Elżbieta KORZENIOWSKA-REJMER
Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Geotechniki ul. Warszawska 24, 30-155 Kraków
Dorota IZDEBSKA-MUCHA
Uniwersytet Warszawski, Wydział Geologii, Instytut Hydrogeologii i Geologii Inżynierskiej Al. Żwirki i Wigury 93, 02-089 Warszawa
Ocena wpływu zanieczyszczeń ropopochodnych na uziarnienie i plastyczność gruntów spoistych
Evaluation of the influence of oil pollution on particle size distribution and plasticity of clay soils
Summary: This paper presents the results of many years’ investigation of oil pollution influence on selected geological-engineering properties of clay soils. Experimental material included: (1) soils polluted with oil substances in situ, exposed to the pollutant for about 50 years and (2) soils polluted with petrol and diesel oil in laboratory. The first group comprised silty soils, which were the foundation of fuel depositories in the refinery area in south Poland. The second group comprised Quaternary glacial tills and Tertiary clays, which are widespread in Poland; and pure clay minerals: Na-montmorillonite from Wyoming (USA), illite from Bukowa Góra (Poland), kaolinite from Sedlec (Czech Republic).
Analyses of particle size distribution, plasticity and shrinkage parameters were made. Results obtained proved that significant changes of considered parameters take place in the oil contaminated soil. Due to physical-chemical aggressiveness of oil substances, sand and clay fraction content decreased while silt fraction content increased. Examination of soils contaminated in laboratory revealed a reduction in liquid limit, plasticity index and linear shrinkage values. This tendency is associated with differences in physical- chemical characteristic of water and oil substances. In a diphase system of solids and petroleum liquid, clay soils lose their plasticity and behave like a noncohesive soil.
Alterations of particle size distribution and plasticity of clay soils result in changes of several geological- engineering parameters related to strength and deformability of the soil ground. Contaminated area should be thus carefully examined when evaluated in the aspect of land development. Results presented above also raise a question of suitability of clay soils as barriers against petroleum contaminants.
Key words: oil pollution, clay soil, particle size distribution, plasticity, linear shrinkage
W artykule przedstawiono wyniki wieloletnich badań wpływu zanieczyszczeń ropopochodnych na niektóre właściwości gruntów spoistych. Badania dotyczyły zmian składu granulometrycznego gruntów pylastych, stanowiących podłoże obiektów związanych z magazynowaniem paliw na terenie jednej z Rafinerii Polski południowej, poddanych długotrwałym zanieczyszczeniom. Przedstawiono również wyniki badań modelowych zmian uziarnienia i granic konsystencji, przeprowadzonych na próbkach gruntów spoistych zanieczyszczanych benzyną i olejem napędowym w warunkach laboratoryjnych. Badaniami objęto grunty spoiste czwartorzędowe i trzeciorzędowe o znacznym rozprzestrzenieniu na terenie Polski oraz wzorcowe iły monomineralne: bentonit, ił illitowy i kaolinit. Przeprowadzone analizy składu granulo- metrycznego gruntów, pobranych z podłoża obiektów inżynierskich jak i próbek zanieczyszczanych olejem napędowym w warunkach laboratoryjnych, wykazały znaczne zmiany zawartości poszczególnych frakcji gruntu. Na skutek agresji fizyko-chemicznej nastąpiła znaczna redukcja zawartości frakcji piaskowej i iłowej, zwiększeniu uległa zawartość frakcji pyłowej. Uzyskane wyniki zmian granic konsystencji próbek gruntów zanieczyszczanych benzyną i olejem napędowym wskazują, że w układzie dwufazowym grunt- ciecz ropopochodna, grunty spoiste mogą tracić spoistość, nabierając cech gruntów drobnoziarnistych syp- kich, nie wykazują również zdolności do skurczu. Zaznacza się wyraźny spadek wartości granicy płynności zmniejszeniu ulega wartość wskaźnika plastyczności.
Zmiany uziarnienia i plastyczności badanych gruntów wpływają na zmiany wartości parametrów geotech- nicznych, odpowiedzialnych za wytrzymałość i odkształcalność ośrodka gruntowego, zmieniając jego właś- ciwości jako podłoża budowlanego. Ponadto, infiltracja zanieczyszczeń ropopochodnych przez warstwę gruntów spoistych może zmniejszyć lub wykluczyć przydatność tych gruntów jako nieprzepuszczalnej ba- riery ochronnej dla wielu zbiorników wód podziemnych.
Słowa kluczowe: zanieczyszczenia ropopochodne, grunt spoisty, skład granulometryczny, plastyczność, skurcz liniowy
Wprowadzenie
Intensywna działalność przemysłowa wiąże się najczęściej ze znacznym zanieczyszczeniem środowiska geologicznego substancjami chemicznymi. Wpływ zanieczyszczeń na ośrodek grunto- wy i wodny należy rozpatrywać kompleksowo ze względu na różnorodność zmian jakie to zanie- czyszczenie powoduje. Z jednej strony infiltracja substancji chemicznych w głąb podłoża powodu- je, że grunt staje się ośrodkiem toksycznym, z drugiej strony wprowadzone do podłoża gruntowego zanieczyszczenia wpływają degradująco na jego stan pierwotny, w zasadniczy sposób zmieniając jego właściwości jako podłoża budowlanego i gruntu jako materiału budowlanego w budownictwie ziemnym.
W praktyce inżynierskiej najczęściej mamy do czynienia z zanieczyszczeniami gruntów związ- kami organicznymi, wśród których znaczną grupę stanowią zanieczyszczenia substancjami ropopochodnymi (SR) .Zanieczyszczenia te wprowadzone do podłoża gruntowego mogą rozprzes- trzeniać się na znaczne odległości. Charakter i zasięg ich oddziaływania zależą głównie od właś- ciwości zanieczyszczeń, charakterystyki podłoża gruntowego, rodzaju gruntów, budowy geologicz- nej i warunków hydrogeologicznych.
W swej wędrówce w ośrodku gruntowym zanieczyszczenia wykorzystują wszelkie niejedno- rodności filtracyjne. Migrują uprzywilejowanymi drogami, wybierając ośrodki mniej zagęszczone (np.w gruntach sypkich, wykopach zasypanych nasypem pod rurociągi, kolektory ściekowe, fundamenty), gromadzą się natomiast w miejscach porowatych przed przeszkodami utrudniającymi przepływ - przy małym gradiencie hydraulicznym.
SR mogą również przenikać przez grunty gliniaste i ilaste, które dla wody są prawie nieprzepusz- czalne, tym łatwiej im większy jest w nich udział kwarcu. Mimo spornych twierdzeń niektóre ropo- pochodne mogą wędrować w gruncie na odległość kilku kilometrów w zależności od warunków panujących w podłożu i rodzaju zanieczyszczeń .
Wyniki przeprowadzonych badań krajowych i zagranicznych [1-13] wskazują, że na skutek dłu- gotrwałych zanieczyszczeń substancjami chemicznymi w ośrodku gruntowym zachodzą zjawiska i procesy, które powodują w mniejszym lub większym stopniu zmiany stanu technicznego podłoża gruntowego.
Zanieczyszczenia gruntów i wód podziemnych stwarzają olbrzymie problemy techniczne, sta- nowiąc wyzwanie w inżynierii środowiska. Rozpoznanie rodzaju substancji zanieczyszczającej oraz ocena jej oddziaływania na ośrodek gruntowy i wodny stanowi istotę w wyborze metod ogra- niczających ich rozprzestrzenianie w podłożu, projektowaniu barier przeciwfiltracyjnych (pozio- mych lub pionowych) i sposobów rekultywacji zanieczyszczonych obszarów. Zagadnienie to jest również istotne dla przyjętych rozwiązań projektowych obiektów inżynierskich na terenach zanie- czyszczonych oraz podjęcia odpowiednich zabezpieczeń już istniejących obiektów na terenach poddanych zanieczyszczeniom.
Podstawową grupą produktów skażających środowisko gruntowo-wodne są paliwa uwalniane w niezliczonej ilości wycieków chronicznych i małych na skutek korozji zbiorników i armatury w sieci transportu i dystrybucji paliw, wypadków drogowych, działalności warsztatów napraw- czych. Znaczny udział w zrzutach do środowiska geologicznego mają zakłady produkcyjne, bazy wojskowe, wysypiska odpadów, zakłady energetyczne i cała infrastruktura komunalna. 95% ropy i SR jest uwalniane w wyciekach małych ( 100-1000dm3), a tylko 5% w wyciekach wielkich (pow.10 tys.ton) [11]. Wśród uwalnianych produktów największy udział mają: benzyny silnikowe, paliwa dieslowskie, oleje opałowe, oleje smarowe, smary plastyczne, substancje żywiczno- asfaltowe, a także zużyte oleje i płyny hydrauliczne.
W czasie migracji pionowej w strefie aeracji znaczna część ciekłych węglowodorów zostaje zaadsorbowana na cząstkach mineralnych gruntu (tab.1). Ilość zatrzymanych w ten sposób zanie- czyszczeń jest zależna od wielkości ziarna, jego składu mineralnego i rodzaju substancji wprowa- dzonej do podłoża [13,14]. Najłatwiej migrują frakcje lekkie np. benzyna, trudniej oleje napędowe i nafta, najtrudniej oleje silnikowe i różne smary, które tworzą wokół cząstek mineralnych gruntu dość grube i stabilne otoczki, przyczyniając się do większej ich degradacji.
W strefie aeracji powierzchnie cząstek gruntu (w przypadku gruntów spoistych) na ogół są po- kryte cienką warstwą wody, która działa jak płyn zwilżający. Ciekłe węglowodory mogą również zachowywać się jak płyn zwilżający, pokrywając zarówno powierzchnie cząstek mineralnych jak i otoczkę wodną na cząstkach podczas migracji przez strefę aeracji i wzniosu kapilarnego [13,15].
Badania Stegemana [13] wykazały, że przesączające się do gruntu oleje mineralne są w stanie wyrugować wodę z fazy zwilżającej, same stając się fazą lepiej zwilżającą. Większa zdolność adsorbowania przez cząstki mineralne gruntu oleju niż wody, staje się przyczyną zmian oporu tarcia przy wzajemnych ich przemieszczeniach w trakcie ścinania gruntu [6-8].
W środowisku podziemnym SR mogą ulegać rozcieńczeniu lub transformacji pod wpływem procesów fizycznych, chemicznych, biologicznych zachodzących podczas transportu, wpływając w zasadniczy sposób na ośrodek gruntowy i wodny, sposób ich rozprzestrzeniania i procesy migracji.
Tabela 1
Zawartość ciekłych węglowodorów zaadsorbowanych na ziarnach gruntu strefy aeracji w dm3/m3 (wg Kramera i Hyesa) [14]
Rodzaj gruntu Benzyny Destylaty cięższe Oleje opałowe
Żwir 2,5 5,0 10,0
piasek gruby 7,5 15,0 30,0
piasek drobny 20,0 40,0 80,0
Zdolność tych związków do zmiany stanu, przechodzenia z jednej fazy w drugą oraz potencjal- nej migracji, zależy od ich właściwości i postaci w jakiej występują. Zanieczyszczone podłoże na- lezy uważać jako ośrodek czterofazowy: szkielet mineralny, woda, nie mieszające się z wodą sub- stancje ropopochodne oraz faza gazowa. Podział ten w odniesieniu do SR jest pewnym uproszcze- niem, ponieważ zazwyczaj stanowią one w gruncie kombinację kilku faz [11]:
faza stała-asfalt, bituminy, żywice, woski naftowe i inne składniki pozostające w nieznacz- nej odległości od wycieku w formie zakumulowanej między ziarnami gruntu strefy aeracji wielomolekularną warstwą cieczy,
faza ciekła- jako wolny produkt na powierzchni zwierciadła wód gruntowych,
faza rozpuszczona – jako roztwór wodny,
faza gazowa - w postaci par substancji lotnych.
Wzajemny stosunek ilościowy tych faz zależy od właściwości zanieczyszczeń, charakterystyki warunków gruntowo-wodnych w podłożu oraz warunków klimatycznych.
Występowanie węglowodorów w różnych postaciach w podłożu gruntowym (między cząstkami mineralnymi gruntu jako produkt wolny, błony otaczającej cząstkę gruntu, zaadsorbowanych na powierzchni cząstek mineralnych, lub zaabsorbowanych przez cząstkę gruntu w różnych posta- ciach w szczelinach i mikroporach), zdeterminowane jest przez stopień nasycenia węglowodorami wolnych przestrzeni w gruncie, rodzaj i uziarnienie gruntu [13,14].
Obecność w gruncie zanieczyszczonym SR dwu faz ciekłych (wody i oleju) o całkowicie odmien- nych właściwościach, powoduje znaczne zmiany ilościowe w zakresie przepuszczalności, pełnej i kapilarnej pojemności wodnej [8], które to parametry są ważnymi składnikami bilansów wodnych sporządzanych dla celów gospodarki wodnej.
A więc stan fizyczny zanieczyszczeń w podłożu gruntowym odgrywa istotną rolę, wpływając za- sadniczo na:
sposób przenikania ich do gruntu i procesy migracji;
trwałość w środowisku gruntowym i stopień jego degradacji,
wielkość zmian właściwości gruntów,
możliwości oczyszczania gruntów i ich pełnej rekultywacji.
W przypadku zanieczyszczonego podłoża gruntowego istotnym zadaniem jest z punktu widzenia zmian jego pierwotnej charakterystyki, określenie ilości i rodzaju związków zanieczyszczających (ilość zanieczyszczeń ciekłych nie mieszających się z wodą, substancji rozpuszczalnych w wodzie oraz substancji lotnych)
Z przeprowadzonych badań [1-10] wpływu obecności olejów na zmienność niektórych paramet- rów geotechnicznych gruntów wynika, że już przy nieznacznym zanieczyszczeniu (5%), następuje zmiana ich pierwotnych właściwości. Prowadzone badania podłoża gruntowego na terenie zakła- dów chemicznych, rafinerii nafty, stacji paliw i innych „obiektów naftowych” wykazały wyraźną zmianę pierwotnej charakterystyki geotechnicznej w okresie kilkudziesięciu lat ich eksploatacji.
Konieczność przeprowadzenia oceny warunków geotechnicznych i nośności podłoża wynikała czę- sto z planowanej modernizacji istniejących obiektów, bądź zaistniałych zmian ich stanu technicz- nego.
Poniżej przedstawiono wyniki badań dotyczących składu granulometrycznego gruntów pylas- tych pobranych z podłoża zanieczyszczonego SR oraz wyniki badań uziarnienia, skurczu i granic konsystencji prób gruntów zanieczyszczanych olejem napędowym (ON) i benzyną (B) w warun- kach laboratoryjnych.
Celem przedstawionych badań było wykazanie wielkości zmian składu granulometrycznego oraz granic konsystencji badanych gruntów na skutek zanieczyszczeń ropopochodnych oraz ocenę wpływu zanieczyszczeń na zawartość poszczególnych frakcji uziarnienia gruntów, granicy skur- czu, granicy płynności i granicy plastyczności. Uziarnienie gruntu oraz cechy związane z plastycz- nością gruntu stanowią ważny wskaźnik wartości parametrów cech mechanicznych gruntów spoistych.
1. Metodyka i materiały badań
Badania składu granulometrycznego dotyczyły gruntów pylastych pobranych z podłoża obiektów magazynowania paliw poniżej głębokości posadowienia fundamentów. Eksploatacja obiektów wynosiła około 50 lat. Próby gruntów pobierane były z otworów penetracyjnych wykonanych z dna odkrywek fundamentów. Zawartość SR w gruncie w stosunku do objętości wynosiła 25% (SR=25%).
Dla porównania wykonano badania składu granulometrycznego gruntów pylastych pobranych z otworów badawczych spoza strefy zanieczyszczonego podłoża z porównywalnej głębokości.
Ponadto wykonano serię badań składu granulometrycznego glin pylastych zanieczyszczanych w warunkach laboratoryjnych 10% olejem napędowym (ON=10%). Próby pobierane były z wykopów badawczych z rejonu Nowej Huty z głębokości 5m. ppt. Próba gruntu o masie 10 kg po zanieczyszczeniu olejem napędowym była dokładnie wymieszana oraz zabezpieczona przed utratą wilgotności na okres 12-stu miesięcy. Analizy granulometryczne przeprowadzono metodą sitowo- areometryczną wg PN-88/B-04481.
Zmiany plastyczności i skurczalności gruntów spoistych zanieczyszczonych SR zostały przed- stawione na podstawie badań modelowych przeprowadzonych na trzech wzorcach minerałów ilastych oraz dwóch gruntach polimineralnych o dużym rozprzestrzenieniu na terenie Polski.
Analizowane grunty to:
1. montmorillonit sodowy – produkt handlowy otrzymany z bentonitu z Wyoming, 2. kaolinit – produkt handlowy otrzymany z kaolinu z Sedlec,
3. ił illitowy – próbki iłu illitowego zostały pobrane w kopalni piaskowca kwarcytycznego w Bukowej Górze, gdzie ił ten występuje w formie przewarstwień w złożu piaskowca.
Z uwagi na niezwykle wysoką zawartość illitu, w niniejszych badaniach został on potrak- towany jako wzorcowy materiał illitowy,
4. glina lodowcowa – próbki gliny lodowcowej zlodowacenia Warty pobrano w okolic
Mszczonowa, symbole próbek gruntu: G 1, G 2, G 3, G 4, G 5,
5. ił poznański – próbki iłu trzeciorzędowego zostały pobrane na terenie kopalni Przedsię- biorstwa Kruszyw Lekkich „Keramzyt” w Mszczonowie, symbole próbek gruntu: I 1, I 2, I 3, I 4, I 5.
Charakterystykę mineralogiczną i granulometryczną gruntów do badań modelowych przedsta- wiono w tabeli 2 i tabeli 3.Badania składu mineralnego wykonano metodą analizy derywatograficz- nej w aparacie LabsysTG-DTA12 firmy Setaram. Ilościową interpretację derywatogramów prze- prowadzono według metodyki opracowanej przez Wyrwickiego [16,17]. Analizę granulometryczną przeprowadzono metodą pipetową [18] dla iłów wzorcowych oraz sitową i areometryczną dla próbek iłu poznańskiego i gliny lodowcowej (wg PN-88/B-04481). Grunty polimineralne i iły wzorcowe nasycano benzyną (B) oraz olejem napędowym (ON) w warunkach laboratoryjnych.
Aby ujednolicić warunki badania i wyeliminować nadmierną ilość czynników mogących wpły- wać na obserwowane zjawiska, analizie poddano grunt sproszkowany o wilgotności powietrzno- suchej. Tak przygotowany materiał gruntowy mieszano z benzyną lub olejem doprowadzając pastę do konsystencji płynnej. Przed przystąpieniem do badań, pasty przechowywano przez 3 dni w zam- kniętych naczyniach.
Badania granicy skurczalności ws i płynności wL wykonano według normy brytyjskiej BS1377:
Part 2: 1990: 4.3 z zastosowaniem przyrządów pomiarowych odpowiadających wymogom tej nor- my: penetrometru stożkowego do pomiaru granicy płynności firmy Ele oraz aparatu do pomiaru granicy skurczalności WF 2/756 firmy Wykeham Farrance. Granicę plastyczności wp oznaczono metodą wałeczkowania wg PN-88/B-04481. Badania skurczu liniowego Ls wykonano według metodyki podanej przez Head’a [19], która zgodna jest z brytyjską normą BS1377: Part 2: 1990:
6.5.
Tabela 2
Skład mineralny iłów wzorcowych oraz iłu poznańskiego i gliny lodowcowej oznaczony metodą analizy
derywatograficznej
Nazwa gruntu
Symbol próbki
Procentowa zawartość minerałów
Minerały ilaste Kwarc i
minerały nieaktywne
Goethyt Na-
montmorillonit Ca-beidellit Illit Kaolinit
Ił poznański
I 1 - 54,0 - 15,0 69,0 23,0 8,0
I 2 - 62,0 - 12,0 74,0 19,0 7,0
I 3 - 67,0 - 11,0 78,0 15,0 7,0
I 4 - 39,0 - 11,5 50,5 46,5 3,0
I 5 - 37,0 - 12,5 49,5 47,0 3,5
Glina lodowcowa*
G 1 - 7,5 13,5 6,5 27,5 70,0 2,5
G 2 - 7,0 4,0 7,5 19,0 79,5 2,0
G 3 - 9,5 3,5 7,0 20,0 78,0 2,0
G 4 - 8,5 2,5 6,5 17,5 80,5 2,0
G 5 - 9,5 1,0 6,5 17,0 81,0 2,0
Bentonit 100 - - - 100 - -
Ił illitowy - - 65 5 70 30 -
Kaolinit - - - 100 100 - -
* Na derywatogramach gliny lodowcowej stwierdzono współwystępowanie kaolinitu z chlorytem. Ponieważ nie rozdzielono ich ilościowo, to w tabeli podano sumaryczną zawartość kaolinitu i chlorytu pod hasłem
„kaolinit”.
Tabela 3
Skład granulometryczny iłów wzorcowych oraz iłu poznańskiego i gliny lodowcowej
Nazwa gruntu
Symbol próbki
Zawartość frakcji [%]
Nazwa gruntu wg PN-86/B02480* żwirowej
fż
piaskowej fp
pyłowej f
iłowej fi
Ił poznański I 1 0 1 11 88 I
I 2 0 0 17 83 I
I 3 0 0 27 73 I
I 4 0 3 27 70 I
I 5 0 4 29 67 I
Glina lodowcowa
G 1 0 60 16 24 Gpz
G 2 0,5 55,5 17 27 Gpz
G 3 1 52 23 25 Gpz
G 4 0 59 17 24 Gpz
G 5 2 61 13 24 Gpz
Bentonit 0 0 0 100 I
Ił illitowy 0 6 34 60 I
Kaolinit 0 0 32 68 I
*I – ił, Gpz – glina piaszczysta zwięzła
2. Wyniki badań i ich dyskusja 2.1. Badania uziarnienia gruntów
Średnie zawartości poszczególnych frakcji uziarnienia w pobranych próbach gruntu z podłoża obiektów inżynierskich z obszaru zanieczyszczonego oraz pobranych prób gruntu spoza strefy zanieczyszczenia przedstawia tabela 4. Na rys.1 przedstawiono zakres zmian uziarnienia gruntów, stanowiących podłoże obiektów magazynowania paliw, poddanych długotrwałym zanieczyszcze- niom ropopochodnym o znacznym stężeniu.
Tabela 4 Średnie zawartości poszczególnych frakcji uziarnienia pyłów pobranych z podłoża obiektów magazynowania paliw (w%)
Zawartość frakcji
Grunt „czysty” poza
strefą zanieczyszczeń Grunt zanieczyszczony SR = 25%
frakcja piaskowa
fp 27 10
frakcja pyłowa
fπ 64 87
frakcja iłowa
fi 9 3
Przeprowadzone analizy składu granulometrycznego gruntów pylastych, pobranych z podłoża obiektów magazynowania paliw, wykazały znaczne zmiany zawartości poszczególnych frakcji uziarnienia gruntu. Analizy wykazały spadek zawartości frakcji piaskowej fp z 27% do 10%,
wyraźne zwiększenie zawartości frakcji pyłowej fπ z 64% do 87% oraz zaznaczającą się flokulację cząstek frakcji iłowej fi , której zawartość zmniejszyła się z 9 do 3%.
Rys.1 Wykresy uziarnienia badanych prób pyłów pobranych z podłoża obiektów magazynowania paliw oraz zakres zmian uziarnienia pod wpływem zanieczyszczeń ropopochodnych.
. 1–wykres uziarnienia dla pyłów zalegających poza strefą objętą skażeniem, 2 –wykres uziarnienia pyłów pobranych z podłoża obiektów z odkrywek fundamentów ( grunt o zawartości SR =25%).
- zakres zmian uziarnienia.
Poniżej, w tabeli 5 przedstawiono wyniki badań składu granulometrycznego glin pylastych za- nieczyszczanych 10% olejem napędowym (ON=10 %) w warunkach laboratoryjnych. Na rys.2 przedstawiono wykresy uziarnienia dla gruntu „czystego” i gruntu zanieczyszczonego oraz zakres zmian uziarnienia badanego gruntu.
Tabela 5 Średnie zawartości poszczególnych frakcji uziarnienia glin pylastych zanieczyszczonych w warunkach laboratoryjnych olejem napędowym (w%)
Zawartość frakcji
Grunt „czysty” przed zanieczyszczeniem
Grunt zanieczyszczony ON=10%
frakcja piaskowa
fp 7 4
frakcja pyłowa
fπ 78 84
frakcja iłowa
fi 15 12
Analizy składu granulometrycznego zanieczyszczanych w warunkach laboratoryjnych glin pylastych wykazywały również wyraźne zmiany zawartości poszczególnych frakcji uziarnienia w ciągu 12 miesięcy. Zawartość frakcji piaskowej fp zmniejszyła się z 7% do 4% frakcja pyłowa fπ
zwiększyła się z 78% do 84% a zawartość frakcji iłowej fi zmniejszyła się z 15% do 12%.
Rys. 2 Wykresy uziarnienia gliny pylastej z rejonu Nowej Huty ,zanieczyszczanej w warunkach laboratoryjnych 1 – grunt “czysty” 2 – grunt zanieczyszczony olejem napędowym ( ON= 10%),
okres zanieczyszczenia- 12 miesięcy. - zakres zmian uziarnienia.
Znaczne zmiany uziarnienia gruntów poddanych zanieczyszczeniom można by tłumaczyć agresywnością substancji chemicznych w wodzie wypełniających przez dłuższy czas pory gruntu, które działają agresywnie na szkielet gruntu (ziarna i cząstki). Destrukcyjny charakter różnych do- mieszek zanieczyszczeń ropopochodnych (siarki, kwasów, związków azotu, metali ciężkich i innych dodatków polepszających ich właściwości użytkowe), polega na niszczeniu więzi struktu- ralnych, bądź powoduje rozpad cząstek szkieletu mineralnego, mający charakter procesu wietrze- nia.
Frakcja iłowa jest najbardziej podatna na agresję chemiczną. Minerały ilaste stanowią najbar- dziej aktywną część składową gruntów i wpływają znacząco na ich właściwości. Pod wpływem kwasów i zasad mogą ulegać rozkładowi.
W wyniku długotrwałej kumulacji zanieczyszczeń ropopochodnych i ich starzenia, w gruntach zachodzi zjawisko tzw. „zatężania” cięższych frakcji (oleje napędowe, opałowe, smarowe), które- mu towarzyszy wydzielanie siarkowodoru. Dłuższa jego obecność w podłożu, intensyfikuje reakcje chemiczne między poszczególnymi składnikami zanieczyszczenia, mogąc powodować trwałe zmiany w składzie granulometrycznym. W wyniku długotrwałej agresji fizyko-chemicznej może wystąpić wyraźna redukcja frakcji piaskowej, spowodowana rozpadem większych agregatów grun- tu.
Zjawisko zmian uziarnienia gruntów wynika również z tego, że węglowodory należą do grupy związków organicznych niepolarnych. Ich właściwości fizyko-chemiczne determinują charakter i intensywność oddziaływań SR z gruntami spoistymi. Niepolarne cząstki węglowodorów wiązane są na powierzchni cząstek gruntowych siłami van der Waalsa. Nie wchodzą one w przestrzenie międzypakietowe minerałów ilastych ponieważ nie są w stanie przezwyciężyć sił jonowo-elektro- statycznych wiążących pakiety ani też wyprzeć zaadsorbowanej wody [10]. Niska wartość stałej dialektrycznej węglowodorów powoduje, że w środowisku cieczy ropopochodnych następuje redu- kcja grubości podwójnej warstwy dyfuzyjnej wokół cząstki iłowej oraz spadek sił wzajemnego przyciągania cząstek gruntu. Według obliczeń Kaya, Fang [3], redukcja sił odpychania jest większa niż sił przyciągania, co wywołuje flokulację cząstek iłowych i tworzenie się agregatów.
2.2. Badania granic konsystencji i skurczalności
W wyniku zmniejszenia sił oddziaływań pomiędzy cząstkami gruntu nasyconego SR, grunty ko- hezyjne nabierają cech gruntów drobnoziarnistych niespoistych, co zmienia również ich parametry plastyczności. Wyniki badań granic konsystencji i skurczu liniowego przedstawiono w tabeli 6.
Tabela 6
Wartości granic konsystencji i skurczu liniowego iłów wzorcowych oraz iłu poznańskiego i gliny
lodowcowej
Nazwa gruntu Symbol
próbki
Granice konsystencji [%] Skurcz liniowy
Ls [%]
ws wp wL
H2O B ON H2O B ON H2O B ON H2O B ON
Ił poznański
I 1 9,1 - - 28,6 NP NP 78,9 40,5 35,8 18,4 2,3 1,2
I 2 10,9 - - 30,5 NP NP 69,6 38,7 37,1 16,0 2,3 1,0 I 3 10,0 - - 29,3 NP NP 68,1 35,5 33,2 16,2 2,3 1,1
I 4 5,6 - - 19,6 NP NP 54,4 33,5 32,2 15,6 1,9 1,0
I 5 7,2 - - 18,9 NP NP 52,8 32,3 30,9 17,3 2,1 1,0
Glina lodowcowa G 1 7,0 - - 14,3 NP NP 25,8 23,6 23,7 7,9 0 0
G 2 9,6 - - 12,4 NP NP 23,6 23,6 23,4 6,1 0 0
G 3 8,5 - - 12,8 NP NP 24,0 23,5 23,5 6,7 0 0
G 4 8,0 - - 13,0 NP NP 23,3 23,4 22,0 6,3 0 0
G 5 8,2 - - 13,5 NP NP 23,5 24,0 22,7 7,8 0 0
Bentonit 9,6 - - 55 NP NP 257 33,5 37,1 41 1,7 2,1
Ił illitowy 15,5 - - 26 NP NP 46 24,0 25,6 6,6 2,3 2,6
Kaolinit 33 - - 40 NP NP 51 45,3 37,2 3,7 0,8 1,6
H2O-próbki nasycone wodą destylowaną, B-próbki nasycane benzyną, ON-próbki nasycane olejem napędowym. NP.- grunt nieplastyczny.
W próbie wałeczkowania wszystkie grunty zanieczyszczone oznaczono jako nieplastyczne (NP).
Stwierdzono również spadek wartości granicy płynności próbek nasyconych benzyną i olejem na- pędowym. Uwagę zwraca fakt, że podczas gdy w badaniach z wodą destylowaną zaznacza się wy- raźna dysproporcja wartości wL w analizowanej grupie gruntów (od 257% dla bentonitu do 23,3%
dla gliny G 4), to w przypadku cieczy organicznych, dla wszystkich próbek wartości utrzymują się na stosunkowo zbliżonym poziomie (od 45,3% dla kaolinitu nasyconego benzyną do 22,0% dla gliny G 4 nasyconej olejem napędowym). Redukcja wartości zależy przede wszystkim od składu mineralnego badanego gruntu. Zmiany są tym większe im więcej minerałów hydrofilnych zawiera grunt.
W układzie dwufazowym grunt – ciecz ropopochodna, analizowane iły i glina tracą cechy grun- tów spoistych i zachowują się jak nasycone cieczą drobnoziarniste grunty sypkie.
Brak spoistości gruntów nasyconych benzyną i olejem napędowym uniemożliwił wykonanie po- miarów granicy skurczalności. Metodyka badań ws wymaga przygotowania cylindrycznych próbek gruntu, które następnie w trakcie ich wysychania poddaje się wielokrotnemu ważeniu i pomiarom objętości w aparacie do oznaczania granicy skurczalności. Wobec braku spoistości pasty grunto- wej, czynności proceduralne powodowały zniszczenie próbek – kruszenie, rozsypywanie się.
Dlatego, aby scharakteryzować tę cechę gruntów zanieczyszczonych, przeprowadzono oznaczenia skurczu liniowego. Jest to parametr rzadziej wykorzystywany w praktyce inżynierskiej i mający zastosowanie głównie w przypadku gruntów mało spoistych.
Wyniki badań dowiodły, że grunty spoiste nasycone benzyną i olejem napędowym wykazują niewielkie lub zerowe zmiany objętości w procesie wysychania. Stwierdzono analogiczną jak dla wL tendencję ujednolicenia wartości Ls dla próbek zanieczyszczonych SR (od 0 do 2,6%) w stosunku do badań z wodą destylowaną (od 4% do 41%).
Na powierzchni próbek nasycanych benzyną i olejem napędowym zaobserwowano „ziarnistość”
masy gruntowej, która nie uwidaczniała się na powierzchni próbek nasycanych wodą destylowaną Rysunek 3 przedstawia ten efekt po badaniu skurczu liniowego próbek iłu illitowego, który jest prawdopodobnie wynikiem flokulacji cząstek gruntu w cieczach ropopochodnych. Pomimo, że ilościowo skurcz próbek nasycanych benzyną i olejem napędowym jest nieznaczny, to na ich po- wierzchniach pojawiły się drobne szczeliny. W przypadku zanieczyszczenia podłoża gruntowego, powstanie takich szczelin będzie otwierać drogę przepływu substancji zanieczyszczającej.
Rys. 3. Próbki iłu illitowego po badaniu skurczu liniowego
Analiza otrzymanych wyników pozwala stwierdzić, że w podłożu nasyconym SR skład mineral- ny i powierzchnia właściwa gruntu nie odgrywają decydującej roli w procesie adsorpcji.
Dla trzech minerałów o zróżnicowanej hydrofilności, wartości mierzonych parametrów kształtu- ją się na zbliżonym poziomie. Stwierdzono zarazem wykładniczą zależność pomiędzy zawartością frakcji iłowej a spadkiem wartości wL gruntu nasyconego benzyną oraz olejem w stosunku do war- tości otrzymanych z wodą destylowaną (rys.4). Obie funkcje wykazują bardzo silną zależność o wysokim współczynniku korelacji R=0,92.Wyraźne związki korelacyjne jak również zróżnicowa- nie wartości parametrów dla iłu i gliny wskazują, że uziarnienie gruntu jest głównym czynnikiem kształtującym otrzymane wyniki.
z benzyną
z olejem napędowym z wodą destylowaną
y = 0,1382e0,0711x R = 0,92
y = 0,2333e0,0629x R = 0,92
0 50 100 150 200 250
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Zawartość fi [%]
wL H2O - wL B/ON[%]
wL H20 - wL B wLH20 - wLON Wykł. (wLH20 - wLON) Wykł. (wL H20 - wL B)
Rys. 4. Zależność różnicy wartości granicy płynności badanych iłów wzorcowych i gruntów spoistych nasyconych wodą destylowaną oraz benzyną i olejem napędowym od zawartości frakcji iłowej;
wLH2O – wLB – różnica wartości granicy płynności gruntu nasyconego wodą destylowaną oraz benzyną;
wLH2O – wLON – różnica wartości granicy płynności gruntu nasyconego wodą destylowaną oraz olejem napędowym
Wartości granic konsystencji odzwierciedlają zdolności sorpcyjne gruntów spoistych względem cieczy nasycających. Ponieważ niepolarne cząstki węglowodorów są adsorbowane jedynie na powierzchniach szkieletu mineralnego, to w badaniach modelowych układu dwufazowego grunt spoisty – ciecz ropopochodna odnotowano utratę spoistości, plastyczności gruntu, spadek wartości wL i Ls. Największe różnice odnotowano dla bentonitu (montmorillonitu sodowego). Ił ten charak- teryzuje się niezwykle rozbudowaną powierzchnią właściwą (ok. 750·103 m2/kg), która jednak nie uaktywnia się w pełni w oddziaływaniach z cieczami niepolarnymi.
3. Wnioski końcowe
W oparciu o przeprowadzone badania można stwierdzić, że zanieczyszczenia ropopochodne mogą zmienić w znacznym stopniu pierwotne właściwości gruntów spoistych.
Dokonujące się zmiany składu granulometrycznego gruntów poddanych zanieczyszczeniom ro- popochodnym w kierunku zwiększenia frakcji pyłowej i zmniejszania frakcji iłowej i piaskowej mają istotne znaczenie dla własności filtracyjnych gruntów i wartości parametrów cech mecha- nicznych. W podłożach pylastych i gliniastych zawartość frakcji piaskowej i iłowej może ulec redukcji o kilkadziesiąt procent. Wielkość zmian w podłożu zależeć będzie od czasu penetracji zanieczyszczeń, ich stężenia oraz zawartości minerałów ilastych w gruncie.
Wyraźne zmiany na skutek zanieczyszczeń ropopochodnych zaznaczają się w wartościach granic konsystencji i skurczalności gruntów. Redukcja wartości granicy płynności oraz skurczu liniowego jest tym większa, im większa jest zawartość frakcji iłowej w gruncie.
W układzie dwufazowym grunt – ciecz ropopochodna, analizowane iły i gliny tracą cechy gruntów spoistych i zachowują się jak nasycone cieczą drobnoziarniste grunty sypkie. Skład mine- ralny , który odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu właściwości gruntów spoistych, w podłożu zanieczyszczonym niepolarnymi związkami organicznymi nie wpływa w istotny sposób na parametry konsystencji gruntu.
Zmiany w składzie granulometrycznym i zmiany spoistości gruntów poddanych zanieczyszcze- niom ropopochodnym wpływają na obniżenie wartości parametrów geotechnicznych, odpowie- dzialnych za wytrzymałość i odkształcalność ośrodka gruntowego, zmieniając jego właściwości ja- ko podłoża budowlanego.
Ponadto, długotrwała infiltracja zanieczyszczeń ropopochodnych przez warstwę gruntów spoistych może zmniejszyć lub wykluczyć przydatność tych gruntów jako nieprzepuszczalnej bariery ochronnej dla wielu zbiorników wód podziemnych. Fakt ten należy uwzględniać przy projektowaniu konstrukcji barier uszczelniających podłoże w przypadku lokalizacji zbiorników paliw płynnych i składowisk odpadów.
Literatura
[1] Izdebska-Mucha D.,Wpływ benzyny i oleju napędowego na właściwości deformacyjne mono- mineralnych iłów wzorcowych oraz gruntów spoistych, Rozprawa doktorska, Uniwersytet Warszawski,2003.
[2] Izdebska-Mucha D.,Wpływ zanieczyszczeń ropopochodnych na wybrane geologiczno-inży- nierskie właściwości gruntów spoistych,. Przegląd Geologiczny, 2005, 9, 766-769.
[3] Kaya A.,Fang H.-Y.,The effects of organic fluids on physicochemical parameters of fine-grai- ned soils, Canadian Geotechnical Journal, 2000, 37, 943-950.
[4] Herzig J., Wpływ zanieczyszczeń organicznych na wybrane parametry fizyczne gruntów spo- istych, Inżynieria Morska i Geotechnika, 2001, 3, 141-143.
[5] Korzeniowska-Rejmer E., Evaluation of the degree of ground and ground water contamination with oil-related substances in the aspect of land reclamation, Proceedings of GREEN 2, The Second International Symposium on Geotechnics Related to the Environment, Krakow, Po- land, 8-11 September,1997.Thomas Telford, London, 1998, 28-33.
[6] Korzeniowska-Rejmer E.,Wpływ zanieczyszczeń ropopochodnych na charakterystykę geotech- niczną gruntów, stanowiących podłoże budowlane, Inżynieria Morska i Geotechnika, 2001, 2, 83-87.
[7] Korzeniowska-Rejmer E, Motak E., Wpływ zanieczyszczeń substancjami ropopochodnymi podłoża gruntowego na nośność fundamentów bezpośrednich i ścian oporowych, Materiały Międzynarodowego Sympozjum Naukowo-Szkoleniowego, Wyd. Arka Konsorcjum, Poznań, 1995.
[8] Lupa H., Sałaciak A., Wpływ zanieczyszczenia olejami mineralnymi na własności fizyko- wodne gruntu, Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej, 1975, 45, 47-57.
[9] Srivastawa R.K. Pandey V., D., Geotechnical evaluation of oil contaminated soil. Proceedings of GREEN 2, The Second International Symposium on Geotechnics Related to the Environ-
ment, Krakow, Poland, 8-11 September,1997. Thomas Telford, London, 1998, 204-209.
[10] Theng B.,K.,G., The chemistry of clay-organic reactions, Adam Hilger, London,1974.
[11] Surygała J., i inni, Zanieczyszczenia naftowe w gruncie. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2000.
[12] Herzig J., Rybicki S., Influence of chemical pollutants on some geotechnical properties of typical soils from Poland. Proceedings of GREEN 2, The Second International Symposium on Geotechnics Related to the Environment, Krakow, Poland, 8-11 September,1997.Thomas Telford, London, 1998, 228-233.
[13] Stegeman W., Die Umbenuzung des Untergrundes durch Mineralöleinwirkungen, Wasser-Ab- wasser, 1976, 6.
[14] Ministerstwo Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa, Departament Geologii, Wskazówki metodyczne badań na terenie istniejących obiektów magazynowania i dystrybucji paliw w celu sporządzenia oceny oddziaływania na środowisko,Warszawa,1994.
[15] Zimmermann W., Mineralöle im Boden und Grundwasser, Oldenburg, 1974.
[16] Wyrwicki R., Analiza derywatograficzna skał ilastych, Wyd. Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa,1988.
[17] Wyrwicki R., Analiza derywatograficzna,[w:],Kościuszko H., Wyrwicki R.,(red.), Metodyka badań kopalin ilastych, PIG, Warszawa-Wrocław, 1996.
[18] Myślińska E., Laboratoryjne badania gruntów, PWN, Warszawa,2001.
[19] Head K.,Manual of soil laboratory testing, Vol.1:Soil classification and compaction tests, Lon- don, 1992.
