Acta Sci. Pol. Architectura 14 (3) 2015, 57–66
www.acta.media.pl
CHARAKTERYSTYKA WàAĝCIWOĝCI
MECHANICZNYCH WYBRANYCH MATERIAàÓW REAKTYWNYCH
Katarzyna Pawluk
Szkoáa Gáówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki badaĔ wáaĞciwoĞci ¿ zycznych i mecha- nicznych materiaáów reaktywnych. Materiaáy reaktywne powszechnie wykorzystywane są do budowy strefy oczyszczania przepuszczalnych barier reaktywnych, sáuĪących do oczyszczania Ğrodowiska gruntowo-wodnego z zanieczyszczeĔ. Dotychczasowe kryte- rium doboru materiaáów reaktywnych do budowy barier obejmowaáo jedynie wáaĞciwo- Ğci zatrzymania zanieczyszczeĔ oraz badania ¿ ltracyjne. Z uwagi na aspekt inĪynierski projektowanych konstrukcji w Ğrodowisku gruntowo-wodnym i ich dáugi czas pracy proponuje siĊ uwzglĊdniü równieĪ wáaĞciwoĞci ¿ zyczne i mechaniczne tych materiaáów.
W pracy przedstawiono wyniki badaĔ wáaĞciwoĞci wytrzymaáoĞciowych i odksztaácenio- wych wybranych materiaáów reaktywnych, które mogą zostaü wykorzystane przy doborze technologii wykonania oraz sprawdzenia stanów granicznych noĞnoĞci podczas etapu pro- jektowania PBR.
Sáowa kluczowe: przepuszczalne bariery reaktywne, zeolit, ZVI, wytrzymaáoĞü na Ğcinanie, ĞciĞliwoĞü
WSTĉP
Technologia przepuszczalnych barier reaktywnych (PBR) traktowana jest jako jed- na z podstawowych metod zabezpieczania i oczyszczania Ğrodowiska gruntowo-wod- nego. MetodĊ zaczĊto stosowaü na początku lat dziewiĊüdziesiątych ubiegáego wieku w Kanadzie i Stanach Zjednoczonych jako metodĊ innowacyjną i alternatywną w sto- sunku do energocháonnej metody „pompuj i oczyszczaj” (pump and treat). Od tamtego momentu na caáym Ğwiecie zastosowano ponad tysiąc systemów PBR i w dalszym cią- gu trwa intensywny rozwój tej technologii, polegający na wykorzystaniu innowacyjnych
Adres do korespondencji – Corresponding author: Katarzyna Pawluk, Szkoáa Gáówna
Gospodarstwa Wiejskiego, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska, Katedra GeoinĪynierii, ul. Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa, e-mail: katarzyna_pawluk@sggw.pl
© Copyright by Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2015
materiaáów reaktywnych, konstrukcji oraz technologii wykonania [Powell i in. 1998, Ga- vaskar 1999, Roehl i in. 2001, Naftz i in. 2002, Suponik 2004, Burt i in. 2005, Fronczyk 2006, Navarro i in. 2006, Thiruvenkatachari i in. 2008, Phillips 2009, Fronczyk i in. 2010, ITRC 2011, Malina 2011, Suponik 2011].
Technologia PBR to róĪnego rodzaju konstrukcje inĪynierskie, stanowiące strefĊ grun- tu wypeánioną materiaáem reaktywnym, w której podczas przepáywu zanieczyszczeĔ wraz z wodami gruntowymi dochodzi do ich zatrzymania lub oczyszczenia podczas kontaktu z materiaáem reaktywnym na drodze róĪnego rodzaju procesów ¿ zycznych, chemicznych i biologicznych [Rumar i Mitchell 1995, Powell i in. 1998]. Technologia ta w porównaniu z innymi metodami oczyszczania Ğrodowiska gruntowo-wodnego charakteryzuje siĊ wie- loma zaletami, do których przede wszystkim naleĪy zaliczyü moĪliwoĞü unieruchomienia zanieczyszczeĔ lub ich rozkáad w warunkach in situ, bez koniecznoĞci odpompowania wód na powierzchniĊ terenu, jak to ma miejsce w przypadku metody „pompuj i oczysz- czaj”. Niewątpliwą zaletą tej metody jest równieĪ brak koniecznoĞci dostarczania energii, poniewaĪ wykorzystuje siĊ naturalny przepáyw wód gruntowych przez strefĊ oczyszcza- nia wypeánioną materiaáem reaktywnym, która ma wiĊkszą przepuszczalnoĞü niĪ podáoĪe gruntowe wystĊpujące na terenie zanieczyszczonym [ITRC 2011].
W zaleĪnoĞci od zastosowanego materiaáu reaktywnego w stre¿ e aktywnej PBR za- chodzą róĪne procesy wspomaganego samooczyszczania. Wybór materiaáu uzaleĪniony jest od rodzaju, stĊĪenia oraz formy wystĊpowania zanieczyszczenia w Ğrodowisku grun- towo-wodnym. Czynnikami, które determinują wybór optymalnego materiaáu, są przede wszystkim: aktywnoĞü, stabilnoĞü, brak negatywnego oddziaáywania na Ğrodowisko, zdol- noĞü ¿ ltracyjna, dostĊpnoĞü oraz koszty [Gavaskar i in. 2000, ITRC 2005]. W pierwszych instalacjach PBR najczĊĞciej wykorzystywano Īelazo zerowartoĞciowe (ZVI) [Wang i Zhang 1997, Powell i in. 1998, Gavaskar i in. 2000, Naftz i in. 2002, Suponik 2004, ITRC 2011]. JednakĪe wieloletnie badania terenowe oraz laboratoryjne wskazują na moĪliwoĞü wystąpienia uciąĪliwoĞci podczas dáugotrwaáego stosowania tego materiaáu. Gáównie wymienia siĊ spadek szybkoĞci reakcji produktów poĞrednich w stosunku do substratów oraz zmiany geochemiczne związane z wytrącaniem siĊ osadów, które mogą powodowaü kolmatacjĊ bariery [Kamolpornwijit i in. 2003, Roehl i in. 2005, Johnson i in. 2008, Malina 2011]. W związku z powyĪszym poszukuje siĊ nowych materiaáów do wbudowania w sys- temy PBR. SpoĞród materiaáów reaktywnych dotychczas wykorzystywanych w praktyce moĪna wymieniü nastĊpujące: zeolit, wĊgiel aktywny, wapienie, ORC, metale granulo- wane, popióá lotny, kompost i materiaá organiczny [Naftz i in. 2002, Roehl i in. 2002, Yong i Mulligan 2004, Phillips 2009, ITRC 2011].
Wybór odpowiedniego materiaáu do PBR powinien poprzedzaü etap zebrania szcze- góáowych informacji lub wykonania badaĔ laboratoryjnych dotyczących wáaĞciwoĞci materiaáów reaktywnych, w tym ¿ zycznych i hydraulicznych (np. porowatoĞü, prze- wodnoĞü hydrauliczna). NaleĪy równieĪ pamiĊtaü o tym, Īe po instalacji materiaáów w barierze ich wáaĞciwoĞci mogą ulec zmianie [ITRC 2011]. Dotychczas w projekto- waniu gáównymi kryteriami doboru materiaáu do budowy bariery byáa jego zdolnoĞü do zatrzymywania zanieczyszczeĔ oraz wáaĞciwoĞci ¿ ltracyjne. JednakĪe w przypadku projektowania bariery i jej dáugoterminowej, stabilnej pracy w Ğrodowisku gruntowo- -wodnym naleĪy równieĪ wziąü pod uwagĊ zarówno wáaĞciwoĞci ¿ zyczne, jak i mecha- niczne materiaáów reaktywnych. Zwáaszcza w przypadku zastosowania do budowy PBR
mieszaniny materiaáów reaktywnych lub ukáadu warstw. W literaturze nie spotkano siĊ z opisem charakterystyk materiaáów reaktywnych, dotyczących parametrów wytrzyma- áoĞciowych i odksztaáceniowych. Dotychczas takie badania nie byáy prowadzone przez oĞrodki badawcze zajmujące siĊ technologią PBR. Jedynie w pracach Fronczyk [2008]
i Fronczyk i in. [2010] podjĊto siĊ okreĞlenia charakterystyk wytrzymaáoĞciowych zeolitu i mieszanek zeolitowo-piaskowych w przepuszczalnych barierach reaktywnych, traktując te parametry jako jedno z gáównych kryteriów doboru materiaáów reaktywnych do PBR.
W artykule przedstawiono wyniki badaĔ jednoosiowego Ğciskania w aparacie bezpo- Ğredniego Ğcinania oraz wyniki badaĔ edometrycznych wybranych materiaáów reaktyw- nych – Īelaza zerowartoĞciowego oraz zeolitu. Badania mogą zostaü wykorzystane jako dane wyjĞciowe do projektowania i modelowania stanów granicznych noĞnoĞci konstruk- cji PBR.
MATERIAà I METODY
Do badaĔ laboratoryjnych wykorzystano nastĊpujące materiaáy: Īelazo zerowartoĞcio- we (iPutec GmbH & Co. KG, Rheinfelden, Niemcy) oraz zeolit (Zeocem S.P, Sáowacja).
ĩelazo zerowartoĞciowe (ZVI) w 92% stanowiáo Īelazo z nastĊpującymi domieszkami:
wĊgiel 2,8–3,2%, krzem 1,8–2,1%, fosfor 0,04–0,4%, chrom 0,05–0,4%, nikiel 0,05–
–0,3% oraz glin 0,01–0,1%. Natomiast zeolit w 84% stanowiá klinoptylolit z domieszka- mi: krystobalitu 8%, ilitu 4%, mineraáów z grupy skaleni 4%, skaá wĊglanowych < 0,5%
i Ğladowej iloĞci kwarcu.
Badania laboratoryjne miaáy na celu okreĞlenie podstawowych wáaĞciwoĞci ¿ zycz- nych i mechanicznych wybranych materiaáów. W pierwszej kolejnoĞci wykonano anali- zĊ sitową uziarnienia oraz klasy¿ kacjĊ materiaáów zgodnie z normami: PN-88/B-04481, PN-86/B-02480, PN-EN ISO 14688-1 i ASTM D422-63. Badania przeprowadzono w laboratorium Katedry GeoinĪynierii SGGW w Warszawie im. prof. Wáadysáawa Kol- lisa oraz w laboratorium Departamento di SIMAU Universita Politechnica delle Marche.
NastĊpnie wyznaczono minimalną i maksymalną gĊstoĞü objĊtoĞciową szkieletu grunto- wego za pomocą aparatu wideákowego zgodnie z normą PN-88/B-04481 oraz powierzch- niĊ wáaĞciwą metodą sorpcji báĊkitu metylenowego zgodnie z normą PN-88/B-04481 w laboratorium Katedry GeoinĪynierii. Metoda adsorpcji báĊkitu metylenowego wedáug polskiej normy PN-88/B-04481 polega na zaáoĪeniu, Īe caákowita powierzchnia wáaĞci- wa równa jest sumie rzutów powierzchni poszczególnych cząstek báĊkitu metylenowego zaadsorbowanych przez grunt w postaci warstwy jednocząsteczkowej, odniesiona do 1 g masy gruntu wysuszonego do staáej masy.
W laboratorium Departamento di SIMAU Universita Politechnica delle Marche prze- prowadzono badania wzglĊdnego ciĊĪaru wáaĞciwego szkieletu gruntowego (Gs) metodą piknometru zgodnie z normą ASTM D854-10 oraz badania wytrzymaáoĞci na Ğcinanie materiaáów w aparacie bezpoĞredniego Ğcinania (skrzynkowym) zgodnie z normą ASTM D3080-11. Ponadto w laboratorium Katedry GeoinĪynierii przeprowadzono seriĊ badaĔ edometrycznych zgodnie z normą PN-88/B-04481.
WáaĞciwoĞci ¿ zyczne Īelaza zerowartoĞciowego (ZVI) i zeolitu (Z) zestawiono w tabeli 1, natomiast na rysunku 1 zaprezentowano ich skáad granulometryczny.
Na podstawie krzywych uziarnienia wyznaczono wartoĞci wskaĨników: krzywizny (Cc) i jednorodnoĞci uziarnienia (Cu). Wszystkie badane materiaáy zostaáy sklasy¿ kowa- ne jako piaski Ğrednie – MSa [ASTM D422–63, PN-EN ISO 14688] i zaliczone do grun- tów równoziarnistych (1 Cu 5), dobrze uziarnionych (Cu = 1–3), jednofrakcyjnych (Cu < 6) zgodnie z PN-EN ISO 14688.
W celu wyznaczenia parametrów wytrzymaáoĞciowych materiaáów przeprowadzono serie badaĔ w aparacie bezpoĞredniego Ğcinania (rys. 2).
Badania przeprowadzono w skrzynkach o wymiarach 60 × 60 × 60 mm na próbkach zagĊszczonych w stanie suchym. Próbki ograniczone byáy z góry i z doáu dwiema páyt- kami perforowanymi. StopieĔ zagĊszczenia próbek (ID) byá staáy i wynosiá 0,6. Badanie przeprowadzono z peáną wstĊpną konsolidacją, a nastĊpnie przystąpiono do ĞciĊcia przy staáej prĊdkoĞci przesuwu poziomego, wynoszącej 0,0073152 mm·min–1 oraz nastĊpu- jących naciskach pionowych (naprĊĪeniach normalnych – ı) na próbki: 50, 100, 200, 300 kPa.
Ponadto przeprowadzono serie badaĔ w edometrach standardowych, które naleĪą do podstawowych laboratoryjnych badaĔ ĞciĞliwoĞci okreĞlanej najczĊĞciej w postaci mo- duáu ĞciĞliwoĞci (M) oznaczającego stosunek przyrostu naprĊĪenia do wywoáanego przez Tabela 1. WáaĞciwoĞci ¿ zyczne badanych próbek materiaáów reaktywnych
Table 1. Physical properties of tested reactive materials Materiaá
Material Cu [–]
Cc [–]
Gs [–]
ȡ [Mg·m–3]
ȡdmin [Mg·m–3]
ȡdmax [Mg·m–3]
n [–]
ne [–]
SBET [m–2·Mg]
ZVI 1,8 0,9 7,61 6,72 2,91 19,34 0,120 0,210 0,52·106
Z 1,8 0,8 2,40 1,05 0,87 1,23 0,561 0,470 33,4·105
ĝrednica zastĊpcza ziaren d, [mm]
Particle size [mm]
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0,01 0,1 1 10 100
ZVI Z
PN-86 B-02480
Frakcje/Fractions Iáowa
Clay
Kamien.
Cobble ĩwirowa
Gravel Pyáowa
Silt
Piaskowa Sand
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
40 ,0 Zaw
arto Ğüzi aren oĞr ed nic ym nie jsze jn iĪd ,[%
]
Per cen tage pas sin g[%
]
Zaw arto Ğüzia ren oĞr edn icy wiĊ ksz ejn iĪd ,[% ] Per cen tage reta inin g[%
]
0,0 02 0
0,00 63
0,02 00
0,06 30
0,20 00
0,63 00
2,0 6,3
20,0 63 ,0
Cl Si Sa Gr
Co Bo LBo FGr CGr
FSi MSi CSi FSa MSa CSa MGr
EN ISO 14688-1
0,50 0
ZawartoĞü ziaren o Ğrednicy wiĊkszej niĪ d, [%]Percentage retaining [%]
ZawartoĞü ziaren o Ğrednicy mniejszej niĪ d, [%] Percentage passing [%]
Rys. 1. Wynik analizy uziarnienia Īelaza zerowartoĞciowego (ZVI) i zeolitu (Z) Fig . 1. Grain size distribution of ZVI and zeolite
ten przyrost odksztaácenia. W przypadku tych badaĔ moduáy nazwano edometryczny- mi moduáami ĞciĞliwoĞci pierwotnej (M0) i wtórnej (M), których wartoĞci wyznaczono odpowiednio z krzywej ĞciĞliwoĞci pierwotnej i wtórnej [Wdowska 2013]. Ze wzglĊdu na záoĪonoĞü konstrukcji aparatu (np. dĨwignia, poáączenia sworzniowe) przed zasadni- czymi badaniami okreĞlano odksztaácenia wáasne edometru przy takich samych obciąĪe- niach, przy jakich badano próbki materiaáów [Wdowska 2013].
Badanie w edometrze polegaáo na stopniowym obciąĪaniu (12,5, 50, 100, 200, 300 kPa) próbek o Ğrednicy 50 mm i wysokoĞci 20 mm zeolitu oraz ZVI o początkowym stopniu zagĊszczenia (ID) równym 0,6 w warunkach uniemoĪliwiających ich boczną roz- szerzalnoĞü. ZaáoĪenie jest zgodne w przybliĪeniu z rzeczywistymi warunkami, w jakich znajduje siĊ materiaá wbudowany w podáoĪe, gdzie jego boczna rozszerzalnoĞü jest rów- nieĪ znacznie ograniczona sąsiadującym sztywnym gruntem. Na rysunku 3 przedstawio- no widok stanowiska do badaĔ.
Rys. 2. Stanowisko badawcze z aparatami bezpoĞredniego Ğciskania Fig. 2. Laboratory test post with the shear box apparatus
Rys. 3. Stanowisko badawcze z edometrami
Fig. 3. Laboratory test post with the oedometer apparatus
WYNIKI
WytrzymaáoĞü na Ğcinanie jest jednym z najwaĪniejszych parametrów wpáywających na warunki statecznoĞci projektowanych konstrukcji. Oznacza graniczny opór, jaki dany oĞrodek przeciwstawia siáom przesuwającym, odniesiony do jednostki powierzchni.
W przypadku kiedy w dowolnym punkcie oĞrodka naprĊĪenie Ğcinające osiągnie wartoĞü wytrzymaáoĞci na Ğcinanie, nastĊpuje utrata statecznoĞci i poĞlizg pewnej czĊĞci gruntu w stosunku do pozostaáej. W przypadku Ğcinania gruntów o strukturze ziarnistej wystĊpu- je opór tarcia suwnego i obrotowego, czyli opór tarcia wewnĊtrznego, którego wielkoĞü zaleĪy od rodzaju gruntu (wymiaru i ksztaátu ziaren, pochodzenia gruntu) [Craig 1997, Pisarczyk 2001, Wiáun 2007]. Wyniki badaĔ bezpoĞredniego Ğcinania, przeprowadzonych na kilku próbkach tego samego materiaáu dla róĪnych wartoĞci naprĊĪeĔ normalnych (ı), przedstawiono na rysunkach 4 i 5.
W
V 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 1 2 3 4 5 6 7 8
IJ[kPa]
¨l [mm]
Z 50kPa ZVI 50kPa Z 100kPa ZVI 100kPa Z 200kPa ZVI 200kPa Z 300kPa ZVI 300kPa
Rys. 4. Wyniki badaĔ materiaáów w aparacie bezpoĞredniego Ğcinania – zaleĪnoĞü naprĊĪeĔ stycznych (IJ) od przemieszczeĔ (¨l) przy Ğcinaniu
Fig. 4. Results of direct shear box tests on reactive materials – shear stress – displacement curves
Z y = 0,3567x R² = 0,8783 ij=19,6
ZVI y = 0,2754x R² = 0,9852 ij=15,4
0 20 40 60 80 100 120
0 50 100 150 200 250 300 350 400
WW[kPa]
VV [kPa]
Rys. 5. Wyniki badaĔ próbek ZVI (S) i zeolitu (½) w aparacie bezpoĞredniego Ğcinania – zaleĪ- noĞü naprĊĪeĔ stycznych (IJ) od naprĊĪeĔ normalnych (ı)
Fig. 5. Results of direct shear box tests on ZVI (S) and zeolite (½) – shear strength envelopes
W interpretacji wyników badaĔ przyjĊto, Īe wytrzymaáoĞü na Ğcinanie badanych ma- teriaáów wynika tylko i wyáącznie z oporów tarcia. W związku z tym wyznaczono warto- Ğci kąta tarcia wewnĊtrznego (ij), zakáadając wartoĞü spójnoĞci (c) równą zero. WartoĞci kąta tarcia wewnĊtrznego ij przy tym zaáoĪeniu dla próbek badanych materiaáów przed- stawiaáy siĊ nastĊpująco: ZVI – 15,4° i zeolit – 19,6°.
WartoĞci ij badanych materiaáów reaktywnych byáy maáe i mieĞciáy siĊ w za- kresach charakterystycznych dla gruntów spoistych – od 16 do 25º [Craig 1997].
W przypadku gruntów niespoistych wartoĞü ij zaleĪy od ksztaátu i wymiaru ziaren, ich wzajemnej odlegáoĞci, naprĊĪeĔ efektywnych w szkielecie gruntu (a wiĊc od pochodze- nia i uziarnienia gruntu), oraz od wskaĨnika porowatoĞci [Day 2001]. Mniejsze wartoĞci kąta tarcia wewnĊtrznego dla ZVI byáy spowodowane wrzecionowatym ksztaátem ziaren i tworzeniem siĊ uprzywilejowanych páaszczyzn ĞciĊcia. Natomiast w przypadku zeolitu otrzymano maáe wartoĞci ij ze wzglĊdu na cementacjĊ i/lub Ğcieranie siĊ materiaáu na drobniejsze cząstki, które tworzyáy wokóá wiĊkszych ziaren otoczkĊ, uáatwiając ich po- Ğlizg przy Ğcinaniu (mniejsze tarcie wewnĊtrzne); potwierdzają to równieĪ badania prze- prowadzone przez Fronczyk i in. [2008].
NaleĪy powtórzyü badania przy zastosowaniu aparatu trójosiowego Ğciskania, któ- ry umoĪliwi realizacjĊ wielu róĪnych schematów obciąĪania i okreĞlenie charakterystyk wytrzymaáoĞciowych materiaáów reaktywnych z wiĊkszą dokáadnoĞcią. W aparatach trój- osiowego Ğciskania kierunki naprĊĪeĔ gáównych pozostają w czasie badaĔ niezmienne, w przeciwieĔstwie do aparatów bezpoĞredniego Ğcinania. Kolejną zaletą metody trójosio- wego Ğciskania jest formowanie siĊ powierzchni poĞlizgu w zaleĪnoĞci od wáaĞciwoĞci materiaáu i warunków, a nie jak w przypadku metody bezpoĞredniej – wymuszonej przez konstrukcjĊ aparatu.
Wyniki badaĔ edometrycznych przedstawiono w formie krzywych konsolidacji na rysunku 6 oraz na wykresach krzywych ĞciĞliwoĞci na rysunku 7.
19,7 19,75 19,8 19,85 19,9 19,95 20
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000
ǻh [mm]
t [min]
19,6 19,65 19,7 19,75 19,8 19,85 19,9 19,95 20
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000
ǻh [mm]
t [min]
12,5 kPa 50 kPa 100 kPa 200 kPa 300 kPa
a b
Rys. 6. Wyniki badaĔ materiaáów w edometrach – krzywe konsolidacji dla: a – ZVI, b – zeolitu Fig. 6. Results of oedometer tests on reactive materials – consolidation curves of: a – ZVI,
b – zeolite
Porównując wyniki badaĔ dla dwóch materiaáów, moĪna stwierdziü, Īe wiĊksze war- toĞci edometrycznych moduáów ĞciĞliwoĞci (M) oraz obliczonych na ich podstawie wska- Ĩników skonsolidowania (ȕ) otrzymano dla Īelaza zerowartoĞciowego (M0 = 147,97 kPa, M = 150,00 kPa, ȕ = 0,99) przy obciąĪeniach wynoszących kolejno: 5, 50, 100, 200, 300 kPa. Natomiast dla zeolitu parametry te wynosiáy odpowiednio: M0 = 16,48 kPa, M = 61,04 kPa, ȕ = 0,27. W przypadku ZVI zmiany wysokoĞci próbek w zakresie sto- sowanych w badaniach naprĊĪeĔ byáy niewielkie i wynosiáy od 0,041 do 0,241%, pod- czas gdy wyniki badaĔ zeolitu byáy zbliĪone do wyników otrzymywanych dla gruntów niespoistych. Zmiany wysokoĞci próbek wahaáy siĊ od 0,049 do 1,771%, co Ğwiadczy o wiĊkszej podatnoĞci na odksztaácenia tego materiaáu.
PODSUMOWANIE
Interpretacja przedstawionych wyników jest niezmiernie trudna z uwagi na nieliczne publikacje na ten temat. JednakĪe okreĞlone wstĊpne parametry wytrzymaáoĞciowe mate- riaáów mogą byü wykorzystane przy doborze technologii wykonania PBR oraz sprawdze- nia stanów granicznych noĞnoĞci podczas etapu projektowania. Ponadto mogą posáuĪyü jako dane do obliczeĔ numerycznych z wykorzystaniem metod elementów skoĔczonych dla konkretnego obiektu inĪynierskiego (np. w programie PLAXIS). NaleĪy jednak prze- prowadziü badania parametrów wytrzymaáoĞciowych materiaáów reaktywnych przy za- stosowaniu aparatu trójosiowego Ğciskania umoĪliwiającego zastosowanie wielu róĪnych schematów obciąĪania, a takĪe okreĞlenie charakterystyk wytrzymaáoĞciowych z wiĊk- szą dokáadnoĞcią. Przeprowadzenie serii badaĔ z wykorzystaniem zanieczyszczonych materiaáów reaktywnych pozwoli na prognozowanie zmian wytrzymaáoĞci materiaáów reaktywnych podczas pracy PBR w warunkach terenowych. Charakterystyki wytrzy- maáoĞciowe i odksztaáceniowe materiaáów reaktywnych powinny byü uwzglĊdniane na równi z pozostaáymi podczas etapu projektowania i modelowania PBR, w szczególnoĞci w przypadku konstrukcji wielowarstwowych oraz zastosowania mieszanin materiaáów reaktywnych do budowy strefy oczyszczania.
19,60 19,65 19,70 19,75 19,80 19,85 19,90 19,95 20,00
0,1 1 10 100
h[mm]
ı[kPa]
19,6 19,65 19,7 19,75 19,8 19,85 19,9 19,95 20
0,1 1 10 100
h[mm]
ı[kPa]
a b
Rys. 7. Wyniki badaĔ materiaáów w edometrach – krzywe ĞciĞliwoĞci dla: a – ZVI, b – zeolitu Fig. 7. Results of oedometer tests on reactive materials – compressibility curves of: a – ZVI,
b – zeolite
PIĝMIENNICTWO
ASTM D422-63:2007. Standard Test Method for Particle – Size Analysis of Soils.
ASTM D854-10 Standard Test Methods for Speci¿ c Gravity of Soil Solids by Water Pycnometer.
Burt, T.A., Li, Z., Bowman, R.S. (2005). Evaluation of granular surfactant-modi¿ ed/zeolite zero valent iron pellets as a reactive material for perchloroethylene reduction. Journal of Envi- ronmental Engineering, 131 (6), 934–942.
Craig, R.F. (1997). Soil mechanics. Taylor & Francis, New York.
Day, R. (2001). Soil testing manual: procedures, classi¿ cation data, and sampling practices. The McGraw-Hill Companies, Inc., New York.
Fronczyk, J. (2006). Przepuszczalne bariery reaktywne – wáaĞciwoĞci materiaáu aktywnego. Prze- gląd Naukowy InĪynieria i Ksztaátowanie ĝrodowiska, 33, 85–94.
Fronczyk, J. (2008). Wykorzystanie mieszanek zeolitowo-piaskowych w przepuszczalnych barierach reaktywnych w rejonie skáadowisk odpadów. Rozprawa doktorska. SGGW, Warszawa.
Fronczyk, J., Bąkowski, J., Garbulewski, K. (2010). Charakterystyki wytrzymaáoĞciowe zeolitu i mieszanek zeolitowo-piaskowych w przepuszczalnych barierach reaktywnych. Przegląd Naukowy InĪynieria i Ksztaátowanie ĝrodowiska, 47 (1), 3–12.
Gavaskar, A. (1999). Design and construction techniques for permeable reactive barries. Journal of Hazardous Materials, 68, 41–71.
Gavaskar, A., Gupta, N., Sass, B., Janosy, R., Hicks, J.(2000). Design guidance for application of permeable reactive barriers for groundwater remediation. Battelle, Columbus OH.
ITRC – Interstate Technology & Regulatory Council (2005). Permeable Reactive Barriers: Lessons Learned/New Directions. PRB-4. Interstate Technology & Regulatory Council, PRB:
Technology Update Team., Washington, D.C. Pobrano z lokalizacji: http://www.itrcweb.
org.
ITRC – Interstate Technology & Regulatory Council (2011). Permeable Reactive Barrier: Tech- nology Update. PRB–5. Interstate Technology & Regulatory Council, PRB: Technology Update Team., Washington, D.C. Pobrano z lokalizacji: http://www.itrcweb.org.
Johnson, R.L., Thoms, R.B, O’Brien Johnson, R., Krug, T. (2008). Field evidence for À ow reduc- tion through a zero-valent iron permeable reactive barrier. Ground Water Monitoring &
Remediation, 28 (3), 47–55.
Kamolpornwijit, W., Liang, L., West, O.R., Molin, G.R., Sullivan, A.B. (2003). Preferential À ow path development and its inÀ uence on long-term PRB performance: Column study. Jour- nal of Contaminant Hydrology, 66 (3–4), 161–178.
Malina, G. (2011). Likwidacja zagroĪenia Ğrodowiska gruntowo-wodnego na terenach zanieczysz- czonych. Wyd. PZIiTS, PoznaĔ.
Naftz, D.L, Morrison, S.J., Fuller, C.C., Davis, J.A. (2002). Handbook of Groundwater Remedia- tion Using Permeable Reactive Barriers: Applications to Radionuclides, Trace Metals, and Nutrients. Elsevier Science, Amsterdam.
Navarro, A., Chimenos, J.M., Muntaner, D., Fernandez, A.I. (2006). Permeable reactive barriers for removal of heavy metals: lab-scale experiments with low-grade magnesium oxide.
Ground Water Monitoring & Remediation, 26 (4), 142–152.
Phillips, D. (2009). Permeable Reactive Barriers: A sustainable technology for cleaning contami- nated groundwater in developing countries. Desalination, 248 (1–3), 352–359.
Pisarczyk, S. (2001). Gruntoznawstwo inĪynierskie. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
PN-86/B-02480:1981. Grunty budowlane. OkreĞlenia, symbole, podziaá i opis gruntów.
PN-88/B-04481:1988. Grunty budowlane. Badania próbek gruntu.
PN-EN ISO 14688:2002. Badania geotechniczne. Oznaczenia i klasy¿ kowanie gruntów.
Powell, R.M., Blowes, D., Gillham, R.W., Schultz, D., Sivavec, T., Puls, R.W., ..., Landis, R.
(1998). Permeable reactive barrier technologies for contaminant remediation. EPA/600/
/R–98/125. EPA, Washington DC.
Powell, R.M., Powell, P.D., Puls, R.W. (2002). Economic analysis of the implementation of perme- able reactive barriers for remediation of contaminated ground water. EPA/600/R– 02/034.
EPA, Washington, DC.
Roehl, K.E., Huttenloch, P., Czurda, K. (2001). Permeable sorption barriers for in-situ remediation of polluted groundwater – reactive materials and reaction mechanisms. In: Green 3. The Exploitation of Natural Resources and the Consequences. Thomas Telford Publishing, London, 466–473.
Roehl, K.E., Huttenloch, P., Czurda, K. (2002). Permeable sorption barriers for in-situ remediation of polluted groundwater – reactive materials and reaction mechanisms. Thomas Telford Publishing, New York.
Roehl, K.E., Czurda, K., Meggyes, T., Simon, F., Steward, D.I. (2005). Long-term performance of permeable reactive barriers. Elsevier, USA.
Rumar, R.R., Mitchel, J.K. (1995). Assessment of barrier Containment Technologies. U.S. Depart- ment of Energy. National Technical Information Service, PB96-180583,437.
Suponik, T. (2004). Optymalizacja parametrów bariery remediacyjnej dla zanieczyszczonych wód gruntowych obszaru skáadowisk odpadów. Praca doktorska. Wydziaá Górnictwa i Geolo- gii, Politechnika ĝląska, Gliwice.
Suponik, T. (2011). Optimization of the PRB (Permeable Reactive Barriers) parameters for selected area of dumping site.The Publishing House of the Silesian University of Technology, Gliwice.
Thiruvenkatachari, R., Vigneswaran S., Naidu, R. (2008). Permeable reactive barrier for groundwa- ter remediation. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 14 (2), 145–156.
Wang, C., Zhang, W. (1997). Nanoscale metal particles for dechlorination of PCE and PCBs. Envi- ronmental Sciences and Technology, 31 (7), 2154–2156.
Wdowska, M. (2013). Wpáyw zmian stopnia wilgotnoĞci na charakterystyki ĞciĞliwoĞci w bada- niach edometrycznych. Acta Scientiarum Polonorum, Architectura, 12 (2), 33–41.
Wiáun, Z. (2007). Zarys geotechniki. WKà, Warszawa.
Yong, R.M., Mulligan, C.N. (2004). Natural attenuation of contaminants in soils. Lewis Publishers, Boca Raton FL.
THE MECHANICAL PROPERTIES OF SELECTED REACTIVE MATERIALS
Abstract. In this paper the physical and mechanical properties of reactive materials are pre- sented. Reactive materials are build the reactive zone of permeable reactive barrier (PRB) used for the remediation of contaminated groundwater. Up till now the criteria for selecting a reactive material for PRB are included only the remediation and hydraulic properties of materials. However, physical and mechanical properties of these materials have to be taking into account due to the engineering aspect of design parameters of PRB in groundwater, as well as their stability and longevity. The paper presents the results of shear strength and compressibility properties of selected reactive materials that may be considered during the selection of construction technology of barrier and to verify the ultimate limit states during the design stage of PBR.
Key words: permeable reactive barriers, zeolite, ZVI, shear strength, compressibility
Zaakceptowano do druku – Accepted for print: 28.09.2015
Cytowanie: Pawluk, K. (2015). Charakterystyka wáaĞciwoĞci mechanicznych wybranych materia- áów reaktywnych. Acta Sci. Pol., Architectura, 14 (3), 57–66.
