nale¿y wskazaæ:

parame-try plastycznoœci – wskaŸnik plastycznoœci, zagêszczalnoœæ – wskaŸnik zagêszczenia, wskaŸnik porowatoœci, wilgotnoœæ optymaln¹, gêstoœæ – gêstoœæ objêtoœciow¹ gruntu, gêstoœæ objêtoœciow¹ szkieletu gruntowego, gêstoœæ w³aœciw¹ szkie-letu gruntowego, maksymaln¹ gêstoœæ objêtoœciow¹ szkiele-tu gruntowego, parametry wytrzyma³oœciowe – k¹t tarcia wewnêtrznego i spójnoœæ, parametry konsolidacji – konsoli-dometryczny modu³ œciœliwoœci, wspó³czynnik konsolidacji.

Ponadto wa¿ne s¹ takie cechy gruntu, jak: urabialnoœæ,

³atwoœæ homogenizacji (tak¿e mieszanek gruntowych), wiel-koœæ wspó³czynnika tarcia uszczelnienia syntetycznego po warstwie uszczelnienia mineralnego – szczególnie na zbo-czach niecki sk³adowiska, wielkoœæ i dostêpnoœæ z³o¿a oraz rodzaj transportu i odleg³oœæ, na jak¹ materia³ mineralny bê-dzie przemieszczany ze z³o¿a na miejsce budowy.

Dla wy³onienia spoœród sporz¹dzonej serii mieszanek gruntowych jednej optymalnej, przeprowadzono waloryzacjê.

Wybrano do tego celu wartoœci czterech parametrów – pojem-noœci wymiany kationów, wskaŸnika plastyczpojem-noœci, wskaŸni-ka porowatoœci i k¹ta tarcia wewnêtrznego – najlepiej charak-teryzuj¹cych w³aœciwoœci izolacyjne i wytrzyma³oœciowe.

Analiza wykaza³a, ¿e optymaln¹ mieszank¹ gruntow¹ do for-mowania warstw mineralnego uszczelnienia sk³adowisk od-padów jest mieszanka o sk³adzie 40% piasku i 60% i³u. Nie-znacznie gorszymi w³aœciwoœciami charakteryzuje siê mie-szanka o zawartoœci 20% piasku. Na szczególn¹ uwagê zas³uguje mieszanka M80p, która charakteryzuje siê mini-maln¹ wartoœci¹ wskaŸnika porowatoœci i wspó³czynnika fil-tracji oraz maksymaln¹ wartoœci¹ k¹ta tarcia wewnêtrznego spoœród serii mieszanek. Mo¿e to sk³aniaæ do rozwa¿enia

mo-¿liwoœci niewielkiego dodatku i³u do uszczelniania pod³o¿a piaszczystego sk³adowisk odpadów. Uwarunkowane jest to oczywiœcie rodzajem sk³adowanych odpadów – ich

oddzia-³ywaniem na œrodowisko i potrzeb¹ ich izolacji.

Wed³ug przyjêtych kryteriów przydatnoœci gruntów do wbudowywania, wyra¿onych wartoœciami parametrów pla-stycznoœci (tab. 31; Wi³un, 1987), i³y mszczonowskie s¹ z³e jako materia³ do wbudowywania, natomiast wszystkie mie-szanki gruntowe – mo¿liwe i dobre do wbudowywania w konstrukcjê obiektu.

T a b e l a 3 1 Parametry plastycznoœci jako kryteria przydatnoœci gruntów do ich wbudowywania (Wi³un, 1987)

Parameters of plasticity as criteria of suitability of soils for incorporating (Wi³un, 1987)

Wilgotnoœæ granicy p³ynnoœci wL[%]

Wilgotnoœæ granicy plastycznoœci wp[%]

Gêstoœæ objêtoœciowa szkieletu gruntowegor [Mg/m³]

PrzydatnoϾ

>65 >22 <1,60 nie nadaj¹ siê

65–50 22–19 1,60–1,73 z³e

50–32 19–16 1,73–1,92 mo¿liwe

32–24 16–14 1,92–2,06 dobre

<24 <14 >2,06 bardzo dobre

9. WNIOSKI

Na podstawie przeprowadzonych badañ i analiz mo¿na sformu³owaæ nastêpuj¹ce wnioski:

1. Na terenie Polski dzia³a ponad 690 sk³adowisk