Ocena wybranych właściwości
utworów pod kątem ich przydatności
dla rekultywacji.
Skład granulometryczny
Granice konsystencji
Gęstość właściwa i objętościowa
Porowatość
Sorpcja
Zawartość węglanu wapnia
Odczyn utworów
Zasolenie
Skład granulometryczny
•
Skład
granulometryczny
gleby
charakteryzuje stan rozdrobnienia mineralnej
części fazy stałej gleby. Jest wyrażany
procentowym udziałem poszczególnych cząstek
mineralnych
zwanych
frakcjami
granulometrycznymi.
•Frakcją nazywamy zbiór cząstek o określonych
średnicach mieszczących się w przedziale liczb
granicznych które wyznaczają największa i
najmniejszą średnicę zastępczą danej frakcji.
Skład granulometryczny
Skład
granulometryczny
jest
podstawowym
elementem
rozpoznawczym
w
klasyfikacjach
utworów dla potrzeb rekultywacji ze
względu na swoją stabilność oraz ze
względu
na
istotny
wpływ
na
kształtowanie pozostałych właściwości
gleb.
Skład granulometryczny
Wyróżniamy następujące frakcje cząstek
gleb i gruntów:
-frakcja kamieni
-frakcja żwiru
-frakcja piasku
-frakcja pyłu
-frakcja iłu (spławialna)
Skład granulometryczny
•Kamienie i żwir są to w stosunkowo niewielkim
stopniu zmienione okruchy skalne o składzie
mineralogicznym i chemicznym zbliżonym do skał z
których powstały.
•Piasek, pył i ił pyłowy składają się głównie z
kwarcu i krzemionki w związku z czym są
chemicznie mało aktywne.
•Ił koloidalny składa się głównie z zespołu wtórnych
glinokrzemianów tzw. minerałów ilastych.
Skład granulometryczny
Frakcja kamieni i żwiru to tzw. frakcje
szkieletowe.
Ze
względu
na
zawartość
części
szkieletowych wyróżniamy gleby:
-
szkieletowe
(>
50
%
frakcji
szkieletowych w całej masie gleby)
- szkieletowate (< 50 % frakcji
szkieletowych)
Skład granulometryczny
Frakcje piasku, pyłu i iłu to tzw. cząstki
ziemiste.
Skład granulometryczny na potrzeby np.
klasyfikacji przydatności do rekultywacji
podajemy uwzględniając jedynie cząstki
ziemiste (tzn. przyjmujemy, że frakcje
ziemiste stanowią 100 % masy gleby)
Skład granulometryczny
Istnieją
różne
klasyfikacje
składu
granulometrycznego
–
klasyfikacja
gruntoznawcza (geologiczno-inżynierska)
wg. PN-74/b-02480 oraz klasyfikacja
gleboznawcza opracowana przez Polskie
Towarzystwo Gleboznawcze BN-78/9189-
11 oraz nowa klasyfikacja PN-R-04033.
Klasyfikacja
gruntoznawcza
Klasyfikacja
gleboznawcza
PN-74/B-02480
BN-78/9189-11
frakcja kamienista
d > 40
d>20
frakcja żwirowa
40 d >2
20d>1
frakcja piaskowa
2d>0,05
1>d>0,1
frakcja pyłowa
0,05d>0,002
0,1>d>0,02
frakcja iłowa
d 0,002
części spławialne d<0,02
Klasyfikacje frakcji granulometrycznych
(d – średnica cząstek w mm)
Wśród części spławialnych wyróżnić można
dodatkowo:
ił pyłowy gruby: d=0,02 – 0,005 mm
ił pyłowy drobny d = 0,005 – 0,002 mm
ił koloidalny o d < 0,002 mm
Klasyfikacje frakcji granulometrycznych
(d – średnica cząstek w mm)
Metody oznaczania składu
granulometrycznego gleb
•Metody sedymentacyjne
•Metody przepływowe
•Metody sitowe
•Metody odwirowania
Metody sedymentacyjne
Wykorzystują zasadę, że większe cząstki w wodzie
opadają szybciej niż drobne. W metodach tych
zakłada się, że poszczególne cząstki nie zderzają
się ze sobą ani ze ściankami naczynia i że
temperatura zawiesiny jest jednakowa w całej
objętości.
Do metod sedymentacyjnych należą:
Metoda Attenberga – wykorzystująca tzw. cylindry
Attenberga
Metoda pipetowa – wykorzystująca pipetę Köhna
Metoda areometryczna według Prószyńskiego
Metody sitowe
Metody
sitowe
służą
głównie
do
oddzielania części szkieletowych oraz do
oznaczania
poszczególnych
frakcji
piasku.
Metody przedstawiania wyników
analizy granulometrycznej
Trójkąt Fereta (wykres trójkątny) -
graficzna metoda odwzorowywania składu
osadu/gruntu.
Jednym
punktem
w
układzie
współrzędnych
trójkątnych
przedstawia
się
%
udział
trzech
podstawowych
frakcji
granulometrycznych.
Metody przedstawiania wyników
analizy granulometrycznej
Krzywa kumulacyjna (dystrybuanta) -
Krzywa
skumulowanej
wartości
procentowej
przedstawiona
w
kartezjańskim układzie prostokątnych osi
współrzędnych x, y. Na osi odciętych
zaznacza się średnice, na osi rzędnych -
procentową
zawartość
materiału
w
osadzie.
Granice konsystencji
Granice konsystencji określa się w utworach zwięzłych
(np. gliny, iły). Wyróżnia się trzy konsystencje:
- zwartą – ma ja gleba sucha, która podczas działania
na nią nacisku nie zmienia swego kształtu, a po
przekroczeniu pewnej granicy ulega rozkruszeniu
- plastyczną – ma ją gleba wilgotna, która pod
działaniem siły zewnętrznej odkształca się a po
ustąpieniu działania zachowuje nadany kształt
- płynną – ma ją gleba mokra, której pod wpływem siły
zewnętrznej nie można nadać kształtu, ponieważ
rozpływa się
Wilgotność odpowiadająca granicy przedziałów, w
których utwór znajduje się w określonych stanach
nazywa się granicami konsystencji.
Granica płynności oznacza wilgotność, przy której utwór
zaczyna tracić zdolność zachowania nadanego kształtu i
rozpływa się.
Granica plastyczności oznacza wilgotność, przy której utwór
nabiera zdolności plastycznych (najniższa wilgotność utworu
plastycznego).
Różnica
pomiędzy
granica
płynności
i
plastyczności nazywana wskaźnikiem plastyczności określa o ile
procent musi wzrosnąć wilgotność utworu, by utwór ten zmienił
stan konsystencji od zwartej do płynnej.
Określenie granicy płynności wykonuje się przy użyciu aparatu
(łyżki) Casagrande’a.
Określenie granicy plastyczności polega na oznaczeniu
wilgotności gleby przy której pęka wałeczek o grubości 3 mm
formowany z gleby.
Gęstość właściwa i objętościowa
Gęstość właściwa (ciężar właściwy) gleby czy gruntu określana
jest jako stosunek masy szkieletu gruntowego (fazy stałej) do
objętości zajmowanej przez tę fazę. Uzależniona jest ona od
składu mineralnego oraz w przypadku gleb od zawartości
substancji organicznej. Ta cecha dla badanej próby jest wielkością
stałą.
Gęstość objętościową (ciężar objętościowy, pozorny ciężar
właściwy) gleby czy gruntu określa się jako stosunek ciężaru
próbki do jej objętości. Zależy ona od składu ziarnowego, jej
struktury tj. od przestrzennego ułożenia ziaren czy ich agregatów
i waha się najczęściej w przedziale od 1 do 2 g/cm
3
. Wzajemne
ułożenie ziaren, a zatem i wielkość wolnych przestrzeni, może
uleć zmianie zarówno w wyniku np. mechanicznego zagęszczenia
(podwyższenie wartości gęstości objętościowej), ale także
rozluźnienia w wyniku tworzenia się nowych struktur (spadek
wartości).
Praktycznym odbiciem gęstości jest tzw.
zwięzłości gleby czy gruntu oceniana wg
następującej skali:
gęstość w G/cm
3
: zwięzłość:
< 0,99
bardzo pulchna
0,99 – 1,11pulchna
1,12 – 1,33 normalnie zwięzła
1,34 – 1,55 słabo zbita
1,56 – 1,77 zbite
1,78 – 1,99 silnie zbita
2,00 – 2,11 bardzo silnie zbita
Oba wskaźniki (gęstość właściwa i objętościowa)
wykorzystywane są do obliczenia porowatości.
Porowatość gleby to suma wszystkich wolnych
przestworów w jednostce objętości gleby, które
są zajęte przez wodę albo powietrze. Oblicza się
ją na pdt. następującego wzoru:
n = (–
o
100
Gdzie: n – porowatość całkowita (%)
– gęstość fazy stałej (g/cm
3
)
o
– gęstość objętościowa (g/cm
3
)
Sorpcja
Właściwości gleby polegające na zatrzymaniu w
niej cząstek stałych, niektórych gazów i par oraz
przede
wszystkim
różnych
związków
chemicznych
i
jonów
nazywane
są
właściwościami sorpcyjnymi.
Właściwości sorpcyjne gleb odgrywają istotną
rolę w:
- odżywianiu roślin
- nawożeniu (wpływają na jego efektywność)
- kształtowaniu zdolności buforowych gleby
Sorpcja
Wyróżniamy następujące rodzaje sorpcji:
Sorpcja biologiczna
Sorpcja mechaniczna
Sorpcja fizyczna
Sorpcja chemiczna
Sorpcja wymienna
Sorpcja biologiczna
Polega
na
przetwarzaniu
składników
pokarmowych na własna materię organiczną
przez organizmy żywe. Uwalnianie składników
pobranych przez organizmy następuje po ich
obumarciu w wyniku procesów mineralizacji.
Sorpcja biologiczna ma szczególne znaczenie w
zapobieganiu wymywaniu jonów azotanowych
(NO
3-
) które jako aniony soli doskonale
rozpuszczalnych nie są zatrzymywane żadna
inną sorpcją.
Sorpcja mechaniczna
Polega na zatrzymywaniu cząstek stałych,
mineralnych
i
organicznych
w
porach
glebowych.
W tym przypadku gleba działa jak filtr
przepuszczający
wodę
a
zatrzymujący
zawieszone w niej cząstki stałe o średnicy
większej niż średnica porów glebowych.
Sorpcja fizyczna
Polega na pochłanianiu gazów, par i związków
niedysocjujących przez ich zagęszczenie na
powierzchni fazy stałej.
Sorpcja chemiczna
Jest to zatrzymywanie nierozpuszczalnych w
wodzie soli powstających w wyniku reakcji
chemicznych zachodzących w glebie.
Największe znaczenie ma chemiczna sorpcja
fosforanów jednowapniowych Ca(H
2
PO
4
)
2
które
mogą podlegać uwstecznieniu. W glebach
zasadowych
powstają
trudnorozpuszczalne
fosforany trójwapniowe (Ca
3
(PO
4
)
2
) niedostępne
dla roślin. Natomiast w glebach kwaśnych
powstają nierozpuszczalne w wodzie fosforany
glinu - AlPO
4
lub Al(OH
2
)H
2
PO
4
Sorpcja wymienna
Polega
na
adsorbowaniu
związków
dysocjujących przez aktywną część fazy stałej
gleby zwaną kompleksem sorpcyjnym gleby.
Kompleksem sorpcyjnym nazywa się koloidalną część fazy
stałej gleby wraz z zaadsorbowanymi wymiennie jonami. W
skład kompleksu sorpcyjnego wchodzą:
-Koloidy mineralne: glinokrzemiany, głównie materiały
ilaste; krystaliczne wodorotlenki i tlenki żelaza; minerały
amorficzne
-Koloidy organiczne – głównie próchnica glebowa
-Koloidy organiczno-mineralne – kompleksowe połączenia
próchnicy z minerałami ilastymi
Ponieważ większość koloidów glebowych ma ładunki ujemne
adsorbują i desorbują one jony naładowane dodatnio.
Sorpcja wymienna jest więc głównie sorpcją kationów.
Sorpcje wymienną kationów można
schematycznie przedstawić według schematu:
Micela
Micela
Ca
+2 H
+
H
H
+Ca
2+
Czynniki wpływające na sorpcję
wymienną:
- rodzaj i budowa sorbenta (wielkość
powierzchni sorpcyjnej i wielkość
ładunku decydują o energii wiązania i
ilości wiązanych jonów)
- odczyn gleby (część ładunków
występujących na powierzchni
sorbentów ma charakter nietrwały i jest
uzależniona od pH)
Czynniki wpływające na sorpcję
wymienną:
- rodzaj kationu (na zdolność jonu do bycia
zasorbowanym wpływa jego
wartościowość, wielkość oraz stopień
uwodnienia. Wraz ze wzrostem
wartościowości wzrasta zdolność
wymienna czyli tzw. energia wejścia)
- rodzaj towarzyszącego anionu
- stężenia kationu w roztworze
- stężenie roztworu
- temperatura
Całkowita kationowa pojemność sorpcyjna T
(CEC) – jest to suma wszystkich kationów
zasadowych (Na
+
, K
+
, Ca
2+
, Mg
2+
) i kwasowych
(H
+
, Al
3+
) zasorbowanych przez glebę
Oznacza się ją następującymi metodami:
-pośrednimi, w których kationowa pojemność
wymienna jest określana przez sumowanie
poszczególnych
kationów
oznaczanych
oddzielnie różnymi metodami
-bezpośrednimi, w których kationy wymienne
w glebie są wypierane z kompleksu sorpcyjnego
przez sole, głównie octany i chlorki amonu,
wapnia, sodu lub baru.
Oznaczenie sorpcji przy pomocy BM jest
kompromisem
wynikającym
z
rozróżniania
różnych sorpcji jak i stosowanych metod
pozwalających
na
poznanie
ich
wartości
liczbowych.
Błękit metylenowy jest łatwo zatrzymywany
zarówno
na
powierzchniach
zewnętrznych
minerałów
jak
i
w
przestrzeniach
międzypakietowych, a zatrzymana ilość jest
zbliżona
do
ogólnej
pojemności
wymiany
kationowej. Metoda ta jest znacznie prostsza do
wykonania od innych, a ponadto niewiele
czynników utrudnia jej przebieg. Uzyskana
wartość
dobrze
opisuje
ogólne
zdolności
sorpcyjne badanego utworu.
Zawartość CaCO
3
Oznaczenie węglanu wapnia w glebie można wykonać w
oparciu o następującą reakcję:
CaCO
3
+ 2HCl CaCl
2
+ CO
2
+H
2
O
Wydzielający się CO
2
można oznaczyć wagowo lub
objętościowo. Najczęściej stosowana metodą jest metoda
Scheiblera w której wydzielający się CO
2
oznacza się
objętościowo w wyskalowanej U-rurce.
Inną możliwością jest metoda gazometryczna przy użyciu
aparatu Jacksona. Oznaczenie ta metodą polega na
określeniu gazometrycznym wydzielonego CO
2
w próbie
czystego CaCO
3
i w próbie gleby po potraktowaniu jej HCl.
Odczyn utworów
Wskaźnik ten, oznaczany bardzo prostymi metodami,
dostarcza szybkiej informacji o aktualnej czy wymiennej
kwasowości utworu. Na podstawie stężenia jonów
wodorowych w wodzie destylowanej (pH
H2O
) czy w 1M
KCl (pH
KCl
) ocenia się stopień zakwaszenia utworów
stosując jedną z wielu, nieco różniących się klasyfikacji:
pH w KCl pH w H
2
O
Ocena odczynu
> 7,2
6,6 – 7,2
5,6 – 6,5
4,6 – 5,5
< 4,5
>7,4
6,8-7,4
6,1-6,7
5,1- 6,0
<5,0
Zasadowy
Obojętny
Lekko kwaśny
Kwaśny
Bardzo kwaśny
Odczyn utworów
Dla potrzeb rekultywacji Krzaklewski rozszerzył
klasyfikację dla utworów bardzo kwaśnych wg
pH
H2O
:
3,0 – 3,5 grunty toksycznie kwaśne
2,5 – 3,0 grunty silnie toksycznie kwaśne
< 2,5
grunty ekstremalnie toksycznie
kwaśne
Kwasowość hydrolityczna
Kwasowość
hydrolityczna
to
kwasowość
oznaczana w roztworach soli hydrolizujących
zasadowo – np. octanie wapnia lub sodu.
Potraktowanie gleby roztworem hydrolizującej
zasadowo soli powoduje wybicie z kompleksu
sorpcyjnego większej ilości jonów H
+
niż w
przypadku użycia soli obojętnej (np. KCl).
Kwasowość hydrolityczna wyraża się w cm
3
0,1
M NaOH zużytego do miareczkowania wyciągu
ze 100 g gleby albo w centymolach jonów
wodorowych na 1 kg gleby.
Przedziały pH sprzyjające wzrostowi najważniejszych
drzew i krzewów leśnych (wg Iwanowa i współ.1966)
J o d ł a s y b e r y j s k a
4 , 5
4 , 0
4 , 0
3 , 5
5 , 5
5 , 0
6 , 0
5 , 5
6 , 5
6 , 0
7 , 0
6 , 5
7 , 5
7 , 0
8 , 0
7 , 5
8 , 5
8 , 0
5 , 0
4 , 5
B u k z w y c z a j n y
S o s n a w e j m u t k a
Ś w i e r k p o s p o l i t y
M o d r z e w s y b e r y j s k i
S o s n a z w y c z a j n a
R o b i n i a b i a ł a
J a b ł o ń d z i k a
L i p a d r o b n o l i s t n a
B r z o z a b r o d a w k o w a t a
J e s i o n p e n s y l w a ń s k i
K l o n z w y c z a j n y
D ą b s z y p u ł k o w y
L i p a s z e r o k o l i s t n a
D ą b c z e r w o n y
G r a b z w y c z a j n y
B r z o z a o m s z o n a
T o p o l a c z a r n a a m e r y k a ń s k a
W i ą z s z y p u ł k o w y
J e s i o n w y n i o s ł y
L i g u s t r p o s p o l i t y
P i g w a p o s p o l i t a
I r g a
D a g l e z j a s i n a
T r z m i e l i n a z w y c z a j n a
C z e r e m c h a z w y c z a j n a
K a s z t a n o w i e c z w y c z a j n y
J a w o r
J o d ł a p o s p o l i t a
p H w H O
p H w K C l
2
G a t u n e k
- p r z e d z i a ł y o d p o w i e d n i e
- p r z e d z i a ł y o p t y m a l n e
Zasolenie
W Polsce zasolenie związane jest z oddziaływaniem
antropogenicznym wszędzie tam gdzie istnieje kontakt gleb czy
utworów z wodami zasolonymi lub solą. Podwyższone zawartości
soli
występują
w
niektórych
utworach
geologicznych
towarzyszącym zasolonym horyzontom wodonośnym, w glebach
(utworach przypowierzchniowych) kopalń soli, na trawnikach,
parkach czy zieleńcach przylegających do jezdni, gdzie do walki z
gołoledzią stosuje się sól czy solankę.
Najbardziej niebezpieczne zasolenie związane jest z solami sodu,
który to pierwiastek zawarty w roztworach wodnych oddziałuje
na fazę stałą i łączy się z tzw. kompleksem sorpcyjnym dzięki
większej energii wejścia niż kationy metali dwuwartościowych.
Podwyższona zawartość Na w kompleksie
sorpcyjnym wywołuje ujemne zmiany właściwości
fizycznych utworu takie jak:
•zwiększenie dyspersji,
•zniszczenie
lub
pogorszenie
struktury
odpowiedzialnej za warunki powietrzno-wodne,
• pogorszeniem zdolności filtracyjnych utworów i
ich łatwym przechodzeniem w stan miękko
plastyczny czy płynny (utwory zlewne).
Utwory zasolone są z tego powodu trudniejsze
do uprawy, bowiem przy wysychaniu na ich
powierzchni tworzy się twarda skorupa, przy
uwilgotnieniu stają się maziste.
Podwyższone ilości soli w utworach prowadzą do:
•zmiany zdolności zaopatrzenia roślinności w
wodę,
•zmiany składu chemicznego roztwory glebowe
(zakłócenie
w
pobieraniu
składników
pokarmowych roślinności),
•pogorszenia niektórych właściwości fizycznych
utworów,
•alkalizacji utworów (przy zawartości węglanów).
Dla określenia stopnia zwiększenia sodu w glebach stosuje się
wielkością niemianowaną „Z” uzależnioną od stosunku kationów
sodu do sumy kationów wapnia i magnezu w wyciągu wodnym
wyrażonych w ilościach równoważnych:
Z= Na/Ca+Mg
Z < 1 – brak sołoncowania
1<Z< 4 – występowanie czynnika zasolającego
Z > 4 – nasycenie kompleksu sorpcyjnego przebiega bardzo
energicznie.
Również na podstawie zawartości sodu, wapnia i magnezu w
wyciągu wodnym przeliczonych na wartości równoważne
(np.meq/dcm
3
) obliczany jest wskaźnik SAR (Sodium Adsorption
Ratio ) wg zależności:
SAR=
gdy SAR < 10 istnieją normalne warunki w gruncie
gdy SAR > 10 ujawnia się szkodliwe oddziaływanie soli na
procesy fizjologiczne i właściwości utworu.
2
Mg
Ca
Na
Innym miernikiem wielkości zasolenia jest
stopień
wysycenia
kompleksu
sorpcyjnego
kationem Na. Przy wysyceniu ponad 5%
pojemności sorpcyjnej sodem tworzą się gleby
słone. Wg Schachtschabla najbardziej korzystne
właściwości
posiada
gleba,
która
przy
pojemności sorpcyjnej 15 – 20 milirówn./100g
zawiera
następujące
ilości
kationów
wymiennych:
Kation
Zawartość w
mval/100g
H
+
Ca
2+
Mg
2+
K
+
Na
+
0 – 3
10 –17
2 –3
0,5 – 1
<0,5
Innym miernikiem stopnia zasolenia może być
procentowa zawartość soli w stosunku do suchej
masy
utworów.
Przyjmuje
się
najczęściej
następujące kryteria:
utwory nie zasolone
do 0,2 % soli
utwory słabo zasolone
od 0,2 % do 0,35%
utwory umiarkowanie zasolone
od 0,35% do
0,55%
utwory silnie zasolone
> 0,55 %
Miernikiem koncentracji soli w roztworach glebowych jest zdolność
do
przewodzenia
prądu
określona
jako
przewodność
elektrolityczna właściwa (PEW). Na podstawie pomiaru w
wyciągu wodnym lub tzw. paście glebowej można określić
szkodliwość zasolenia posługując się następującą skalą:
do 500 S/cm (=0,5 mS/cm) koncentracja soli tolerowana jest przez
wszystkie rośliny,
do 1 000 S/cm (=1,0 mS/cm) wartość graniczna dla roślin bardzo
wrażliwych,
do 2 000 S/cm (=2,0 mS/cm) wartość, przy której mogą wystąpić
objawy zasolenia dla szeregu gatunków przy dobrym uwilgotnieniu,
dla większości szkodliwe przy przedłużającym się okresie suszy,
> 2 000 S/cm (>2,0 mS/cm) wartość uważana za toksyczną dla
prawie wszystkich gatunków.