WPŁYW METODY BADAŃ UZIARNIENIA OSADÓW POFLOTACYJNYCH NA OCENĘ ICH PRZYDATNOŚCI W BUDOWNICTWIE ZIEMNYM

Transkrypt

1 Inżynieria Ekologiczna Ecological Engineering Vol. 46, Feb. 2016, p DOI: / /61473 WPŁYW METODY BADAŃ UZIARNIENIA OSADÓW POFLOTACYJNYCH NA OCENĘ ICH PRZYDATNOŚCI W BUDOWNICTWIE ZIEMNYM Magdalena Walczak 1 1 Intytut Budownictwa i Geoinżynierii, Uniwerytet Przyrodniczy w Poznaniu, ul. Wojka Polkiego 28, Poznań, e-ail: walczak@up.poznan.pl STRESZCZENIE W pracy przedtawiono porównanie wyników laboratoryjnych badań rozkładu uziarnienia oadów poflotacyjnych, pochodzących z proceu wzbogacania rudy iedzi. Zaprezentowano również wyniki analizy tatytycznej paraetrów uziarnienia, na podtawie której wykazano tatytycznie itotne różnice w ocenie uziarnienia oadów zbadanych różnyi etodai. Badania przeprowadzono tandardowyi etodai itowyi przeiewania i przeywania urobku pozykanego z tej aej próby. Dobór właściwej etodyki i procedury badawczej deterinowany jet zawze analizą wtępną akrokopowego rozpoznania ośrodka gruntowego. Prawidłowo określony rozkład uziarnienia gruntu a bowie zaadniczy wpływ na jego klayfikację i dalej na ocenę przydatności w budownictwie zieny. Proble ten nabiera więkzego znaczenia w przypadku gruntów antropogenicznych, które ogą być wykorzytywane do kontrukcji zapór lub uzczelniania kontrukcji hydrotechnicznych. W ujęciu praktyczny, znajoość ograniczeń wynikających z zatoowania danej etody, uniezależnia od błędnego wniokowania o wynikach badań. Dokonale zagadnienie to zilutrować ożna na przykładzie doboru etody łużącej ocenie paraetrów oraz rozkładów uziarnienia gruntów. Słowa kluczowe: oady poflotacyjne, analiza granuloetryczna, etody itowe. THE EFFECT OF GRAIN SIZE ANALYSIS FOR POSTFLOTATION SEDIMENTS ON ASSESSMENT OF THEIR APPLICABILITY IN EARTH STRUCTURE CONSTRUCTION ABSTRACT Thi paper preent the coparion of the reult of laboratory tet of potflotation edient grain ize ditribution, originating fro the copper ore flotation proce. The paper alo preent the reult of tatitical analyi conducted on grain ize paraeter. Statitically ignificant difference were hown in the aeent of grain ize ditribution, which reult fro the election of the reearch procedure. A coparion of reult recorded for wet and dry ieving ethod wa conducted within a group of the ae aple of potflotation depoit. The election of an appropriate reearch ethod and procedure hould alo be preceded by a thorough analyi and preliinary deterination of the oil ediu. A correctly deterined grain ize ditribution i eential for it further claification and then, through grain ize criteria, for the aeent of uitability of the analyed aterial in earth tructure contruction. Thi proble i of even greater iportance in the cae of anthropogenic oil, which are ued to contruct da or eal hydroengineering tructure. In practical ter knowledge on the liitation reulting fro the application of a given ethod prevent erroneou concluion on reearch reult. Thi proble ay be perfectly illutrated baed on the election of a ethod aeing paraeter and oil grain ize ditribution. Keyword: potflotation edient, grain ize analyi, ieving ethod. WSTĘP Gopodarka odpadai przeyłu górniczego, zgodna z obowiązującyi regulacjai prawnyi, tanowi priorytet dla właściwej ekploatacji obiektu uniezkodliwiania odpadów wydobywczych. Na zczególną uwagę załuguje kwetia ożliwości ponownego wykorzytania kładowanych, w zaadzie obojętnych dla środowika odpadów. Właśnie w tego rodzaju grupie odpadów częto iezczą ię odpady poflotacyjne, które wyróżnia kryteriu ilościowe oraz różnorodność uziarnienia. Takie cechy uzależnione ą od iejca i technologii wytwarzania odpadów 121

2 [Tchuchke et al. 2015, b]. Wykorzytanie odpadów poflotacyjnych, jako ateriału przydatnego w budownictwie zieny, wyaga określenia jego właściwości fizyczno-echanicznych. Możliwości powtórnego wykorzytania uzależnione ą także od rodzaju i wyagań kontrukcji, do budowy której ateriał oże być użyty. Punkte wyjścia do doboru etodyki badawczej jet także foralny podział gruntów. Podział ten wyróżnia grunty ineralne i antropogeniczne. Poddane analizie oady poflotacyjne, wpiujące ię w grunty antropogeniczne, cechują ię uziarnienie od iłów do piaków drobnych, w zależności od iejca ich deponowania. Znaczna część oadów wpiuje ię w grupę tzw. gruntów przejściowych, wykazujących z jednej trony cechy poitości, z drugiej trony nie kwalifikujących ię do próby wałeczkowania [Tchuchke 2006, 2013]. Podtawą do wyznaczenia paraetrów geotechnicznych gruntów jet określenie ich rodzaju poprzez identyfikację uziarnienia. Analizy edyentacyjne oraz itowe ą powzechnie toowanyi etodai oznaczania kładu granuloetrycznego, zarówno gruntów naturalnych, jak i antropogenicznych [Płokonka 2010]. Spośród laboratoryjnych etod badania uziarnienia wyróżnić należy grupy analiz itowych oraz edyentacyjnych. Optyalna etoda badania dobierana jet po wtępny, akrokopowy rozpoznaniu cech ośrodka gruntowego. Do badania gruntów niepoitych, w ty również zapylonych, najczęściej toowane ą tandardowe etody itowe. Badania za poocą etod itowych ogą polegać zarówno na przeiewaniu analiza itowa na ucho, jak i na przeywaniu analiza itowa na okro (PN-R-04032). Obydwie techniki, polegające na rozfrakcjonowaniu naważek Ry. 1. Lokalizacja obzaru badań Fig. 1. Study ite location wyuzonego do tanu powietrznie uchego, wtępnie rozdrobnionego echanicznie ośrodka, łużą określeniu rozkładu czątek i ziaren gruntu. Nieniej jednak etody te wykazują itotne różnice, zwłazcza w zakreie najdrobniejzej frakcji, co prowadzi niejednokrotnie do różnej oceny rodzaju gruntu. Cele pracy było wkazanie różnic w wynikach analizy uziarnienia tych aych prób oadów, wykonanych za poocą dwóch etod itowych, na ucho i na okro, oraz wykazanie tatytycznie itotnych różnic poiędzy wynikai otrzyanyi z obydwu badań. MATERIAŁ I METODY Poddany analizie ośrodek gruntowy, będący urobkie poflotacyjny, należy do grupy gruntów antropogenicznych. Klayfikowany jet jako przeiezczony i nienaturalny. Według zaleceń Polkiej Nory PN-EN ISO klayfikowany powinien być zgodnie z wyaganiai krajowyi (PN-EN ISO ). Urobek ten uzykany zotał z rudy iedzionośnej łupków, doloitów i pokładów piakowca, co deterinuje orfologię, w ty otrokrawędzitość ziaren i czątek oadów [Tchuchke et al. 2015b]. Takie cechy odpadów, związane z ich wyjściową orfologią, warunkują właściwości echaniczne ateriału. Oady charakteryzują ię anizotropią, wyoką zawartością frakcji najdrobniejzych (< 0,063 ), częto wyoką wapnitością 10% < CaCO 3 < 50%, średnią wilgotnością naturalną (w n 20%), barwą zarą oraz zawartością etali ciężkich. Analizowany ateriał pozykano z obiektu uniezkodliwiania odpadów wydobywczych, który zlokalizowany jet w południowo-zachodniej części Polki (ry. 1). Tego rodzaju odpady ogą być kładowane jako oad poflotacyjny lub też efektywnie wykorzytywane w budownictwie hydrotechniczny, zieny, rekultywacji, robotach inżynierkich, do budowy naypów, obwałowań, torowik, uzczelniania [Góralczyk 2011]. Najczęściej jednak odpady górnicze groadzone ą na kładowikach lub obiektach uniezkodliwiania odpadów wydobywczych i wtórnie wykorzytywane do rozbudowy oraz uzczelniania budowli hydrotechnicznych. Analizowane oady ą grawitacyjnie naywane na plażę kładowika, w wyniku czego dochodzi do naturalnego proceu egregacji edyentacyjnej. Podcza tego proceu grub- 122

3 ze frakcje odkładają ię w ąiedztwie iejca zrzutu odpadów (plaża), natoiat frakcje drobniejze pływają wraz z wodą po powierzchni plaży w kierunku centru zbiornika (taw nadoadowy) [Tchuchke et al. 2015a]. Pozwala to na utrzyanie plaż w prawidłowy nachyleniu oraz gwarantuje utrzyanie linii akwenu wód nadoadowych w odległości co najniej 200 od korony zapory. Scheatyczny przekrój kładowika przedtawiono na ryunku 2. Oady o najgrubzy uziarnieniu, zakuulowane w obrębie plaż kładowika, wykorzytywane ą do nadbudowy korpuu tatycznego zapory. W ujęciu toowanej intrukcji kontroli jakości forowania obwałowań, oady użyte do nadbudowy uzą pełniać.in. natępujące kryteria: kryteriu zagęzczenia I D > 0,70, kryteriu uziarnienia d 10 > 0,05. Wytypowanyi gruntai, poddanyi badanio laboratoryjny, były oady poflotacyjne pobrane w potaci rdzeni o nienaruzonej trukturze, za poocą próbnika typu MOSTAP (ry. 3). Rdzenie oadów o długości 1 i średnicy 65 pobierano z profilu z czętotliwością co drugi etr przyrotu głębokości. Materiał oadów, przeznaczony do badań, pobierany był do nylonowej pończochy, uiezczonej wewnątrz rury obadowej PCV. Bezpośrednio po pozykaniu rdzenia, pobrany ateriał w terenie był analizowany akrokopowo, dokuentowany fotograficznie i typowany do dalzych badań laboratoryjnych. Oady przygotowane i przebadane zotały zgodnie z zaleceniai obowiązujących nor (PN-R-04032, PN-88-B-04481, PN-EN ISO , PN-EN ISO ). Próbki oadów niepoitych, wykazujących jedynie pozorną pójność, zotały wyuzone w uzarce laboratoryjnej do tałej ay w teperaturze C i rozdrobnione w porcelanowy oździerzu. Oznaczona zotała wilgotność naturalna, gętość objętościowa i właściwa oraz zawartość węglanu wapnia. Uziarnienie oadów utalono na podtawie wyników analizy itowej, przeprowadzonej na ucho. Z uwagi na znaczne zapylenie oadów, analizę itową wykonano także etodą na okro, toując przeywanie naważki. Ry. 2. Scheatyczny przekrój kładowika: I oady grubze piaki drobnoziarnite, II trefa przejściowa pyły piazczyte, III zlay (doinujące frakcje pylate i ilate), [za Tchuchke et al. 2015, a] Fig. 2. Diagraatic cro-ection of dup: I coare tailing fine and, II interediate zone andy ilt, III dicharge (predoinate ilt and clay fraction) Ry. 3. Rdzeń oadów pobrany próbnikie MOSTAP Fig. 3. Sedient core with Motap apler 123

4 Metoda itowa na ucho polega na rozdzieleniu próbki gruntu na frakcje granuloetryczne w odpowiedni zetawie it laboratoryjnych. Zatoowano zetaw it o wyiarach otworów 2,0; 1,0; 0,5; 0,25; 0,10 oraz 0,063 z podkładką i przykrywką, a także wtrząarkę echaniczną oraz uzarkę laboratoryjną. Przygotowana wcześniej próbka o aie 200 g zotała przenieiona ilościowo na górne ito zetawu uiezczonego we wtrząarce echanicznej. Po wtrząaniu każdej próbki przez 5 inut zważono frakcje z pozczególnych it i obliczono procentową zawartość pozczególnych frakcji według wzoru (PN-R-04032): M f F = 100% (1) M gdzie: M f aa próbki na dany icie [g] M c ogólna aa próbki [g] c Analizę itową na okro, na tych aych próbach oadów, przeprowadzono ze względu na zauważalne zlepianie ię najniejzych czątek, wynikające ze znacznego zapylenia. W celu oddzielenia czątek frakcji pylatej i ilatej, naważkę gruntu przeyto. Roztarty oad przeywano truienie bieżącej wody, używając ita o najdrobniejzych oczkach (0,063 ). Oad przeywano do oentu, aż pływająca z ita woda była klarowna. Natępnie oad zotał wyuzony i poddany tandardowej analizie przeiewania. WYNIKI I DYSKUSJA Podtawowe etody itowe, wykorzytywane do oznaczenia kładu granuloetrycznego, ą powzechnie toowane w laboratoriach geotechnicznych. Nierzadko protota wykonania danego badania utożaiana oże być z jednoznaczną interpretacją wyników. Częto oże prowadzić to do błędnego wniokowania. Analiza itowa na ucho jet etodą częściej toowaną, jednak w przypadku oadów poflotacyjnych, częto zapylonych, etodą niej precyzyjną, niż analiza na okro. Nieprecyzyjne poiary oznaczenia wynikają zazwyczaj z niedokładnego rozfrakcjonowania najdrobniejzych czątek. Mogą także być kutkie obecności wytrąconych związków oli zawartych w oadach lub innych związków cheicznych, wynikających ze toowania proceu wzbogacania rudy. Na podtawie wyników replikacyjnych tetów uziarnienia twierdzono, że wyniki rozkładu uziarnienia tych aych prób oadów różnią ię, w zależności od zatoowanej etody. Najczęściej toowany graficzny poobe przedtawienia wyników badań uziarnienia gruntu jet krzywa kuulacyjna krzywa uziarnienia. Na podtawie krzywych uziarnienia określono także rodzaj gruntu. Różnice w zawartościach pozczególnych frakcji przedtawiono na ryunku 4. Analiza itowa na okro pozwoliła uzykać lepze rozdzielenie, zwłazcza w zakreie najdrobniejzej frakcji. Wyniki analizy itowej, przeprowadzonej na okro, wkazują więkzy udział najdrobniejzych czątek w aie próbki w porównaniu z wynikai uzykanyi na podtawie badania na ucho. Zależność poiędzy zawartością frakcji < 0,063 z badania etodai na okro i na ucho przedtawiono na ryunku 5. Analizę tatytyczną wykonano przy użyciu pakietu tatytycznego STATISTICA. W celu uogólnienia wnioków dotyczących wyników badań, tak aby charakteryzowały one cały ateriał, zatoowano zaadę randoizacji. Zaada ta toowana jet w celu doboru i decyzyjności loowej, aby badanie było niezakłócone i nie prowadziło do błędnych wniokowań [Łonicki 2006, Doańki 1997]. Analizę przeprowadzono na próbie tatytycznej o liczebności n = 25, na pozioie itotności α = 0,05. Wtępnie założono, że wyniki pochodzące z obydwu rodzajów analiz nie będą różniły ię itotnie, wyuwając hipotezę zerową H 0 : D = 0 o braku różnic, przy hipotezie alternatywnej H 0 : D 0, gdzie D oznacza średnią różnicę iędzy wynikai w populacji [Staniz 2006]. Wyniki tetu przedtawiono w tabelach 1 i 2. Zgodnie z założeniai tetu zgodności przyjuje ię, że jeżeli α > p, na pozioie itotności α = 0,05, hipotezę zerową należy odrzucić. Prowadzi to jednoznacznie do wnioku, że wyniki analizy na ucho i na okro, poio przeprowadzania badań w jednakowych warunkach i z jednakową dokładnością, różnią ię itotnie tatytycznie [Staniz 2006]. Odrzucenie hipotezy zerowej kutkuje przyjęcie hipotezy alternatywnej H 0 : D 0. Najwyraźniej widoczne jet to w obrębie frakcji najdrobniejzych, a zwłazcza o średnicy niejzej niż 0,063. W przypadku analizy na ucho kutkie wykazanych różnic jet błędna klayfikacja gruntu. Oady poddane etodzie itowej na ucho klayfikowano jako piaki drobne, piaki pylate lub pyły piazczyte. Natoiat oady poddane etodzie itowej na okro klayfikowano jako piaki pylate, pyły 124

5 Ry. 4. Przykładowe krzywe uziarnienia: 3, 17 nuery próbek;, odpowiednio etoda na ucho i na okro Fig. 4. Exaple of grain ize ditribution curve: 3, 17 aple nuber;, dry and wet ieving ethod Ry. 5. Zależność poiędzy zawartością frakcji < 0,063 z badania etodai na okro i na ucho Fig. 5. Relationhip between the content of the fraction < in wet and dry ieving ethod piazczyte lub pyły. Powyżza klayfikacja powoduje także jakościowe przeunięcie nazwy gruntu o jedną grupę. Powyżza błędna klayfikacja prowadzi do przypiania analizowaneu ateriałowi niewłaściwego rodzaju oraz nadania błędnej nazwy. Na podtawie przeprowadzonej analizy przyjąć ożna, że dobór odpowiedniej etody badawczej deterinuje przydatność ateriału do budowy. Według wponianego wcześniej kryteriu uziarnienia d 10 > 0,05 tylko część zdeponowanych odpadów oże być wykorzytywana jako ateriał budowlany do kontruowania nadbudowy zapór, ponieważ zbyt drobne oady pylate wykazują cechy ateriału platycznego. Zawartość frakcji niejzej od 0,05 powinna być zate ograniczona, aby pełniać kryteriu uziarnienia. 125

6 Tabela 1. Zetawienie wyników: analiza itowa na ucho, analiza itowa na okro, n liczebność populacji Table 1. Reult uary: dry ieving ethod, wet ieving ethod, n population ize Zakrey frakcji [] Rodzaj analizy Średnia <0,063 0,10 0,063 0,25 0,10 0,5 0,25 1,0 0,5 Odchylenie tandardowe 10,15 9,05 34,63 21,05 19,81 11,41 10,99 4,87 65,51 17,47 53,47 22,62 3,80 3,00 0,87 1,03 0,71 0,93 0,04 0,04 2,0 1,0 Różnice nie ą itotne >2,0 Brak frakcji n Różnica średnich Odchylenie tandardowe różnic 25-24,48 15, ,81 9, ,04 7, ,93 2, ,67 0,91 Tabela 2. Zetawienie wyników: analiza itowa na ucho, analiza itowa na okro, t wartość tetu dla ziennych, df topnie wobody, df = n 1, p przyjęty pozio prawdopodobieńtwa Table 2. Reult uary: dry ieving ethod, wet ieving ethod, t variable tet value, df degree of freedo, df = n 1, p aued probability Zakrey frakcji [] Rodzaj analizy t df p Ufność -95,0% Ufność+95,0% <0,063 0,10-0,063 0,25-0,10 0,5-0,25 1,0-0,5-7, , ,88-18,08 4, , ,79 12,83 7, , ,90 15,18 5, , ,88 3,99 3, , ,29 1,05 2,0-1,0 Różnice nie ą itotne >2,0 Brak frakcji Według wyników uzykanych na podtawie analizy itowej przeprowadzonej na ucho, zdecydowanie więkza część ateriału oże być wykorzytana do budowy obwałowań, niż wkazywałyby na to wyniki analizy itowej wykonanej z przeywanie (ry. 4). PODSUMOWANIE Na podtawie przeprowadzonych badań laboratoryjnych rozkładów uziarnienia oadów poflotacyjnych oraz wyników analizy tatytycznej wykazano, że wyniki otrzyane z dwóch etod itowych, przeprowadzonych na tych aych próbach gruntów, różnią ię tatytycznie itotnie. Najwiękze różnice zaznaczają ię w obrębie najdrobniejzych frakcji. Przyjąć ożna, że wyniki badań przeprowadzonych na loowo wybranej próbie oadów zapylonych, powtałych w wyniku edyentacji, ą cechą populacji generalnej. Mogą odnoić ię one do wzytkich oadów poflotacyjnych, zakuulowanych w obrębie plaż kładowika i zawierających podwyżzoną zawartość frakcji najdrobniejzej. Zauważono również, że etoda itowa na okro jet etodą dokładniejzą. Wkazówką przy wyborze iarodajnej etody badań oże być dopuzczalna różnica w ilości frakcji, która przenika przez najdrobniejze ito w wyniku przeycia i przeia- 126

7 nia. Odwołując ię do ryunku 5 założyć ożna, że krytyczną zawartością frakcji, która powoduje, że błąd oznaczenia oże przekroczyć dokładność oznaczenia, wynoi już 6%. Przekroczenie wartości krytycznej kutkować oże błędną oceną przydatności oraz ożliwości wykorzytania oadów w budownictwie zieny, w ty do nadbudowy zapór. W ujęciu kryteriów kontroli jakości forowania zapór, etodą precyzyjnie określającą uziarnienie oadów jet analiza itowa przeprowadzona z przeywanie. LITERATURA 1. Doańki Cz., Statytyczne tety nieparaetryczne, Pańtwowe Wydawnictwo Ekonoiczne, Warzawa. 2. Góralczyk S. (red.), Gopodarka urowcai odpadowyi z węgla kaiennego. Wyd. Intytut Mechanizacji Budownictwa i Górnictwa Skalnego, Warzawa. 3. Łonicki A., Wprowadzenie do tatytyki dla przyrodników, Wydawnictwo Naukowe PWN. 4. Płokonka D., Różnice w wynikach analiz uziarnienia przeprowadzonych różnyi etodai. Landfor Analyi, 12, Polka Nora 1998 PN-R Gleby i utwory ineralne. Pobieranie próbek gruntu i oznaczanie kładu granuloetrycznego. PKN, Warzawa 6. Polka Nora 1988 PN-88-B Grunty Budowlane. Badania próbek gruntu. PKN, Warzawa. 7. Polka Nora 2006 PN-EN ISO Badania geotechniczne. Oznaczanie i klayfikowanie gruntów. Część 1: Oznaczanie i opi. PKN, Warzawa. 8. POLSKA NORMA 2006 PN-EN ISO Badania geotechniczne. Oznaczanie i klayfikowanie gruntów. Część 2: Zaady klayfikowania. PKN, Warzawa. 9. Staniz A., Przytępny kur tatytyki z zatoowanie STATISTICA PL na przykładach z edycyny. To 1. Statytyki podtawowe. Stat Soft, Kraków. 10. Tchuchke W., Sondowania tatyczne w odpadach poflotacyjnych. Wydawnictwo Politechniki Śląkiej, Seria Budownictwo, z. 110, Gliwice. 11. Tchuchke W., Identyfikacja konytencji gruntów ało poitych na podtawie charakterytyk penetracji z badania tatycznego ondowania. Budownictwo i Inżynieria Środowika, nr 4. Oficyna wydawnicza Politechniki Białotockiej. 12. Tchuchke W., Walczak M., Wierzbicki J., 2015a. Analiza przydatności odpadów górniczych w budownictwie zieny. Projektowanie, ekploatacja, diagnotyka i naprawy wybranych obiektów budownictwa ogólnego i hydrotechnicznego. Praca zbiorowa, IBiG, Uniwerytet Przyrodniczy w Poznaniu, Tchuchke W., Gogolik S., Kroll M., Walczak M., 2015b. Miary zagęzczenia odpadów poflotacyjnych w kontekście kryteriów odbioru robót zienych. Inżynieria Morka i Geotechnika 36(3),