PODSTAWOWE PARAMETRY FIZYCZNE MIESZANEK GRUNTOWYCH

Sk³ad granulometryczny mieszanek gruntowych okreœlo-no, ³¹cz¹c metodê sitow¹ i areometryczn¹. Powsta³e mie-szanki gruntowe sk³adem granulometrycznym odpowiada-j¹ gruntom od i³u – M20p, do gliny piaszczystej – M80p (fig. 47).

Wyró¿nione w wyrobisku kopalni i³y czarne i br¹zowo-szare pod wzglêdem granulometrycznym s¹ i³ami o zniko-mej zawartoœci ziarn frakcji piaskowej, z niewielk¹ za-wartoœci¹ substancji organicznej (£uczak-Wilamowska, 1997a, b; £uczak-Wilamowska, Wyrwicki, 2000a, b).

T a b e l a 2 5 Proporcje i³u br¹zowego ze z³o¿a w Budach Mszczonowskich

i piasku wydmowego w mieszankach gruntowych Proportions of the brown clay from the deposit in Budy Mszczonowskie and dune sand in soil mixtures

Mieszanka gruntowa

ZawartoϾ gruntu w mieszance gruntowej [%]

piasku wydmowego i³u

M20p 20 80

M40p 40 60

M60p 60 40

M80p 80 20

Parametry plastycznoœci: wartoœci granicy plastyczno-œci i p³ynnoplastyczno-œci oraz wartoœæ wskaŸnika plastycznoplastyczno-œci mie-szanek gruntowych maj¹ podstawowe znaczenie dla charak-terystyki podatnoœci gruntu na dzia³anie wody i zmianê jego stanu (fig. 48). Oznaczenie granicy plastycznoœci dla mie-szanki M80p by³o trudne ze wzglêdu na to, ¿e badany grunt podczas wa³eczkowania rozsypywa³ siê.

Wartoœci granic konsystencji i wskaŸnika plastycznoœci malej¹ wraz ze wzrostem zawartoœci piasku w mieszance.

Przebieg zmiennoœci wartoœci granic konsystencji jest zbli¿-one do przebiegu funkcji potêgowej o ujemnym wyk³adniku.

Parametry plastycznoœci badanych gruntów i mieszanek gruntowych przedstawiono na tle klasyfikacji plastycznoœci wg IAEG Commission (1981) sporz¹dzonej na podstawie metody Casagrande’a oznaczania granicy p³ynnoœci (£u-czak-Wilamowska, 1997a, b). Na wykresie (fig. 49) wszyst-kie próbki mieszanek gruntowych znajduj¹ siê w obszarze gruntów o niskiej plastycznoœci – poza M20p, która jest gruntem o œredniej plastycznoœci.

Zale¿noœæ wartoœci wskaŸnika plastycznoœci mieszanek gruntowych od zawartoœci w nich frakcji i³owej odniesiono do projekcji tych zale¿noœci dla niektórych gruntów

spo-Fig. 47. Odwzorowanie uziarnienia badanych gruntów i mieszanek gruntowych na diagramie Fereta Projection of analysed soils and soil mixtures in the Feret diagram

Fig. 48. Granice konsystencji i wskaŸnik plastycznoœci w zale¿noœci od sk³adu mieszanki gruntowej Consistency limits and plasticity index as a function

of composition of the soil mixture

istych Polski przedstawionych przez Wi³una (1987). Punkty odpowiadaj¹ce mieszankom gruntowym uk³adaj¹ siê wspó³kszta³tnie do linii œrednich wskaŸników plastycznoœci na poziomie utworów lodowcowych (fig. 50). Zawieraj¹ one jednak wiêcej cz¹stek frakcji i³owej ni¿ utwory lodowcowe.

Mo¿e to sugerowaæ lepsze w³aœciwoœci izolacyjne i sorpcyj-ne mieszasorpcyj-nek gruntowych w stosunku do gruntów lodow-cowych.

Gêstoœæ w³aœciwa szkieletu gruntowego. Wraz ze wzrostem zawartoœci piasku w mieszance gruntowej zmniej-sza siê liniowo wartoœæ gêstoœci w³aœciwej szkieletu grunto-wego (fig. 51).

Maksymalna gêstoœæ objêtoœciowa szkieletu grunto-wego roœnie wraz ze wzrostem zawartoœci piasku w mie-szance do osi¹gniêcia maksimum dla mieszanki gruntowej o sk³adzie 20% i³u i 80% piasku, a dalej gwa³townie maleje.

Oznaczenia maksymalnej gêstoœci objêtoœciowej szkieletu gruntowego i wilgotnoœci optymalnej dla i³u – sk³adnika mieszanek gruntowych – nie powiod³a siê. W przedziale ni-skich wilgotnoœci materia³ nie ulega³ homogenizacji, wystê-powa³y makropory, a materia³ mineralny tworzy³ agregaty odporne na nawil¿anie i rozmakanie. Przy wysokiej wilgot-noœci i³ mia³ du¿¹ przyczepnoœæ do ubijaka. Grunt nierówno-miernie nawilgaca³ siê po dodawaniu wody podczas badania.

Trudno by³o doprowadziæ do ujednolicenia wilgotnoœci gruntu w ca³ej masie próbki. Ptaszkiewicz (2007) przy

ozna-czaniu tego parametru dla i³ów warwowych, rozciera³a grunt tak, ¿eby ulega³ szybkiemu i jednolitemu nawilgoceniu. Do-œwiadczenia te wskazuj¹ na problemy technologiczne, jakie mog¹ wyst¹piæ przy formowaniu warstw mineralnego uszczelnienia.

Wartoœci minimalnej porowatoœci i wskaŸnika porowa-toœci (fig. 52) malej¹ wraz ze wzrostem zawarporowa-toœci piasku w mieszance gruntowej, a¿ do osi¹gniêcia minimum dla mie-szanki o zawartoœci 80% piasku i wynosz¹ odpowiednio:

n = 22%; e = 0,29. Porowatoœæ i wskaŸnik porowatoœci i³u o nienaruszonej strukturze wynosz¹: n = 43% i e = 0,76.

Jak wynika z dotychczasowej analizy, dodatek piasku do i³u powoduje:

– lepsze zagêszczenie mieszanki gruntowej – tzn. osi¹g-niêcie wy¿szych wartoœci gêstoœci objêtoœciowej szkie-letu gruntowego;

– spadek wartoœci porowatoœci i wskaŸnika porowatoœci, co mo¿e poci¹gaæ za sob¹ zmniejszenie wartoœci poro-watoœci efektywnej, a tak¿e wspó³czynnika filtracji.

Sk³adniki, w porównaniu z sekwencj¹ mieszanek grunto-wych z nich sporz¹dzonymi, nie zagêszczaj¹ siê dobrze.

Wartoœci porowatoœci i wskaŸnika porowatoœci decyduj¹ poœrednio o wodoprzepuszczalnoœci, a upakowanie cz¹stek mineralnych gruntu (wartoœæ gêstoœci objêtoœciowej szkiele-tu gruntowego) ma wp³yw na wartoœci parametrów wytrzy-ma³oœciowych.

Fig. 49. Badane grunty na tle klasyfikacji plastycznoœci (wg IAEG Commission, 1981) Analysed soils in the classification diagram of plasticity (acc. to IAEG Commission, 1981)

Fig. 50. Zale¿noœæ wskaŸnika plastycznoœci od zawartoœci frakcji i³owej w badanych próbkach w odniesieniu do projekcji tych zale¿noœci dla niektórych gruntów spoistych wykonanej przez Wi³una (1987)

Plasticity index as a function of the content of clay fraction in analysed soil samples projected on the diagram of Wi³un (1987)

Fig. 51. Zmiennoœæ maksymalnej gêstoœci objêtoœciowej szkieletu gruntowego i gêstoœci w³aœciwej szkieletu

gruntowego od sk³adu mieszanki gruntowej Maximum dry density of solid particles and density of solid

particles as a function of the composition of soil mixtures

Fig. 52. Zale¿noœæ wartoœci porowatoœci i wskaŸnika porowatoœci od sk³adu mieszanki gruntowej

(przy maksymalnym zagêszczeniu)

Porosity and void ratio as a function of the composition of soil mixtures

W omawianym kryterium formowania, zagêszczany grunt o wilgotnoœci bliskiej wilgotnoœci optymalnej, nie-zale¿nie od metody zagêszczania, w laboratorium czy w te-renie, osi¹ga najwy¿sze parametry upakowania cz¹stek mine-ralnych. Porównanie wartoœci wilgotnoœci optymalnej posz-czególnych mieszanek gruntowych jest istotnym wskaŸni-kiem ró¿nicuj¹cym warunki ich zagêszczania. Im wiêcej piasku znajduje siê w mieszance gruntowej, tym mniejsza jest wartoœæ wilgotnoœci optymalnej, a jej wartoœæ jest ni¿sza od granicy plastycznoœci i w zwi¹zku z tym badane mieszan-ki gruntowe w warunkach zagêszczenia optymalnego znaj-duj¹ siê w stanie pó³zwartym.

Jak podaj¹ Barañski i in. (1994), Rowe i in. (1995), Ma-jer (2005) oraz MaMa-jer i in. (2007) zagêszczanie materia³u mi-neralnego na budowie nie powinno odbywaæ siê w warun-kach wilgotnoœci optymalnej. Zaleca siê uk³adanie warstw o wilgotnoœci wy¿szej lub ni¿szej od optymalnej o 2 do 4%

dla gruntów pylastych. Jest to spowodowane tym, ¿e wiêk-sza iloœæ wody w gruncie pozwala na dok³adniejsze dopaso-wanie ziarn i poziome u³o¿enie cz¹stek ilastych w warstwie, niezale¿nie od technologii stosowanej na placu budowy. Za-gêszczanie gruntu w takich warunkach pozwala na uzyska-nie minimalnej wartoœci wspó³czynnika filtracji wykonywa-nej warstwy. Drugim czynnikiem s¹ warunki atmosferyczne, w jakich prowadzi siê formowanie warstw mineralnego

usz-czelnienia. Prühs i Kowalov (1992) proponuj¹, aby wilgot-noœæ formowania warstw by³a wiêksza od wilgotnoœci opty-malnej, ale jednoczeœnie nie by³a wiêksza ni¿ ta, przy której wskaŸnik zagêszczenia gruntu by³by ni¿szy od 0,95.

Nafigurze 53przedstawiono po³o¿enie mieszanek grun-towych na nomogramie Van der Merwe (1964) zale¿noœci wskaŸnika plastycznoœci od zawartoœci frakcji i³owej. Mie-szanki gruntowe wykazuj¹ ni¿sz¹ potencjaln¹ ekspansyw-noœæ – z wysokiej i bardzo wysokiej dla i³ów przechodz¹ do œredniej (dla mieszanki najbogatszej w i³) i niskiej (dla pozo-sta³ych mieszanek gruntowych). W niewielkim stopniu uleg³a te¿ zmniejszeniu aktywnoœæ Skemptona mieszanek gruntowych – dla ka¿dej z nich jest ona nie wiêksza ni¿ 0,50.

Zauwa¿alny jest tak¿e spadek aktywnoœci wraz ze wzrostem zawartoœci piasku w mieszance. Mieszanki gruntowe pod wzglêdem aktywnoœci i potencjalnej ekspansywnoœci odpo-wiadaj¹ mioceñskim utworom pod- i nadwêglowym (fig. 53) (Grabowska-Olszewska, Kaczyñski, 1994a, b).

Skutecznoœæ mineralnych izolacji sk³adowisk odpadów w ogromnym stopniu zale¿y od zjawisk fizyczno-chemicz-nych na granicy cia³o sta³e–roztwór odciekowy. Zale¿y ona tak¿e od rodzaju i zawartoœci minera³ów ilastych w gruncie oraz chemizmu uk³adu grunt–faza ciek³a, natomiast inten-sywnoœæ oddzia³ywañ zale¿y od wielkoœci powierzchni, na której te zjawiska zachodz¹. Dodatkowo, w zale¿noœci od Fig. 53. Aktywnoœæ oraz potencjalna ekspansywnoœæ badanych gruntów na nomogramie Van der Merwe (1964)

zmodyfikowa-nym przez Grabowsk¹-Olszewsk¹ (Grabowska-Olszewska, Kaczyñski, 1994a) wraz z projekcj¹ i³ów mio-plioceñskich i utworów miocenu pod- i nadwêglowego (wg Grabowskiej-Olszewskiej, Kaczyñskiego, 1994b)

Activity and potential expansiveness of the analyzed soils projected in the nomogram of Van der Merwe (1964), modified by Grabowska-Olszewska (Grabowska-Olszewska, Kaczyñski, 1994a), together with the projections of Mio-Pliocene clays and formations of Miocene underlying and covering the lignite measures (acc. to Grabowska-Olszewska, Kaczyñski, 1994b)

œrodowiska chemicznego, mo¿e nastêpowaæ wytr¹canie i wspó³wytr¹canie zwi¹zków chemicznych z roztworu (He-lios-Rybicka, 1986; Appello, Postma, 1993; Kyzio³, 1994;

Ptaszkiewicz, 2007; Falkowska, 2009). Pojemnoœæ sorpcyj-na i powierzchnia w³aœciwa s¹ to cechy, które okreœlaj¹ po-œrednio mo¿liwoœæ zwi¹zania jonów z roztworu.

Zmiennoœæ wartoœci MBC i Stprzedstawiono wtabeli 26 i nafigurze 54. Wraz ze wzrostem zawartoœci piasku w mie-szance gruntowej malej¹ wartoœci tych parametrów.

Jak przedstawiono nafigurze 54, nie obserwuje siê ró¿-nic zale¿nych od sk³adu mieszanki gruntowej miêdzy œredni-mi wynikaœredni-mi poœredni-miarów powierzchni w³aœciwej i pojemno-œci sorpcyjnej wzglêdem b³êkitu metylenowego, bezpoœred-nimi i powtórzonymi po dwudziestu godzinach. Wiêksza ró¿nica miêdzy tymi pomiarami wystêpuje tylko w przypad-ku i³u – sk³adnika mieszanek gruntowych. Krzywe ³¹cz¹ce punkty wartoœci œrednich s¹ wspó³kszta³tne w ca³ym

zakre-sie zmiennoœci sk³adu mieszanek gruntowych. Wartoœci po-wierzchni w³aœciwej wszystkich mieszanek gruntowych s¹ wy¿sze ni¿ minera³ów ilastych niepêczniej¹cych, np. kaoli-nitu: 10–30 · 10³m²/kg (Wojciechowski, 1990).

Na figurze 55 przedstawiono wartoœci pojemnoœci wy-miany kationów dla poszczególnych mieszanek gruntowych, oszacowane wed³ug wzorów Piaskowskiego oraz Breeuw-sma i in. Przebieg zale¿noœci wartoœci CEC, obliczonych wed³ug wzoru Piaskowskiego (1984), od sk³adu mieszanki gruntowej jest proporcjonalny do przebiegu zale¿noœci po-jemnoœci sorpcyjnej wzglêdem b³êkitu metylenowego MBC i powierzchni w³aœciwej Stobliczonej z MBC, parametrów plastycznoœci i skurczu liniowego. Wartoœci CEC obliczone ze wzoru Breeuwsma i in. (1986) wykazuj¹ spadek wraz ze wzrostem zawartoœci piasku w mieszance gruntowej oraz widoczne ró¿nice w przebiegu ich zmiennoœci w stosunku do wartoœci obliczonych wg wzoru Piaskowskiego.

T a b e l a 2 6 Pojemnoœæ sorpcyjna i powierzchnia w³aœciwa mieszanek gruntowych

Sorptive capacity and specific area of the soil mixtures

Nazwa gruntu

Pojemnoœæ sorpcyjna MBC [kg b³êkitu met./100kg gruntu]

Powierzchnia w³aœciwa St

·10³[m²/kg gruntu]

PojemnoϾ wymiany kationowej CEC [mval/kg]

pomiar bezpoœredni

pomiar po 20 godzinach

pomiar bezpoœredni

pomiar po 20 godzinach

wg Piaskowskiego (1984)

wg Breeuwsma i in.

(1986)

I³ br¹zowy

10,42 11,75 218,19 246,05

10,44 12,56 218,61 263,01

10,71 11,88 224,27 258,77

10,52* 12,06 220,36 252,61 322,5 276,5

M20p

4,87 5,37 101,98 112,45

5,03 5,67 105,33 118,73

5,05 5,44 105,75 113,91

4,98 5,49 104,35 115,03 146,9 270,2

M40p

4,18 4,43 87,53 92,76

3,84 4,24 80,41 88,79

4,11 4,44 86,06 92,97

4,04 4,37 84,67 91,51 116,9 228,9

M60p

3,69 3,95 77,27 82,71

3,37 3,93 70,57 82,29

3,24 3,58 67,85 74,97

3,43 3,82 71,90 79,99 102,2 201,6

M80p

2,20 2,78 46,07 58,21

1,96 2,21 41,04 46,28

2,0—0 2,42 41,88 50,67

2,05 2,47 43,00 51,72 66,1 125,3

Piasek 0 0 0 0

* wartoœci œrednie pogrubiono/ average values in bold typeface

8.2. W£AŒCIWOŒCI SORPCYJNE WZGLÊDEM