PRZESŁON PRZECIWFILTRACYJNYCH W OBIEKTACH OCHRONY ŚRODOWISKA
3. BADANIA ZAWIESIN TWARDNIEJĄCYCH PO STWARDNIENIU
Ze względu na charakter pracy przesłony przeciwfiltracyjnej, badania zawiesin stwardniałych ograniczono do przepuszczalności hydraulicznej i badań porozymetrycznych.
Utylitarnym zadaniem badań przepuszczalności hydraulicznej było wykazanie przydatność zawiesin jako materiału do realizacji przesłon przeciwfiltracyjnych.
W badaniach przepuszczalności medium filtrującym były odcieki pobrane z osadnika na składowisku odpadów komunalnych. Odcieki są niebezpieczne dla środowiska, ze względu na skład chemiczny. Według rozporządzenia Ministra Środowiska [8] odcieki przekraczają wartości dopuszczalne większości parametrów, kilkadziesiąt lub nawet kilkaset razy (przede wszystkim: związki azotu, fosforu, chlorków, BZT5, CHZT). W związku z tym przesłona musi zapobiegać infiltracji odcieków do wód gruntowych.
Bazą porównawczą były wyniki badań zawiesin twardniejących poddanych filtracyjnemu działaniu wody wodociągowej, a także próbki zawiesiny statycznie dojrzewające w wodzie wodociągowej, nie poddane filtracji (wzorcowa).
Ekspozycja zawiesin na działanie filtracji trwała 210 dni. W dniu rozpoczęcia badań wiek próbek wynosił 60 dni. W okresie obserwacji wykonywano pomiary przepuszczalności hydraulicznej śledząc trendy zmian tej wielkości. Po okresie ekspozycji z próbek zawiesin pobrano materiał do badań porozymetrycznych, uzyskując rozkłady wielkości porów i ich charakterystyki. Wykonano również szereg zdjęć mikrostrukturalnych za pomocą mikroskopu skaningowego (SEM).
3.1 Badania przepuszczalności hydraulicznej
Przepuszczalność hydrauliczna zawiesin twardniejących jest bardzo niska (analogicznie jak gruntów spoistych) i w związku z tym czas potrzebny do uzyskania równowagi dopływu i odpływu wody z próbki w badaniach ze stałym gradientem hydraulicznym jest długi.
W takim przypadku wykorzystuje się metody badania przepuszczalności przy zmiennym spadku hydraulicznym. Sposób ten polega na określaniu, w ustalonych chwilach czasu t1, t2, itd., wartości naporów hydraulicznych h1, h2 itd. wywieranych przez słup wody w rurce dopływowej, o powierzchni przekroju a, podczas przepływu cieczy przez próbkę o długości (wysokości) L i powierzchni przekroju poprzecznego A. W tym wypadku przepuszczalność hydrauliczną można wyznaczyć ze wzoru (1):
2
Zasadniczą zaletą tego sposobu badania jest możliwość zmierzenia małych objętości przepływającej wody i wymuszenia dużych naporów hydraulicznych.
Badania przepuszczalności hydraulicznej zawiesin twardniejących przy użyciu wody wodociągowej oraz odcieków zostały przeprowadzone w specjalnie wykonanych, chemoodpornych aparatach z tworzywa sztucznego (pleksi i PVC) [7]. Działanie na badaną próbkę medium filtrującego (woda pitna oraz odcieki ze składowiska) odbywało się w sposób grawitacyjny. Wykonywano pomiary z malejącym, początkowym spadkiem hydraulicznym.
Zakres gradientów działających na próbki wynosił od około 20 do 45, przy czym gradienty niższe od 45 występowały tylko w dniach pomiarów przepuszczalności hydraulicznej (jeden raz w tygodniu) i trwały nie dłużej niż 4 godziny. Raz w tygodniu dokonywano pomiaru przepuszczalności hydraulicznej zawiesin.
Przepuszczalność hydrauliczna obliczona ze wzoru (1) nie uwzględnia wpływu temperatury filtrującej cieczy. Wartości kT uzyskane z badań (w temperaturze T) przeliczano na wartości k10 odpowiadające temperaturze +10°C. Korzystano przy tym ze wzoru (2):
T
Odcieki ze składowiska odpadów komunalnych, ze względu na charakter roztworu wodnego, zostały potraktowane w obliczeniach k10 jak woda wodociągowa i w związku z tym pominięto wpływ różnic lepkości i gęstości roztworu na przepuszczalność hydrauliczną zawiesin.
Wyniki badań przepuszczalności hydraulicznej zawiesin twardniejących w warunkach filtracyjnego transportu mediów przedstawiono w funkcji czasu (rys. 1): zawiesiny z popiołem z węgla kamiennego – PK oraz zawiesiny z popiołem z węgla brunatnego – PB.
Wykresy przedstawiają linie dopasowania (trendy) dla serii odpowiadających poszczególnym zawiesinom (recepturom) wyeksponowanym na filtrację wody wodociągowej oraz odcieków.
Zbadano wpływ spadku hydraulicznego na wynik pomiaru przepuszczalności – w stosowanym zakresie spadków nie stwierdzono zależności między tymi wielkościami.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 czas trwania filtracji [dni]
1,00E-11 1,00E-10 1,00E-09 1,00E-08 1,00E-07
przepuszczalność hydrauliczna, k10 [m/s]
PK woda wod.
PB woda wod.
PK odciek PB odciek
Rys. 1. Przepuszczalność hydrauliczna zawiesiny twardniejącej z dodatkiem popiołu fluidalnego z węgla kamiennego (PK) oraz z węgla brunatnego (PB) w funkcji czasu (linie trendu)
3.2 Badania porozymetryczne zawiesin
Na przepuszczalność hydrauliczną, która jest najważniejszą cechą zawiesiny twardniejącej, jako materiału konstrukcyjnego przesłon przeciwfiltracyjnych wpływa wiele czynników. Należy jednak podkreślić, iż cecha przepuszczalności zawiesiny zależy przede wszystkim (bezpośrednio) od budowy strukturalnej. Struktura materiału wiąże się nieodzownie z porowatością i strukturą porów [9].
Największy wpływ na filtrację cieczy przez strukturę zawiesiny mają ciągłe pory kapilarne (mezopory). Z badań wynika [9], iż na kształtowanie się struktury tych porów szczególny wpływ ma stosunek wodno – spoiwowy w/s (w/c), ale także czas i stopień hydratacji cementu.
Badania struktury porowatości zawiesin zostały wykonane w porozymetrze rtęciowym.
Badaniu poddano próbki zawiesiny twardniejącej z dodatkiem popiołów fluidalnych (PK i PB), po ich długotrwałej (210 dni) ekspozycji na filtracyjne działanie wody wodociągowej oraz odcieków ze składowiska odpadów komunalnych. Jako bazę porównawczą wykorzystano próbki statycznie dojrzewające w wodzie wodociągowej (wzorcowa).
Wyniki badań porozymetrycznych zostały przedstawione w postaci rozkładów wielkości porów. Na podstawie wykresów ustalono parametry charakteryzujące mikrostrukturę badanych próbek.
Wielkości te zestawiono w (tab. 2), przy czym użyto następujących oznaczeń:
Ap – całkowita powierzchnia porów, [m2/g]; vp<0,2 – objętość porów o średnicach mniejszych od 0,2 µm; vp>0,2 – objętość porów o średnicach większych od 0,2 µm; Pc – całkowita porowatość próbki, [-]; dmax – maksymalna średnica porów, [µm].
3.3 Badanie mikrostruktury zawiesin twardniejących za pomocą mikroskopu skaningowego (SEM)
Badania mikrostruktury zawiesin zostały przeprowadzone za pomocą mikroskopu skaningowego (SEM). Badaniu poddano materiał zawiesin, po ich długotrwałej ekspozycji na filtracyjne działanie wody wodociągowej i odcieków oraz zawiesiny wzorcowej. Wybrane obrazy mikrostruktury przedstawiono na rys 2.
Tablica 2. Zestawienie parametrów charakteryzujących mikrostrukturę badanych zawiesin
PK PB PK PB PK PB PK PB PK PB
Lp. Rodzaj roztworu
Ap [m2/g]
vp>0,2 µm [%]
vp<0,2 µm
[%] Pc [%] dmax [µm]
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 w. wod. 99,5 100,9 66 69 34 31 76,2 75,9 4,0 7,0 2 odcieki 94,4 85,7 71 68 29 32 73,9 72,1 3,0 4,0 3 wzorcowa 189,6 169,1 38 35 62 65 74,0 73,0 1,5 1,5 4. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ
Analizując zmienność wyników pomiarów przepuszczalności hydraulicznej zawiesin w okresie 210 dni ekspozycji na filtrację wybranych cieczy (trendy zmian tej wielkości na rys. 1), można przedstawić następujące wnioski:
w przypadku długotrwałego działania wody wodociągowej zarówno próbka PK jak i PB wykazała obniżenie wartości przepuszczalności hydraulicznej w całym okresie badania:
od około 1,5· 10-9 m/s do około 9,0· 10-10 m/s dla próbki PK oraz od około 9,0· 10-9 m/s do około 5,5· 10-10 m/s dla próbki PB,
ekspozycja zawiesin na filtrację odcieków ze składowiska spowodowała – generalnie – zwiększenie szczelności – obniżenie współczynnika przepuszczalności hydraulicznej obydwu rodzajów zawiesiny: od około 2,0· 10-9 m/s do 4,0 · 10-10 m/s dla PK oraz od około 2,5· 10-9 m/s do 2,0 · 10-10 m/s dla PB.
Analizując parametry charakteryzujące mikrostrukturę zawiesin twardniejących poddanych filtracji wody wodociągowej i odcieków ze składowiska w odniesieniu do próbek statycznie dojrzewających w wodzie wodociągowej, widać istotny wpływ mezoporów (vp>0,2 µm), potwierdzony we wcześniejszych doświadczeniach [7]. Ze względu na zbliżone wartości współczynnika przepuszczalności hydraulicznej próbek (zarówno PK i PB, jak i poddanych filtracji wody wodociągowej jak i odcieków) procentowy udział mezoporów oraz mikroporów również jest zbliżony.
Powierzchnia całkowita porów dla próbek wzorcowych (statycznie dojrzewających w wodzie wodociągowej) jest zdecydowanie większa niż dla próbek poddanych ekspozycji, lecz należy zauważyć odwrotną proporcję mezoporów do mikroporów.
Obrazy mikrostruktury zawiesin twardniejących przedstawione na rys. 2, potwierdzają wcześniejsze spostrzeżenia.
5. WNIOSKI
Analiza wyników badań przepuszczalności hydraulicznej oraz struktury porów zawiesin twardniejących z dodatkiem popiołów fluidalnych pozwala na postawienie następujących wniosków:
1. Zawiesiny twardniejące użyte w eksperymencie charakteryzowały się wartościami przepuszczalności hydraulicznej k < 1,0 · 10-9, niezależnie od rodzaju dodatku popiołu fluidalnego oraz medium filtrującego, tzn. spełniają wymagania dotyczące materiałów na przesłony przeciwfiltracyjne.
2. Zawiesiny poddane filtracji odcieków ze składowiska nie uległy destrukcji korozyjnej, a ponadto zwiększyły szczelność (obniżenie współczynnika przepuszczalności hydraulicznej) względem zawiesin badanych przy użyciu wody wodociągowej.
3. Wykorzystane w eksperymencie zawiesiny twardniejące z dodatkiem lotnego popiołu fluidalnego z węgla kamiennego i brunatnego mogą być pełnowartościowym materiałem na przesłony przeciwfiltracyjne w obiektach ochrony środowiska.
a. PK po filtracji w.wod.: C-S-H, skupisko ettringit b. PB po filtracji w.wod.: C-S-H i relikty klinkieru, pory
c. PK po filtracji odcieku ze składowiska: C-S-H i pory
d. PB po filtracji odcieku ze składowiska:
C-S-H, relikt klinkieru, pory
e. PK wzorcowa: C-S-H, ettringit f. PB wzorcowa: C-S-H Rys. 2. Mikrostruktura próbek zawiesin twardniejących (SEM)
4. PIŚMIENNICTWO
[1] Prawo ochrony środowiska. Dz. U. Nr 62, poz. 627 z 27 kwietnia 2001 r. z późniejszymi zmianami.
[2] Ustawa o odpadach. Dz. U. Nr 62, poz. 628 z 27 kwietnia 2001 r. z późniejszymi,
[3] Kledyński Z., Machowska A. Stan i perspektywy wykorzystania materiałów mineralnych w konstrukcji przesłon przeciwfiltracyjnych. Materiały Budowlane 2/2005, Warszawa, s. 71-74.
[4] Borys M., Mosiej K. Podstawowe problemy przebudowy i modernizacji obwałowań przeciwpowodziowych – Przegrody przeciwfiltracyjne z zawiesin twardniejących.
Gospodarka Wodna, 6/2006. Warszawa, s. 234-241.
[5] Borys M. Pionowe przegrody przeciwfiltracyjne z zawiesin twardniejących w korpusach i podłożu wałów przeciwpowodziowych. Wiadomości melioracyjne i łąkarskie.
Zagadnienia Inżynierii Środowiska Wiejskiego, 2/2006. Warszawa, s. 56-59.
[6] Havlica J., Oder I., Brandstetr J., Mikulikowa R., Walther D. Cementious materials based on fluidised bed coal combustions ashes. Advances in Cement Research, 2004, vol. 16, No. 2, pp. 61-67.
[7] Falaciński P., Kledyński Z. Influence of aggressive liquids on hydraulic conductivity of hardening slurries with the addition of different fluidal fly ashes. Environmental Engineering, Taylor&Francis Group, London 2007, s. 295-300.
[8] Rozporządzenie Ministra Środowiska w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego. Dz. U. Nr 137, poz. 984 z 24 lipca 2006 r.
[9] Kurdowski W. Chemia cementu i betonu. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa, 2010.
POSSIBILITY APPLICATION OF HARDENING SLURRIES WITH FLUIDAL