WŁAŚCIWOŚCI MIKROSTRUKTURALNE ALUWIALNYCH GRUNTÓW ILASTYCH DŁUGOTRWALE ZANIECZYSZCZONYCH PALIWAMI ROPOPOCHODNYMI

(1)

W£AŒCIWOŒCI MIKROSTRUKTURALNE ALUWIALNYCH GRUNTÓW ILASTYCH D£UGOTRWALE ZANIECZYSZCZONYCH PALIWAMI ROPOPOCHODNYMI

MICROSTRUCTURAL PROPERTIES OF ALLUVIAL CLAYEY SOILS POLLUTED WITH PETROLEUM FUELS FOR A LONG PERIOD OF TIME

DOROTAIZDEBSKA-MUCHA¹, JERZYTRZCIÑSKI¹

Abstrakt. W artykule przedstawiono wyniki badañ mikrostruktury aluwialnych gruntów ilastych z terenu lotniska wojskowego w Królewie Malborskim, poddanych wieloletniemu zanieczyszczeniu in situ substancjami ropopochodnymi. Dokonano porównawczej analizy mikrostruk- tury gruntu czystego (NS) i zanieczyszczonego (SR). Badania przeprowadzono z zastosowaniem skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) oraz programu STIMAN do iloœciowej analizy zdjêæ z SEM. Grunt NS charakteryzuje siê ukierunkowan¹ mikrostruktur¹ turbulentn¹ (mikrostruktur¹ fluidaln¹), zagregowan¹ i ciasno upakowan¹ mas¹ ilast¹ oraz dominuj¹cymi kontaktami typu p³aszczyzna-p³aszczyzna (F-F) pomiêdzy cz¹stkami i mikroagregatami. Natomiast grunt SR charakteryzuje siê mikrostruktur¹ matrycow¹, wystêpowaniem stref o luŸnym upakowaniu i s³abszym zagregowaniu masy ilastej oraz dominacj¹ kontaktów typu p³aszczyzna-krawêdŸ (F-E). W gruncie zanieczyszczonym stwierdzono zmianê rozk³adu wielkoœci i geometrii porów wyra¿aj¹c¹ siê wzrostem: porowatoœci, liczby porów, ca³kowitej i œredniej powierzchni porów, ca³kowitego, œredniego i minimalnego obwodu porów, œredniej œrednicy porów, liczby mezoporów, porów izometrycznych i szczelinowatych oraz spadkiem zawartoœci mikroporów i porów anizometrycznych.

S³owa kluczowe: mikrostruktura, przestrzeñ porowa, ilaste grunty aluwialne, zanieczyszczenia ropopochodne.

Abstract. The paper presents the results of the research on alluvial clay soils from military airport in Królewie Malborskie, polluted with hydrocarbons for a long period of time. Comparative microstructure analysis of polluted samples (SR) and non polluted reference samples (NS) has been conducted. The research was carried out using Scanning Electron Microscope (SEM) and STIMAN software for a quantitative analysis based on SEM micrographs. NS soil is characterized by oriented, turbulent microstructure (fluidal microstructure) and aggregated, tightly packed clay mass. Face-to-face contacts (F-F) dominate between particles and microaggregates. SR soil is characterized by matrix microstructure less aggregated, with some zones of a loosely packed clay mass. Face-to-edge contacts (F-E) dominate between structural elements. It was found that the pore size distribution and pore geometry changed in SR soil. The increase of the following parameters was observed: porosity, pores number, total and average pores area, total, average and minimum pores perimeter, the average pores diameter, the number of mesopores, fissure and isometric pores; but the content of micropores and anisometric pores decreased.

Key words: microstructure, pore space, alluvial clay soils, petroleum pollution.

WSTÊP

Zanieczyszczenia substancjami ropopochodnymi powoduj¹ zmiany w³aœciwoœci fizycznych, mechanicznych i filtracyjnych gruntów niespoistych, jak i spoistych (Fernandez,

Quigley, 1985, 1988; Bowders, Daniel, 1987; Uppot, Ste- phenson, 1989; Izdebska-Mucha, 2005; Khamehchiyan i in., 2007; Korzeniowska-Rejmer, Izdebska-Mucha, 2006; Singh

1Uniwersytet Warszawski, Wydzia³ Geologii, Instytut Hydrogeologii i Geologii In¿ynierskiej, ul. ¯wirki i Wigury 93, 02-089 Warszawa;

dim@uw.edu. pl; jerzy.trzcinski@uw.edu. pl

(2)

i in., 2009). Jedn¹ z przyczyn tych zmian jest odmienna charakterystyka w³aœciwoœci fizyczno-chemicznych substancji ropopochodnych (zwi¹zków organicznych) w stosunku do wód gruntowych. W gruntach spoistych zmiany te maj¹ charakter bardziej z³o¿ony ani¿eli w gruntach niespoistych i wynikaj¹ miêdzy innymi z przebudowy mikrostruktury tych gruntów (Izdebska-Mucha, Trzciñski, 2007, 2008; Izdeb- ska-Mucha i in., 2011).

Na pojêcie mikrostruktura sk³adaj¹ siê trzy elementy (wg Mitchella, 1976 i Gillotta, 1987 za Grabowsk¹-Olszewsk¹, 1998):

struktura (mikrostruktura) = febrik + sk³ad gruntu + + si³y dzia³aj¹ce miêdzy cz¹stkami,

gdzie febrik wyra¿a rozmiary, kszta³t, uk³ad ziaren i cz¹stek oraz charakter i rozk³ad przestrzeni porowej. Nale¿y s¹dziæ,

¿e przekszta³cenia bêd¹ dotyczyæ wszystkich trzech elemen- tów, które wchodz¹ w sk³ad definicji mikrostruktury.

Stwierdzono jednoznacznie, ¿e niepolarne zwi¹zki or- ganiczne powoduj¹ zmianê si³ dzia³aj¹cych miêdzy cz¹stkami ilastymi. Kaya i Fang (2000, 2005) oraz Anandarajah (2003) na podstawie obliczeñ modelowych wykazali, ¿e w œrodowis- ku niepolarnych cieczy organicznych malej¹ si³y wzajemne- go oddzia³ywania pomiêdzy cz¹stkami ilastymi. W wiêk- szym stopniu malej¹ si³y odpychania, w wyniku czego cz¹stki i³owe ulegaj¹ flokulacji. Izdebska-Mucha i in. (2011) potwier- dzili te wyniki w bezpoœrednich pomiarach si³ pomiêdzy cz¹s- tkami ilastymi o wielkoœci poni¿ej 1 µm w mikroskopie si³ atomowych (AFM). Autorzy stwierdzili, ¿e pomiêdzy cz¹stkami wyseparowanymi z gliny lodowcowej zanieczyszczonej olejem napêdowym si³y elektrostatycznego odpychania by³y mniejsze, a si³y adhezji wiêksze ni¿ pomiêdzy cz¹stkami ilastymi pochodz¹cymi z gliny czystej.

Na podstawie badañ modelowych na pastach oraz na gruntach naturalnych zanieczyszczonych in situ stwierdzo- no, ¿e w wyniku zanieczyszczenia gruntu spoistego substancjami ropopochodnymi nastêpuje zmiana rozk³adu uziarnienia (Moavenian, Yasrobi, 2008; Izdebska-Mucha, Korze-

niowska-Rejmer, 2010). Zaobserwowano spadek zawartoœci frakcji i³owej, a wzrost zawartoœci frakcji grubszych, tj. py-

³owej i/lub piaskowej. Zmiany uk³adu si³ i uziarnienia gruntu zwi¹zane s¹ ze zmianami jego mikrostruktury, niewiele jed- nak prac poœwiêconych jest tej problematyce. Berger i in.

(2002) badali z zastosowaniem tomografii komputerowej wp³yw zanieczyszczeñ organicznych na makro- i mikro- strukturê uszczelnieñ mineralnych. Autorzy zaobserwowali wystêpowanie licznych spêkañ w uszczelnieniach o wyso- kiej zawartoœci frakcji i³owej. Caravaca i Roldan (2003) przeprowadzili iloœciow¹ analizê kszta³tu i wielkoœci porów w glebie zanieczyszczonej odpadami naftowymi oraz spêkañ skurczowych w próbkach gleby po wysuszeniu. Stwierdzili,

¿e w glebie zanieczyszczonej wzros³a zawartoœæ porów o œrednicy >400 µm oraz porowatoœæ ca³kowita. W zakresie porów o rozmiarach 50–500 µm wzros³a zawartoœæ porów wyd³u¿onych, a dla porów o œrednicy >500 µm zwiêkszy³a siê iloœæ porów zaokr¹glonych. W glebie zanieczyszczonej, po wysuszeniu stwierdzono obecnoœæ drobniejszych spêkañ, a w próbkach czystych ich brak. Izdebska-Mucha i Trzciñski (2007, 2008) oraz Izdebska-Mucha i in. (2011) przedstawili analizê iloœciow¹ i jakoœciow¹ zmiany mikrostruktury gliny lodowcowej zanieczyszczonej in situ olejem napêdowym.

Na podstawie zdjêæ wykonanych w skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM) oraz iloœciowej analizy obrazu tych zdjêæ przedstawili charakterystykê parametrów morfometrycznych i geometrycznych mikrostruktury gruntu czystego i zanieczyszczonego. Stwierdzili m.in. zmiany roz- k³adu porowatoœci i kszta³tu porów, reorientacjê elementów strukturalnych oraz spadek anizotropii struktury.

Zagadnienia wp³ywu zanieczyszczeñ ropopochodnych na mikrostrukturê gruntu s¹ wci¹¿ w niewielkim stopniu rozpo- znane. Wymagaj¹ one dalszych badañ z uwzglêdnieniem ró¿nych typów granulometrycznych gruntów, czasu ich zanieczyszczenia oraz rodzaju tego zanieczyszczenia. Niniej- sza praca stanowi kolejny krok w badaniach nad tymi zagad- nieniami i dotyczy gruntu bardzo spoistego, poddanego zanieczyszczeniu w d³ugim, kilkudziesiêcioletnim okresie.

CHARAKTERYSTYKA BADANEGO GRUNTU

Analizowany grunt pochodzi z terenu lotniska wojskowego w Królewie Malborskim (6 km na wschód od Malbor- ka). Lotnisko istnieje od lat 30. ubieg³ego wieku, a w jego obrêbie znajduje siê infrastruktura zwi¹zana z magazynowa- niem, przesy³em i dystrybucj¹ paliwa lotniczego i samocho- dowego. W s¹siedztwie wymienionych obiektów wystêpo- wa³o wieloletnie zanieczyszczenie pod³o¿a gruntowego u¿yt- kowanymi paliwami. Tereny ska¿one s¹ stopniowo podda- wane oczyszczaniu i rekultywacji. Grunt do badañ pobrano z g³êbokoœci 1,5–2,0 m z terenu zanieczyszczonego (przed likwidacj¹ ska¿enia) – próbki oznaczone symbolem SR, oraz

z s¹siaduj¹cego obszaru nie objêtego ska¿eniem – próbki oznaczone symbolem NS (fig. 1, 2). Wed³ug Szczegó³owej mapy geologicznej Polski w skali 1:50 000, arkusz Malbork (Rabek, M³yñczak, 2007) analizowany grunt to holoceñskie ilaste osady dolin rzecznych. Sk³ad mineralny, stopieñ zanieczyszczenia oraz wartoœci podstawowych parametrów geologiczno-in¿ynierskich gruntu czystego i zanieczyszczonego przedstawiono wtabeli 1. Metodykê badañ i obliczeñ przyjêto zgodnie z norm¹ PN-88/B-04481 lub jeœli inaczej – zamieszczono w objaœnieniach pod tabel¹.

470 Dorota Izdebska-Mucha, Jerzy Trzciñski

(3)

Fig. 1. Fragment mapy sytuacyjnej bazy paliwowej lotniska wojskowego w Królewie Malborskim; lokalizacja miejsc pobra- nia próbek gruntu niezanieczyszczonego (NS) i zanieczyszczo- nego substancjami ropopochodnymi (SR)

A map fragment of a military airport in Królewo Malborskie; lo- cation of sampling sites: NS – unpolluted soil, SR – soil polluted with petroleum substances

Fig. 2. Profil litologiczny osadów w miejscu pobrania próbek

The lithological profile of the subsoil at the sampling site

T a b e l a 1 Sk³ad mineralny, stopieñ zanieczyszczenia oraz podstawowe parametry geologiczno-in¿ynierskie

gruntu niezanieczyszczonego (NS) i zanieczyszczonego (SR)

Mineralogical composition, pollutant content and basic geological engineering properties of unpolluted (NS) and polluted soil (SR)

Parametry Grunt niezanieczyszczony NS Grunt zanieczyszczony SR

Zanieczyszczenie¹

[mg/kg suchej masy] nie zawiera zanieczyszczeñ P1) benzyny C6–C12: 705; oleje >C12: 226;å 931 P2) benzyny C6–C12: 223; oleje >C12: 50;å 273 Sk³ad granulometryczny²

i nazwa gruntu fp2%; f_p47%; fi51% i³ fp2%; f_p67%; fi31% i³ pylasty Sk³ad mineralny³ beidelit 38%, kaolinit 12%,

kwarc i in. 48%, subst. org. 2% –

Wilgotnoœæ naturalna [%] 44 29

Gêstoœæ objêtoœciowa gruntu⁴

[Mg/m³] 1,73 1,83

Gêstoœæ w³aœciwa szkieletu gruntowego⁵

[Mg/m³] 2,65 2,65

Granica plastycznoœci [%] 40 33

Granica p³ynnoœci⁶[%] 79 64

WskaŸnik plastycznoœci [%] 39 31

Stopieñ plastycznoœci [–] 0,10 –0,13

P1, P2 – numery próbek / sample number

1analiza chromatograficzna / chromatographic analysis

2analiza mikroagregatowa (metodyka wg Myœliñskiej, 2010) / microaggregate analysis

3metoda DTA (obliczenia iloœciowe wg Wyrwickiego, 1988, 1996) / DTA method, quantitative analysis according to Wyrwicki (1988, 1996)

4metoda wyporu hydrostatycznego w ciek³ej parafinie / liquid paraffin displacement method

5metoda piknometru gazowego, aparat Accu Pyc 1330 (Micromeritics, USA) / gas pycnometer method, apparatus Accu Pyc 1330 (Micromeritics, USA)

6metoda penetrometru sto¿kowego wg BS1377: Part 2: 1990: 4.3 / cone penetrometer method according to BS1377: Part 2: 1990: 4.3

(4)

METODYKA BADAÑ

Badania mikrostrukturalne wykonano dla próbek gruntu niezanieczyszczonego – NS i zanieczyszczonego substancjami ropopochodnymi – SR. Metodykê iloœciowej analizy mikrostrukturalnej z zastosowaniem skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) szczegó³owo przedstawiono w pracach Trzciñskiego (1998, 2004). Z monolitów wyciêto niewielkie próbki w formie prostopad³oœciennych kostek o objêtoœci od 0,7 do 1,0 cm³. Kostki poddano specjalnej procedurze nisko- temperaturowego suszenia przez sublimacjê w pró¿ni. Z wy- suszonych próbek przygotowano preparaty i poddano je jako- œciowej i iloœciowej analizie mikrostrukturalnej.

W analizie jakoœciowej scharakteryzowano elementy strukturalne szkieletu mineralnego, a w iloœciowej wykona-

no pomiary w zakresie morfometrycznych i geometrycznych parametrów przestrzeni porowej. Zastosowano klasyfikacjê porów ze wzglêdu na ich wielkoœæ oraz kszta³t wg Grabow- skiej-Olszewskiej i in. (1984). Analizê jakoœciow¹ wykonano na podstawie dokumentacji fotograficznej przy powiêk- szeniach od 50x do 6500x, na szeœciu obszarach dla ka¿dej z próbek. Do badañ zastosowano mikroskop SEM, model Jeol JSM 6380LA. Analizê iloœciow¹ przeprowadzono z zastosowaniem specjalistycznego oprogramowania STIMAN do analizy obrazów mikroskopowych (Sokolov i in., 2002).

Badania wykonano w Laboratorium Skaningowej Mi- kroskopii Elektronowej i Mikroanalizy Wydzia³u Geologii Uniwersytetu Warszawskiego.

PORÓWNAWCZA ANALIZA MIKROSTRUKTURALNA BADANYCH GRUNTÓW

CHARAKTERYSTYKA JAKOŒCIOWA

Grunt niezanieczyszczony NS (fig. 3, A1) charakteryzuje siê mikrostruktur¹ turbulentn¹ (wg klasyfikacji Sergeyeva i in., 1978, 1980; Grabowskiej-Olszewskiej i in., 1984), o wy- raŸnie ukierunkowanym charakterze (mikrostruktura fluidalna wg nomenklatury Ruszczyñskiej-Szenajch i Trzciñskiego, 2009). Masa ilasta tworzy ukierunkowane „strumienie”

o orientacji poziomej i prawie poziomej (prawa górna czêœæ fotografii) oraz skoœnej (od lewej górnej do prawej dolnej czê- œci fotografii). Strumienie oddzielone s¹ i podkreœlone wyraŸ- nymi szczelinami (grube strza³ki) o przebiegu zbli¿onym do orientacji strumieni. Wyró¿niaj¹ siê du¿e (100–200 ìm), anizometryczne pory (cienkie strza³ki), zorientowane d³u¿sz¹ osi¹ zgodnie z przebiegiem „strumieni”. Masa ilasta jest ciasno upakowana i wyraŸnie zorientowana (B1). Dobrze widoczne s¹ szczeliny (grube strza³ki) o orientacji podobnej jak szczeliny na fotografii A1 oraz anizometryczne agregaty (obwie- dzione przerywan¹ lini¹) o œrednicy od 100 do 150 ìm, rów- nie¿ o podobnej orientacji d³u¿szej osi jak szczeliny na fotografii A1. Fotografia C1 ilustruje zagregowan¹ masê ilast¹ o skoœnej orientacji, takiej jak orientacja szczelin na fotografii A1 i B1 oraz wyraŸne, anizometryczne agregaty (czêœæ agregatu z fotografii B1obwiedziono przerywan¹ lini¹) i mikroagregaty o œrednicy do 20 ìm. Fotografia D1 przedstawia ciasno upakowane mikroagregaty ilaste o orientacji cz¹stek wg kontaktów typu p³aszczyzna-p³aszczyzna (F-F) – cienkie strza³ki. Pomiêdzy mikroagregatami dominuj¹ du¿e, szczelinowate mikropory o œrednicy d³u¿szej osi do 10 ìm (lewa górna gruba strza³ka) oraz mniejsze, o œrednicy oko³o 1 ìm, izometryczne mikropory (pozosta³e grube strza³ki).

Grunt zanieczyszczony SR (fig. 3, A2) charakteryzuje siê mikrostruktur¹ matrycow¹ (wg klasyfikacji Sergeyeva i in., 1978, 1980; Grabowskiej-Olszewskiej i in., 1984).

Masa ilasta (matryca) roz³o¿ona jest równomiernie i bez-

³adnie, bez wyraŸnej orientacji elementów strukturalnych.

S³abo zaznaczaj¹ siê skoœne powierzchnie nieci¹g³oœci o przebiegu od lewej górnej do prawej dolnej czêœci fotografii (kropkowane linie), podobnie jak szczeliny w próbce gruntu niezanieczyszczonego na fotografii A1. Widoczne s¹ nie- liczne anizometryczne pory o œrednicy mniejszej od 100 ìm (grube strza³ki) oraz pory szczelinowate (cienkie strza³ki).

Masa ilasta jest ciasno upakowana, lecz s³abo zorientowana (B2). W niektórych miejscach widoczne jest luŸniejsze upakowanie matrycy ilastej. S³abo zaznaczone s¹ krótkie szczeliny o poziomym lub prawie poziomym przebiegu (grube strza³ki). Wystêpuj¹ pojedyncze izometryczne agregaty o œrednicy do 50 ìm (obwiedziony przerywan¹ lini¹).

Masa ilasta jest s³abiej zagregowana (C2) ani¿eli w próbce gruntu niezanieczyszczonego (C1) i niezorientowana. Nie- licznie wystêpuj¹ mikroagregaty ilaste o œrednicy do 10 ìm i o orientacji cz¹stek ilastych wg kontaktów typu p³aszczyzna-p³aszczyzna (F-F) – grube strza³ki. W niektórych mikro- agregatach ilastych cz¹stki s¹ zorientowane wg kontaktów typu p³aszczyzna-krawêdŸ (F-E) i krawêdŸ-krawêdŸ (E-E) – cienkie strza³ki. Na fotografii D2 widoczne s¹ luŸno upakowane mikroagregaty ilaste, pomiêdzy którymi wystêpuj¹ mikropory o zró¿nicowanej wielkoœci o œrednicy od 1 do 5 ìm œrednicy (grube strza³ki). Cz¹stki i mikroagregaty ilaste kontaktuj¹ siê g³ównie wg typu p³aszczyzna-krawêdŸ (F-E) – cienkie strza³ki.

CHARAKTERYSTYKA PARAMETRÓW ILOŒCIOWYCH Stwierdzono wyraŸne ró¿nice w wartoœciach parametrów morfometrycznych i geometrycznych pomiêdzy gruntem nie- zanieczyszczonym (NS) i zanieczyszczonym (SR) substancjami ropopochodnymi (tab. 2). Wartoœæ œrednia porowato- œci wzros³a od 22,4% dla gruntu NS do 25,3% dla gruntu SR.

Podobna tendencja widoczna jest dla wartoœci liczby porów.

Wzros³a równie¿ wartoœæ ca³kowitej i œredniej powierzchni

(5)

Fig. 3. Mikrostruktura gruntu niezanieczyszczonego (NS) i zanieczyszczonego (SR) substancjami ropopochodnymi A1, B1, C1 i D1 – grunt NS; A2, B2, C2 i D2 – grunt SR. Powiêkszenie fotografii: A1, A2 – 50x, B1, B2 – 400x, C1, C2 – 1600x, D1, D2 – 6500x.

Prostok¹tna obwiednia (kropkowana linia) – obszar powiêkszony na nastêpnej fotografii. Szczegó³owy opis mikrostruktur w tekœcie Microstructure of unpolluted soil (NS) and soil polluted with petroleum substances (SR)

A1, B1, C1, D1 – NS soil, A2, B2, C2, D2 – SR soil. Magnification of the photographs: A1, A2 – 50x, B1, B2 – 400x, C1, C2 – 1600x, D1, D2 – 6500x.

Rectangular border (dotted line) – area magnified in the next pshotograph. Detailed description of the microstructures in the text

(6)

Tabela2 Iloœcioweparametrymikrostrukturalnegruntuniezanieczyszczonego(NS)izanieczyszczonego(SR)zwi¹zkamiropopochodnymi Quantitativemicrostructuralparametersofunpollutedsoil(NS)andsoilpollutedwithpetroleumsubstances(SR) Parametrymikrostruktury

GruntniezanieczyszczonyNS1 GruntzanieczyszczonySR1 minmaxœredniaodch.stand.wspó³cz. zmiennoœci [%]minmaxœredniaodch.stand.wspó³cz. zmiennoœci [%] Porowatoœæn[%]21,722,722,40,37223,727,425,31,385 LiczbaporówN×1031211681341807513822021373905129 Ca³kowitapowierzchniaporówSt×103[mm2]499527518100172546635584331906 MaksymalnapowierzchniaporówSmax[mm2 ]68191213297182363246380105287882145218 MinimalnapowierzchniaporówSmin[mm2 ]0,070,070,07000,070,070,0700 ŒredniapowierzchniaporówSav[mm2 ]3,124,343,900,45112,946,674,541,2227 Ca³kowityobwódporówPt×103[mm]89710879736556778281301106315192614 MaksymalnyobwódporówPmax[mm]2303353027465141919493538255259423 MinimalnyobwódporówPmin[mm]1,231,581,420,16111,321,581,480,086 ŒredniobwódporówPav[mm]6,468,157,310,6996,4510,108,041,2215 MaksymalnaœrednicaporówDmax[mm]9312411014139011610099 MinimalnaœrednicaporówDmin[mm]0,280,310,300,0130,300,300,3000 ŒredniaœrednicaporówDav[mm]0,901,100,980,0880,891,301,060,1413 Mikropory[%]3240353929373339 Mezopory[%]6068653563716735 Maksymalnywspó³czynnikformyporówKfmax[–]0,920,990,950,0330,910,990,940,033 Minimalnywspó³czynnikformyporówKfmin[–]00,080,020,03718300,040,00670,016245 Œredniwspó³czynnikformyporówKfav[–]0,390,470,430,0380,390,440,430,024 Poryizometryczne[%]8,619,013,04,83710,817,613,72,720 Poryanizometryczne[%]81,091,486,54,7582,188,985,42,43 Poryszczelinowate[%]01,40,50,571150,21,90,90,8087 WskaŸnikanizotropiimikrostrukturyKa[%]123324935113625832 1liczbaanaliz/numberofanalysis–6

(7)

oraz ca³kowitego, œredniego i minimalnego obwodu porów, jak równie¿ œredniej œrednicy porów w stosunku do gruntu NS. Zasz³y równie¿ istotne zmiany w rozk³adzie wielkoœci porów. Zmniejszy³a siê zawartoœæ mikroporów, a wzros³a mezoporów w gruncie SR. Analiza kszta³tu porów i ich orientacji wykaza³a równie¿ zmiany, ale s¹ one mniej wyraŸne.

Zwiêkszy³a siê nieznacznie zawartoœæ porów izometrycznych i szczelinowatych, a zmniejszy³a porów anizometrycznych w gruncie SR. Wartoœæ œredniego wspó³czynnika formy po- rów nie uleg³a zmianie, a wskaŸnik anizotropii mikrostruktury nieznacznie wzrós³ w gruncie SR.

PODSUMOWANIE

Substancje ropopochodne ze wzglêdu na odmienn¹ cha- rakterystykê w³aœciwoœci fizyczno-chemicznych w stosunku do wody powoduj¹ zmiany parametrów fizycznych, mechanicznych i filtracyjnych gruntów. Zmiany te wynikaj¹ g³ów- nie z przebudowy mikrostruktury gruntów. Badane grunty to holoceñskie ilaste osady dolin rzecznych, pochodz¹ce z terenu lotniska wojskowego w Królewie Malborskim, które pod- lega³y wieloletniemu zanieczyszczeniu paliwami ropopochodnymi. Okreœlono sk³ad mineralny, stopieñ zanieczyszczenia oraz wartoœci podstawowych parametrów geologiczno-in¿y- nierskich gruntu czystego (NS) i zanieczyszczonego substancjami ropopochodnymi (SR). Próbki obu rodzajów gruntu poddano tak¿e jakoœciowej i iloœciowej analizie mikrostrukturalnej. Analizê jakoœciow¹ przeprowadzono na podstawie dokumentacji fotograficznej wykonanej z zastosowaniem skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Na- tomiast analizê iloœciow¹ przeprowadzono przy u¿yciu specjalistycznego oprogramowania STIMAN do analizy obra- zów mikroskopowych.

Grunt NS charakteryzuje siê mikrostruktur¹ turbulentn¹ o ukierunkowanym charakterze (mikrostruktura fluidalna), z wyraŸnymi szczelinami o przebiegu zbli¿onym do orientacji

„strumieni” materia³u ilastego. Masa ilasta jest zagregowana i ciasno upakowana. Cz¹stki i mikroagregaty ilaste zorientowane s¹ wg kontaktów typu p³aszczyzna-p³aszczyzna (F-F).

Grunt SR charakteryzuje siê mikrostruktur¹ matrycow¹ bez wyraŸnej orientacji elementów strukturalnych. Masa ilasta jest ciasno upakowana. W niektórych miejscach widoczne jest luŸniejsze jej upakowanie i s³absze zagregowanie.

Mikroagregaty ilaste kontaktuj¹ siê g³ównie wg typu p³aszczyzna-krawêdŸ (F-E).

Wzros³a porowatoœæ, liczba porów, ca³kowita i œrednia powierzchnia oraz ca³kowity, œredni i minimalny obwód po- rów, jak równie¿ œrednia œrednica porów w gruncie SR w stosunku do gruntu NS. Zmniejszy³a siê zawartoœæ mikroporów i porów anizometrycznych, a wzros³a mezoporów, porów izometrycznych i szczelinowatych w gruncie zanieczyszczonym (SR).

LITERATURA

ANANDARAJAH A., 2003 — Mechanism controlling permeabili- ty change in clays due to changes in pore fluids. J. Geotech.

Geoenviron. Engineer., 129, 2: 163–172.

BERGER W., KALBE U., GOEBBELS J., 2002 — Fabric studies on contaminated mineral layers in composite liners. Appl. Clay Sci., 21: 89–98.

BOWDERS J.J., DANIEL D.E., 1987 — Hydraulic conductivity of compacted clay to dilute organic chemicals. J. Geotech. Engi- neer., ASCE, 113: 1432–1448.

BS1377: Part 2: 1990: 4.3 Methods of testing soils for civil engineering purposes. British Standards Institution, London.

CARAVACA F., ROLDAN A., 2003 — Assessing changes in physical and biological properties in a soil contaminated by oil sludges under semiarid Mediterranean conditions. Geoderma, 117: 53–61.

FERNANDEZ F., QUIGLEY R. M., 1985 — Hydraulic conductivity of natural clays permeated with simple liquid hydrocarbons.

Canad. Geotech. J., 22: 205–214.

FERNANDEZ F., QUIGLEY R.M., 1988 — Viscosity and dielec- tric constant controls on the hydraulic conductivity of clayey so- ils permeated with water-soluble organics. Canad. Geotech. J., 25: 582–589.

GRABOWSKA-OLSZEWSKA B., 1998 — Osiadanie zapadowe.

W: Geologia stosowana. W³aœciwoœci gruntów nienasyconych (red. B. Grabowska-Olszewska): 71–83. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa.

GRABOWSKA-OLSZEWSKA B., OSIPOV V.I., SOKOLOV V.N., 1984 — Atlas of the microstructure of clay soils. Pañstw. Wyd.

Nauk., Warszawa.

IZDEBSKA-MUCHA D., 2005 — Wp³yw zanieczyszczeñ ropopo- chodnych na wybrane geologiczno-in¿ynierskie w³aœciwoœci gruntów spoistych. Prz. Geol., 53, 9: 766–769.

IZDEBSKA-MUCHA D., KORZENIOWSKA-REJMER E., 2010

— Selected characteristics of clay soils polluted by petroleum substances in the context of their barrier properties. W: Proc. of the 6th Intern. Congress on Environmental Geotechnics (red.

R.K. Manoj Datta, G.V. Srivastava, Ramana J.T. Shahu):

705–710. Tata McGraw Hill Education Private Limited, New Delhi, India.

IZDEBSKA-MUCHA D., TRZCIÑSKI J., 2007 — Zmiany mikrostrukturalne gliny lodowcowej spowodowane zanieczyszcze- niem olejem napêdowym. Geologos, 11: 463–471.

IZDEBSKA-MUCHA D., TRZCIÑSKI J., 2008 — Effects of petro- leum pollution on clay soil microstructure. Geologija, 50: 68–74.

(8)

IZDEBSKA-MUCHA D., TRZCIÑSKI J., ¯BIK M.S.,FROST R.L., 2011 — Influence of hydrocarbon contamination on clay soil microstructure. Clay Minerals, 46, 1: 47–58.

KAYA A., FANG H.-Y., 2000 — The effects of organic fluids on physicochemical parameters of fine-grained soils. Canad. Geo- tech. J., 37: 943–950.

KAYA A., FANG H-Y., 2005 — Experimental evidence of reduction in attractive and repulsive forces between clay particles perme- ated with organic liquids. Canad. Geotech. J., 42: 632–640.

KHAMEHCHIYAN M., CHARKHABI A.H., TAJIK M., 2007 — Effects of crude oil contamination on geotechnical properties of clayey and sandy soils. Engineer. Geol., 89: 220–229.

KORZENIOWSKA-REJMER E., IZDEBSKA-MUCHA D., 2006

— Ocena wp³ywu zanieczyszczeñ ropopochodnych na uziar- nienie i plastycznoœæ gruntów spoistych. In¿. i Ochr. Œrod., PAN, 9, 1: 89–103.

MOAVENIAN M.H., YASROBI S.S., 2008 — Volume change be- haviour of compacted clay due to organic liquids as permeant.

Appl. Clay Sci., 39: 60–71.

MYŒLIÑSKA E., 2010 — Laboratoryjne badania gruntów i gleb.

Wyd. UW, Warszawa.

PN-88/B-04481 Grunty budowlane. Badania próbek gruntu.

RABEK W., M£YÑCZAK A., 2007 — Szczegó³owa mapa geolo- giczna Polski w skali 1:50 000, ark. Malbork. Pañstw. Inst.

Geol., Warszawa.

RUSZCZYNSKA-SZENAJCH H., TRZCIÑSKI J., 2009 — Soft lo- dgement till deposition and syndepositional deformation, Anieli- nek, the Polish Lowlands. Canad. J. Earth Sci., 46: 67–82.

SERGEYEV Y.M., GRABOWSKA-OLSZEWSKA B., OSI- POV V.I., SOKOLOV V.N., 1978 — Types of the microstructures of clayey soils. Proc. of the III Intern. Congress IAEG: 319–327.

SERGEYEV Y.M., GRABOWSKA-OLSZEWSKA B., OSI- POV V.I., SOKOLOV V.N., KOLOMENSKI Y.N., 1980 — The classification of microstructures of clay soil. Journal of Microscopy, 120: 237–260.

SINGH S.K., SRIVASTAVA R.K., JOHN S., 2009 — Studies on soil contamination due to used motor oil and its remediation.

Canad. Geotech. J., 46: 1077–1083.

SOKOLOV V.N., YURKOVETS D.I., RAZGULINA O. ., 2002 — Stiman (Structural Image Analysis): a software for quantitative morphological analysis of structures by their images (User’s manual. Version 2.0). Laboratory of Electron Microscopy, Mos- cow State University, Moscow.

TRZCIÑSKI J., 1998 — Iloœciowa analiza mikrostrukturalna w skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM) gruntów podda- nych oddzia³ywaniu wody. W: Geologia stosowana. W³aœciwoœci gruntów nienasyconych (red. B. Grabowska-Olszewska):

113–150. Wyd. Nauk. PWN, Warszawa.

TRZCIÑSKI J., 2004 — Combined SEM and computerized image analysis of clay soils microstructure: technique & application.

W: Advances in geotechnical engineering: The Skempton con- ference (red. R.J. Jardine, D.M. Potts, K.G. Higgins): 654–666.

Thomas Telford, London.

UPPOT J.O., STEPHENSON R.W., 1989 — Permeability of clays under organic permeants. J. Geotech. Engineer., ASCE, 115:

115–131.

WYRWICKI R., 1988 — Analiza derywatograficzna ska³ ilastych.

Wyd. UW, Warszawa.

WYRWICKI R., 1996 — Analiza derywatograficzna. W: Metody- ka badañ kopalin ilastych (red. H. Koœciówko, R. Wyrwicki).

Pañstw. Inst. Geol., Warszawa–Wroc³aw.

SUMMARY

Petroleum pollution, due to the difference in physico- -chemical characteristic between water and hydrocarbons, causes several changes in physical, mechanical and filtration properties of soils. The main reason of these changes is a soil microstructure transformation. The term microstructure re- fers to: 1) fabric – particle size and shape, arrangement of particles, particle groups and pore space, 2) the soil composition, and 3) interparticle forces. The soil microstructure transformation will affect to all three elements. Non-polar organics cause changes in particle interactions and particle size distribution, which in turn lead to the rearrangement of the soil microfabric.

The analyzed soils represent clayey alluvial sediments (Holocene). They were collected from a military airport area in Królewie Malborskie (Fig. 1andFig. 2). The soils have been polluted with petroleum fuels for a long period of time (a few dozens of years). Mineralogical composition, hydrocarbon content and basic geological engineering parameters were determined for polluted samples – SR and non polluted reference samples – NS (Table 1). The qualitative microstructural analysis of non polluted and polluted samples was

based on micrographs (Fig. 3) obtained from Scanning Elec- tron Microscope (SEM). The quantitative analysis based on SEM micrographs was conducted using STIMAN software.

The NS soil has an oriented, turbulent microstructure (fluidal microstructure), that contains distinct fissures elongated in accordance to the clay matrix orientation (Fig. 3: A1, B1, C1, D1). The clay matrix is well aggregated and densely packed.

The contacts between particles and microaggregates are of face-to-face type (F-F). The SR soil has a matrix microstructure with no distinct orientation of structural elements (Fig. 3:

A2, B2, C2, D2). The clay matrix is also densely packed, but there are some areas where the matrix is loosely packed and less aggregated. The contacts between particles and microaggregates are of face-to-edge type (F-E). In the SR soil the increase of: porosity, number of pores, total and average pore area, total, average and minimum pore perimeter, average pore diameter was observed. The number of micropores and anisometric pores decreased, while the number of mesopores, isometric and fissure pores increased in the SR soil in compa- rison with the NS soil (Table 2).