Wpływ kolmatacji zawiesiną iłową na wodoprzepuszczalność wybranych geosyntetyków
Impact of silting-up with fine clay slurry on water permeability of selected geosynthetic materials
Kolmatacja zawiesiną iłową
Foliarex
Warstwy przejściowe w konstrukcjach drenaży mają przeciwdziałać wynoszeniu przez wodę drobnych frakcji gruntu. Geotekstylia zabudowane w takich miejscach podlegają kolmatacji materiałem wynoszonym z przepływającą wodą. Określenie zmiany przepływu takiego wyrobu jest istotne dla poprawności działania systemu.
Zobacz także
PPHU POLSTYR Zbigniew Święszek Styropian vs. inne materiały izolacyjne – dlaczego warto postawić na to rozwiązanie?
Styropian to popularny materiał termoizolacyjny, który może być wykorzystany do skutecznego ocieplenia wszystkich przegród budynku i to niezależnie od jego przeznaczenia. Można go stosować do izolacji...
Styropian to popularny materiał termoizolacyjny, który może być wykorzystany do skutecznego ocieplenia wszystkich przegród budynku i to niezależnie od jego przeznaczenia. Można go stosować do izolacji ścian zewnętrznych, podłóg, fundamentów, dachów skośnych czy płaskich, a także parkingów.
Alve Drabiny Praktyczne zastosowania drabiny aluminiowej w domu i ogrodzie
W każdym domu i ogrodzie drabina to absolutnie podstawowe narzędzie, przydające się do niezliczonej ilości zadań. Na uwagę zasługują tu zwłaszcza drabiny aluminiowe ze względu na swoje zalety – lekkość,...
W każdym domu i ogrodzie drabina to absolutnie podstawowe narzędzie, przydające się do niezliczonej ilości zadań. Na uwagę zasługują tu zwłaszcza drabiny aluminiowe ze względu na swoje zalety – lekkość, uniwersalność, wytrzymałość i mobilność. Poznajmy praktyczne zastosowania tego rodzaju drabiny w domu i ogrodzie!
Paroc. Polska Sp. z o.o. Izolacja budynku – sprawdzony sposób na osiągnięcie komfortu cieplnego
Nadmierne upały potrafią uprzykrzyć życie. Szukając sposobów na przetrwanie gorących dni, wiele osób sięga po klimatyzację, która – choć jest skuteczna – wiąże się z dużym zużyciem energii, a co za tym...
Nadmierne upały potrafią uprzykrzyć życie. Szukając sposobów na przetrwanie gorących dni, wiele osób sięga po klimatyzację, która – choć jest skuteczna – wiąże się z dużym zużyciem energii, a co za tym idzie – wysokimi kosztami eksploatacji. Istnieje jednak alternatywne rozwiązanie, które nie tylko pomaga utrzymać przyjemny chłód latem, ale również przynosi wymierne korzyści zimą. Mowa o izolacji budynków wełną kamienną – materiałem, który zaskakuje swoją wszechstronnością i efektywnością. W poniższym...
Nazwa geosyntetyki obejmuje wiele różnych materiałów stosowanych w inżynierii lądowej i wodnej do polepszenia różnorakich właściwości gruntów wbudowywanych w konstrukcje ziemne oraz budowli współpracujących z podłożem gruntowym.
W praktyce inżynierskiej stosuje się różne typy produktów geosyntetycznych, najczęściej klasyfikowanych ze względu na spełniane funkcje, zadania, zastosowane surowce, przeznaczenie, technologię produkcji itp. Jako podstawowe kryterium produktów geosyntetycznych przyjmuje się zdolność do przepuszczania substancji ciekłych (płynnych i gazowych) [1, 2].
Charakterystyka zastosowanych materiałów
Do badań wytypowano dwa rodzaje geosyntetyków - geowłókninę i bentomatę.
Geotekstylia (np. geowłókniny, geodzianiny, geotkaniny) i produkty pokrewne są tworzywami polimerycznymi, przepuszczalnymi [1, 2]. Ich istotną cechą jest znikoma sztywność, co odróżnia je od innych materiałów budowlanych stosowanych w geotechnice [3].
Maty bentonitowe GCL (geosyntetic clay liner) łączą zalety materiałów tekstylnych i naturalnych (iłów). Zazwyczaj wyrób składa się z dwóch warstw zewnętrznych geotekstylnych oraz środkowej bentonitowej. Warstwy zewnętrze to geotkaniny lub geowłókniny połączone zwykle włóknami syntetycznymi metodą igłowania. Spełniają funkcje bariery nieprzepuszczalnej.
W TABELI 1 zamieszczono podstawowe dane techniczne zastosowanych materiałów. Wyroby różnią się parametrami fizycznymi oraz mechanicznymi.
TABELA 1. Podstawowe dane techniczne badanych geosyntetyków
|
Geowłókninę separacyjną o gramaturze 150 g·m–2, koloru białego wykonano z polipropylenu (PP) bez dodatku surowca z recyklingu. Ten typ materiału stosowany jest w budownictwie ziemnym - zabezpiecza warstwy gruntowe z różnych materiałów przed mieszaniem się, a jednocześnie umożliwia przepływ filtracyjny. Stosuje się go w budownictwie drogowym i kolejowym. Służy do oddzielania warstw konstrukcyjnych nasypów. Mata bentonitowa jest geosyntetyczną barierą uszczelniającą wykonaną na bazie proszkowanego bentonitu sodowego mającego zastosowanie w budownictwie ziemnym, wodnym i ochronie środowiska [4, 5]. Bentonit sodowy to skała osadowa, której głównym składnikiem jest minerał iłowy montmorylonit [6]. Do badań wykorzystano matę gr. 6,0 mm, składającą się z 3 warstw: geotkaniny o włóknach tasiemkowych w splocie płóciennym gr. 0,4 mm, warstwy bentonitu sodowego gr. 4,6 mm oraz geowłókniny igłowanej gr. 1,0 mm. Warstwy te połączono mechanicznie metodą igłowania, umożliwiającą ścisłe osadzenie bentonitu między geosyntetykami. Charakterystyka materiału gruntowegoNaturalny grunt mineralny służący do kolmatacji pochodzi z odkrywki zlokalizowanej na terenie Pogórza Wielickiego. Aby określić podstawowe właściwości fizyczne, wykonano oznaczenie składu granulometrycznego metodą sitową "na mokro" cząstek ≥ 0,063 mm i areometryczną cząstek < 0,063 mm, gęstości właściwej w kolbie miarowej oraz wilgotności optymalnej i maksymalnej gęstości objętościowej szkieletu w aparacie Proctora. Zastosowano standardową energię zagęszczania 0,59 J×cm–3. |
Abstrakt |
W artykule opisano wyniki badań ściśliwości nawodnionych próbek geowłókniny i bentomaty. Odniesiono się do obowiązującej metodyki normowej, a także zaproponowano własne rozwiązanie badawcze. Przedstawiono badania współczynnika wodoprzepuszczalności geosyntetyków. Zbadano również wodoprzepuszczalność z zastosowaniem zawiesiny wodno-gruntowej posiadającej zdolności kolmatujące.The article discusses the results of compressibility testing of water saturated samples of geotextile and bentonite mat. Reference is made to the applicable standard methodology, and proprietary research solutions are proposed. The article presents tests of water absorption index for geosynthetic materials. In addition, water permeability was tested with the use of water and soil slurry with silting-up properties. |
Grunt zawiera ponad 30% cząstek odpowiadających frakcji piaskowej, ponad 48% ziaren odpowiadających frakcji pyłowej, ok. 21,5% odpowiadających frakcji iłowej, nie zawiera okruchów odpowiadających frakcji żwirowej (TABELA 2).
Pod względem geotechnicznym według normy PN-EN ISO 14688-2:2006 [16] uziarnienie mieszaniny odpowiada iłom piaszczysto-pylastym. Z kolei wartości parametrów zagęszczalności, tj. maksymalna gęstość objętościowa i wilgotność optymalna, wyniosły odpowiednio 1,44 g × cm–3 i 26,55%, co odpowiada wartościom charakterystycznym dla gruntów mineralnych.
Zakres i metodyka badań
Badania podzielono na trzy etapy. W pierwszym przeprowadzono badania ściśliwości nawodnionych próbek geowłókniny i bentomaty. W drugim wykonano badania współczynnika wodoprzepuszczalności wymienionych geosyntetyków. W trzecim badano wodoprzepuszczalność, ale zamiast czystej wody zastosowano zawiesinę wodno-gruntową posiadającą zdolności kolmatujące.
Badania ściśliwości nawodnionych próbek geowłóknin i bentomat
Geosyntetyki zabudowane w gruncie podlegają obciążeniom wywołanym przez zalegające wokół masy gruntowe. Podczas analizy współpracy geosyntetyków z materiałem gruntowym należy uwzględnić parcie gruntu powodujące ściskanie materiałów geosyntetycznych.
Badanie ściśliwości geowłókniny i bentomaty przeprowadzono w edometrach. Ze względu na to, że wartości odkształceń własnych edometru były niewielkie, pominięto je w dalszych obliczeniach.
W TABELI 3 przedstawiono wartości modułów ściśliwości w odpowiednich zakresach obciążeń. Badania ściśliwości wykonano na próbkach nawodnionych (zalanych wodą).
W przypadku geowłókniny w pierwszym przedziale obciążeń 0-12,5 wartość modułu ściśliwości wynosi 0,078 MPa. W następnych przedziałach moduły ściśliwości wzrastają i osiągają w ostatnim z przyjętych przedziałów obciążeń 200-400 wartość 0,463 MPa.
W odniesieniu do bentomaty w pierwszym przedziale obciążeń 0-12,5 moduł ściśliwości wynosi 0,336 MPa, natomiast w przedziale 200-400 kPa ma wartość 2,688 MPa. Wyższe wartości modułów ściśliwości dla bentomaty w odniesieniu do geowłókniny (dla tych samych zakresów obciążeń) świadczą o mniejszej ściśliwości tego materiału.
Na RYS.1, RYS. 2, RYS. 3 i RYS. 4 przedstawiono krzywe konsolidacji oraz wykresy ściśliwości badanych materiałów.
 |
 |
| RYS. 1. Krzywe konsolidacji geowłókniny; rys.: archiwa autorów |
RYS. 2. Wykres ściśliwości geowłókniny; rys.: archiwa autorów |
 |
 |
RYS. 3. Krzywe konsolidacji bentomaty; rys.: archiwa autorów |
RYS. 4. Wykres ściśliwości bentomaty; rys.: archiwa autorów |
Na RYS. 1 i RYS. 3 przedstawiono przebieg osiadań w czasie w odniesieniu do poszczególnych stopni obciążeń. Krzywe konsolidacji geowłókniny i bentomaty mają płynny przebieg.
Jak można zauważyć, dla większych obciążeń wystąpiły większe osiadania, wykazujące tendencję do stabilizacji.
Wraz ze wzrostem obciążenia oraz wydłużeniem czasu badania osiadania maleją (RYS. 2 i RYS. 4). Świadczą o tym wzrastające moduły ściśliwości (TABELA 3), wynikające ze zmniejszenia się osiadań w odpowiednich zakresach obciążeń.
TABELA 3. Wartości modułów ściśliwości geowłókniny i bentomaty w poszczególnych zakresach obciążeń
Badanie współczynnika wodoprzepuszczalności geowłókniny i bentomaty
Celem badania było określenie wartości współczynnika filtracji geosyntetyków przy następujących obciążeniach: 12,5 kPa, 25 kPa, 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa i 400 kPa. Badanie wykonano przy zmiennym spadku hydraulicznym ze względu na większą dokładność tej metody w odniesieniu do badania ze stałym spadkiem. Z powodu wyraźnego spadku wodoprzepuszczalności w trakcie badania przyjęto różne zakresy czasu pomiaru.
Zakłada się, że przepływ wody przez geosyntetyki będzie odbywał się ruchem laminarnym. Zalecana wartość krytyczna prędkości filtracji wody poza granicami, której prawo Darcy’ego nie znajduje zastosowania, wynosi Vk ≤ 3,5∙10–2 m/s [19].
Wodoprzepuszczalność geowłókniny
Z zestawionych średnich wartości współczynnika filtracji k10 (TABELA 4) wynika, że wodoprzepuszczalność geowłókniny maleje wraz ze wzrostem obciążenia. Średnia wartość współczynnika k10 obciążenia 12,5 kPa wynosi 2,23∙10–4 m/s, natomiast przy obciążeniu 400 kPa – 9,18∙10-7 m/s.
TABELA 4. Średnie wartości współczynnika filtracji badanych geosyntetyków
Wartość współczynnika wodoprzepuszczalności k10 dla gruntów mineralnych żwirowo-piaszczystych, stosowanych na warstwę drenażową powinna być większa niż 1,0∙10–4 m/s [20].
Z analizy otrzymanych wyników badań i wymaganych wartości współczynnika k10 dla żwirów i piasków oraz geowłóknin stosowanych na drenaż wodny wynika, że przebadana gewłóknina przy obciążeniu większym niż 12,5 kPa nie może spełniać funkcji drenażowej dla rurociągów drenażowych. Powodem jest zbyt mała wartość współczynnika wodoprzepuszczalności geowłókniny, dochodząca przy 400 kPa do 9,18∙10–7 m/s.
Wodoprzepuszczalność bentomaty
Jeśli analizuje się średnie wartości współczynnika filtracji k10 bentomaty (TABELA 4), można zaobserwować tendencję do spadku wodoprzepuszczalności wraz ze wzrostem obciążenia. Średnia wartość współczynnika k10 przy najmniejszym stopniu obciążenia 12,5 kPa wynosi 7,36∙10–6 m/s, natomiast przy obciążeniu 400 kPa – 8,35∙10–11 m/s.
Wartość współczynnika wodoprzepuszczalności k10 gruntów mineralnych stosowanych jako warstwy uszczelniające składowisk odpadów nie powinna być większa niż 1∙10–9 m/s. Badany materiał geosyntetyczny spełnia funkcje bariery nieprzepuszczalnej w warunkach obciążenia oraz aktywacji, czyli uwodnienia bentonitu zawartego w macie bentonitowej.
Badanie współczynnika wodoprzepuszczalności geowłókniny poddanej kolmatacji
Badanie miało określić, czy i w jakim stopniu zmieni się współczynnik filtracji badanych geosyntetyków, jeśli nastąpi kolmatacja.
Badanie kolmatacji geowłókniny wykonano przy następujących obciążeniach: 12,5 kPa, 25 kPa, 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa i 400 kPa. W przypadku bentomaty przyjęto obciążenia: 12,5 kPa, 50 kPa, 100 kPa.
Badanie filtracji zakolmatowanej geowłókniny wykonano metodami przy stałym i zmiennym spadku hydraulicznym. Kolmatację bentomaty przeprowadzono przy stałym spadku hydraulicznym. Z powodu wyraźnego spadku wodoprzepuszczalności materiału przyjęto różne zakresy czasu pomiaru.
Na podstawie analizy średnich wartości współczynnika k10 przed kolmatacją i po kolmatacji (TABELA 5) można zauważyć wyraźny spadek współczynnika k10 geowłókniny zakolmatowanej zawiesiną bentonitową wraz ze wzrostem obciążenia.
TABELA 5. Zestawienie średnich wartości współczynników wodoprzepuszczalności (k10) geowłókniny przed kolmatacją i po kolmatacji
Wartości współczynnika filtracji zakolmatowanej geowłókniny wahają się w granicach od 7,75∙10–6 m/s (12,5 kPa) do 3,96∙10–9 m/s (400 kPa).
Współczynnik filtracji kolmatowanej geowłókniny zmniejszył się od 96% do prawie 100% w porównaniu z początkową wartością współczynnika filtracji wyrobu o strukturze pierwotnej. Wyraźne zmniejszenie wartości współczynnika k10 świadczy o zatykaniu porów geowłókniny drobnymi cząsteczkami gruntu.
Badanie współczynnika wodoprzepuszczalności bentomaty poddanej kolmatacji
W TABELI 6 zestawiono średnie wartości współczynnika wodoprzepuszczalności k10 bentomaty przed kolmatacją i po kolmatacji. Widać zmniejszenie wartości współczynnika k10 zakolmatowanej maty bentonitowej. Należy zaznaczyć, że bentomata przed pomiarem wartości współczynnika pęczniała 7 dni pod obciążeniem 12,5 kPa, co zapewne miało wpływ na zmniejszenie wartości współczynnika k10.
TABELA 6. Zestawienie średnich wartości współczynnika wodoprzepuszczalności (k10) bentomaty przed kolmatacją i po kolmatacji
Wartości współczynnika filtracji bentomaty kolmatowanej zawiesiną bentonitową w odniesieniu do wszystkich przyjętych obciążeń wahają się od 4,31∙10–9 m/s do 2,47∙10–11 m/s. Wartość współczynnika filtracji zmniejszyła się od 83% do prawie 100% w stosunku do początkowej wartości współczynnika k10. Przebadane materiały wykazują spadek współczynnika wodoprzepuszczalności k10 podczas kolmatacji zawiesiną bentonitową.
Podsumowanie
Badania ściśliwości geowłókniny i bentomaty przeprowadzone w edometrze wykazują, że ze wzrostem obciążenia oraz wydłużeniem czasu badania osiadania nie maleją.
Moduł ściśliwości geowłókniny zawiera się w przedziale 0,078–0,463 MPa, a bentomaty 0,336-2,688 MPa.
Wyższe wartości Mo bentomaty w stosunku do geowłókniny świadczą o mniejszej ściśliwości, czyli podatności materiału na zmniejszanie wysokości pod wpływem przyłożonego obciążenia.
Wartość współczynnika filtracji geowłókniny i bentomaty maleje wraz ze wzrostem obciążenia. Dla geowłókniny zmniejsza się od 2,23∙10–4 (12,5 kPa) do 9,18∙10–7 m/s (400 kPa). W odniesieniu do bentomaty odpowiednio 7,36∙10–6-8,35∙10–11 m/s.
Przeprowadzona w warunkach laboratoryjnych filtracja z wykorzystaniem zawiesiny wodno-gruntowej spowodowała zmniejszenie przepływu przez badane geosyntetyki. W wyniku kolmatacji zawiesiną gruntową na próbce geowłókniny osadziło się 0,08 g cząstek gruntowych, natomiast na bentomacie - 1,31 g.
Wartości współczynnika k10 kolmatowanej geowłókniny w odniesieniu do całego zakresu obciążeń (12,5–400kPa) wahają się w granicach 7,75∙10–6 -3,96∙10–9 m/s.
Wartości współczynnika filtracji kolmatowanej geowłókniny zmniejszyły się praktycznie o 100% w stosunku do początkowej wartości k10.
Wartości współczynnika k10 kolmatowanej bentomaty całego zakresu obciążeń (12,5–100 kPa) wahały się w granicach 4,31∙10–9-2,47∙10–11 m/s, a procentowe zmniejszenie wyniosło od 83% do prawie 100%.
Literatura
1. A. Wesolowski, Z. Krzywosz, T. Brandyk, "Geosyntetyki w konstrukcjach inżynierskich", SGGW, Warszawa 2000.
2. J. Kołodziejczyk, B. Zadroga, "Właściwości hydrauliczne geosyntetyków", konferencja naukowo-techniczna, Gdańsk 1994.
3. M. Cholewa, T. Zydroń, Ł. Pelc, "Badania wybranych parametrów wytrzymałości geowłóknin ułożonych na podłożu odkształcalnym i nieodkształcalnym", "Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich", 1/IV/2013, s. 129–141.
4. M. Cholewa, R. Job, "Wytrzymałość na przebicie geosyntetycznych przesłon uszczelniających", "Górnictwo i Geoinżynieria", Wyd. AGH, Kraków 2011, z. 2, s. 149–156.
5. M. Borowa, K. Garbulewski, "Wykładziny bentonitowe (GCL) jako element uszczelnienia składowisk odpadów", "Gospodarka Wodna", cz. I, nr 7/2000, s. 270-275, cz. II, nr 8/2000, s. 305–309.
6. L. Wysokiński, "Aktualne problemy budowy, modernizacji i rekultywacji składowisk odpadów komunalnych", konferencja naukowo-techniczna, Wisła 1997.
7. DIN EN ISO 7046-2:2011-12, Senkschrauben (Einheitskopf) mit Kreuzschlitz Form H oder Form Z - Produktklasse A - Teil 2: Schrauben aus Stahl mit Festigkeitsklasse 8.8, aus nichtrostendem Stahl und aus Nichteisenmetalle
8. DIN EN 964-1:1995-05, "Geotextilien und geotextilverwandte Produkte. Bestimmung der Dicke unter festgelegten Drücken. Teil 1: Einzellagen".
9. DIN EN ISO 10319:2008, "Geokunststoffe - Zugversuch am breiten Streifen".
10. ASTM-D4595, "Standard Test Method for Tensile Properties of Geotextiles by the Wide-Width Strip Method".
11. DIN EN ISO 12236:2006-11, "Geokunststoffe. Stempeldurchdrückversuch".
12. DIN EN 60500, "Geotextilien und geotextil verwandte Produkte".
13. DIN EN ISO 12956, "Geotextilien und geotextil verwandte Produkte. Bestimmung der charakteristischen Öffnungsweite".
14. DIN EN ISO 18130, "Baugrund. Untersuchung von Bodenproben. Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts".
15. ASTM-D5887, "Standard Test Method for Measurement of Index Flux Through Saturated Geosynthetic Clay Liner Specimens Using a Flexible Wall Permeameter".
16. PN-EN ISO 14688-2:2006, "Badania geotechniczne. Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów. Część 2: Zasady klasyfikowania".
17. PN-EN ISO 14688-1:2006, "Badania geotechniczne. Oznaczanie i klasyfikowanie gruntów. Część 1: Oznaczanie i opis".
18. PKN-CEN ISO/TS 17892-4:2009, "Badania geotechniczne. Badania laboratoryjne gruntów. Część 4: Oznaczanie składu granulometrycznego".
19. C.C. Huang, Y.S. Tzeng, C.J. Liao, "Laboratory Tests for Simulating Abrasion Damage of a Woven Geotextile”, “Geotextiles and Geomembranes", V 25, 4–5/2007, s. 293–301.
20. PN-EN 13251:2002/A1:2006, "Geotekstylia i wyroby pokrewne. Właściwości wymagane w odniesieniu do wyrobów stosowanych w robotach ziemnych, fundamentowaniu i konstrukcjach oporowych".
21. A. Sawicki, M. Kulczykowski, Bogdanowicz, K. Kazimierowicz-Frankowska, "Geosyntetyki w inżynierii lądowej i wodnej", Instytut Budownictwa wodnego PAN, Gdańsk 1999.
22. B. Zadroga, "Zastosowanie geosyntetyków do konstrukcji uszczelnień składowisk odpadów", konferencja naukowo‑techniczna, Gdańsk 1994.
23. Materiały informacyjne firmy Naue GmbH&Co.KG, Lübbecke 2008.
