F.4. Függelék                

geoszintetikus – agyag szigetelők

F.4.1.  A geoszintetikus – agyag szigetelőkről általában

A természetes anyagból készített szigetelések területén a 80-as évek végén jelentek meg és azóta egyre nagyobb szerephez jutnak az ún. geoszintetikus – agyag szigetelők. É-Amerikában az 1985-ös 0,5 millió m2 kereskedelmi forgalom 1994-re 5 millió m2-re nőtt (VON MAUBEUGE, 1995.). (A nemzetközi irodalomban általában csak a GCL megjelölést használják a Geosynthetic Clay Liner elnevezés alapján.) A hazai szóhasználatban a bentonitos szigetelőlemez, bentonit-szőnyeg, bentonit-paplan elnevezés terjedt el.

A bentonitos szigetelőlemezek többnyire két geoszintetikus hordozó elem (geotextília vagy geomembrán) közötti bentonitrétegből állnak. A bentonitréteg vastagsága általában 5-10 mm, a töltési mennyiség ~ 5 kg/m2. Közismert a bentonit nagy duzzadó és vízfelvevő képessége. Az előállítás során a bentonitot por alakban helyezik a geoszintetikus lemezek közé és további adalékanyagként ha szükséges – a lemez szerkezetétől függően – kötőanyagot is adagolnak.

A bentonitos szigetelőlemezek jellemző kialakítási módjait az F.4.1. ábra szemlélteti. Az erősítés nélküli bentonitos szigetelőlemezeknél a bentonit nincs megfelelően bezárva a határoló felületek közé, a megduzzadt bentonit kis erő hatására is elcsúszhat oldalirányban. Ilyen típusú lemezek elsősorban vízszintes felületen alkalmazhatók. A tűzési eljárással készült bentonitos szigetelőlemezek általában csak hosszirányban erősítettek, így a tűzési sorok között a bentonit elcsúszása csak kismértékben korlátozott. A tűnemezelt lemezeknél a szálhidak körbezárják a bentonitot és megakadályozzák a hidratált bentonit oldalirányú elmozdulását a geotextíliák között. A lemez az egyenlőtlen süllyedést könnyen elviseli, nyíróerők felvételére alkalmas.

A geoszintetikus – agyag szigetelők alkalmazásának igen kedvező tapasztalatai vannak az út- és vasútépítés, a vízépítés területén és az elmúlt években végzett széleskórű vizsgálatok igazolták alkalmazhatóságukat a korszerű depóniaszigetelő-rendszerek természetes anyagú komponenseként, valamint a szennyezett területek kármentesítésénél a szennyeződés tovaterjedésének korlátozásánál.

F.4.2. A geoszintetikus – agyag szigetelők jellemző tulajdonságai

F.4.2.1.           Fizikai tulajdonságok

F.4.2.1.1.      Ásványos összetétel

A jó minőségű (megfelelő vízzáróságú és szennyezőanyag visszatartó képességű) bentonitszőnyeg gyártásának a megfelelő technológia és szerkezet mellett alapvető feltétele a megfelelő minőségű bentonit töltőanyag. A töltőanyag minőségének jellemzésére a bentonit ásványos összetétele használatos.

A szigetelőpaplanokban használt bentonitok “hatóanyagként” minimum 60, átlagosan 70 - 75 tömegszázalékban tartalmaznak montmorillonitot. További összetevők lehetnek: kvarc, krisztobalit, földpátok, muszkovit, biotit, illit, kaolinit, klorit, karbonátok (kalcit, dolomit, sziderit), zeolitok, alumínium-hidroxid, apatit, hematit, limonit, nehézásványok (pirit, magnetit, ilmenit, cirkont, stb…), illetve amorf komponensek.

F.4.1. ábra

Bentonitos szigetelőlemezek

(KOERNER, 1994.)


A F.4.2. ábrán a Naue Fasertechnik által gyártott három termék töltőanyagának röntgen-diffrakciós vizsgálattal meghatározott ásványos összetételei láthatók, míg a bentonitok jellemző kőzetfizikai és mechanikai tulajdonságait a F.4.1. táblázat foglalja össze (EGLOFFSTEIN, 2001.).

 


F.4.2. ábra
A bentonitpaplanok töltőanyagának röntgendiffrakciós vizsgálati eredményei (SZABÓ - HORVÁTH 2001 )

F.4.1. táblázat

A geoszintetikus – agyag szigetelőkben használt bentonitok jellemző tulajdonságai (EGLOFFSTEIN, 2001.)

Montmorillonit tartalom

60 – 90 %

Vízabszorpciós kapacitás

200 – 700 tömeg %

Szabad duzzadás

7 – 30 ml

PH – éték

9 – 10.5

Plasztikus index (Ip)

140 – 380 %

Belső súrlódási szög (φ) / kohézió (c)

3 - 15˚ / 3 – 10 kN/m2

Permittivitás (Ψ)

5 x 10-8 – 3 x 10-9 1/s

Kation cserélő kapacitás (CEC)

60 – 90 mmol (eq)/100g

F.4.2.1.2.      Kristályszerkezet, struktúra

A bentonitokat rendszerint Na- és Ca-bentonitokra osztjuk a domináns kicserélhető kation figyelembevételével.

A természetben előforduló bentonitok inkább az utóbbi csoportba tartoznak, melyek az előbbinél kétségtelenül gyengébb duzzadási képességgel rendelkeznek. Ezért a szigetelőanyagként használt Ca-bentonitot többnyire szódával aktiválják → aktívált bentonit.

A végbemenő folyamatokat leegyszerűsítve, az ioncsere-folyamat végbemenetele és iránya főként a kicserélhető kationok fajtájától, koncentrációjától, méretétől és töltésétől függ. A kétértékű Ca++ - ion könnyebben kicserélhető az egyértékű Na+ - ionnal, mint fordítva. Ugyanakkor az ioncsere könnyebben megy végbe oldatokban, mint a szilárd fázis felületén. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy az átszivárgó folyadék Ca++ - ion tartalma hajlamosabb kicserélődni, így végül a szilárd és folyékony fázis együttes jelenlétekor (két- illetve háromfázisú szivárgás) a vízben oldott Ca++ - ion fog „helyet cserélni” a szilárd fázis felületén lévő Na+ - ionokkal (F.4.3. ábra).

F.4.3. ábra

Az ioncsere – folyamatok általános iránya bentonitoknál

(EGLOFFSTEIN, 2001.)

Az ioncsere – folyamatok hatása a szigetelőképességre a Na-bentonit → Ca-bentonit ásványmódosulás során lezajló strukturális átalakulás során jelentkezik. A Ca-bentonit olyan agyagásvány-komplexum, ami az ásványok aggregációs hajlama miatt nagyobb kristálymérettel jellemezhető. Ez a rövidebb szivárgási útvonal, a kisebb fajlagos felület és a szemcsék körüli vékonyabb hidrátburok miatt gyengébb vízzárósággal jár, mint a kolloid méretű, egyedi kristályokból felépülő Na-bentonit (lásd F.4.4. és F.4.5. ábra).

Ezek a folyamatok azonban csak a csurgalékvízzel érintkező bentonitokban játszódnak le (így a Na-bentonitot tartalmazó természetes agyagokban is!), és a csurgalékvízzel való érintkezés megszűnte esetén az ioncsere folyamatok is megállnak.

F.4.4. ábra

Az ásványszerkezet átalakulása az ioncsere révén

(EGLOFFSTEIN, 2001.)

F.4.5. ábra

Bentonitok scanning - elektronmikroszkópos képe

(EGLOFFSTEIN, 2001.)

(Bal felső kép: természetes, porított Na-bentonit; Bal alsó kép: ugyanez a bentonit ioncsere után /0.3 M CaCl2 oldat/; Jobb felső kép: példa a terepi ioncsere utáni képre; Jobb alsó kép: természetes Ca-bentonit)

F.4.2.2.            Mechanikai tulajdonságok

A bentonitszőnyegek mechanikai tulajdonságainak az ismerete fontos, mert a különböző alkalmazások eltérő mechanikai igénybevételt jelentenek, és ellenőrizni kell, hogy nem következik-e be tönkremenetel, nem sérül-e a bentonitszőnyeg, ami ezáltal elveszíti szigetelőképességét.

F.4.2.2.1.     Húzószilárdság

A geoszintetikus – agyag szigetelők húzószilárdságának meghatározására két vizsgálati módszer terjedt el:

(a)    Nagy méretű minta húzószilárdságának vizsgálata normálirányú terhelés nélkül (ASTM D 4595).

A kísérletet a F.4.6. ábra szerint végrehajtva (a két végén befogott szigetelőpaplant egyenletesen növekvő erővel a tönkremenetelig, vagy a megengedett fajlagos nyúlás-érétkig húzva) meghatározható a szőnyeg húzószilárdsága, melynek értéke értelemszerűen a tönkremenetelhez tartozó húzóerő és a minta hosszának a hányadosa. A vizsgálatot száraz állapotú mintán kell végezni. A töltet húzószilárdsága szárazon és nedvesen is nagyságrendekkel kisebb a hordozó geotextília vagy geomembrán húzószilárdságánál, mégsem elegendő csak a hordozó rétegeket vizsgálni, vagy az ezekre vonatkozó irodalmi adatokat a szigetelőpaplan sajátjaként értelmezni, és arra méretezni.

F.4.6. ábra

A húzószilárdság vizsgálata normálterhelés nélkül

(KOERNER, 1994.)

(b)   Nagy méretű minta húzószilárdságának vizsgálata normálirányú terhelés mellett.

A terhelő berendezés kialakítása lényegében megegyezik az előző kísérletben bemutatottéval, azzal a különbséggel, hogy a befogott mintát sűrített levegővel felfújható matracok közötti homokágyra fektetik. A normálirányú terhelés mértéke ezáltal tetszőlegesen szabályozható. A berendezés elvi vázlata a F.4.7. ábrán látható.

Az F.4.8. ábra tanúsága szerint a két kísérletből meghatározott húzófeszültség [kN/m2] – fajlagos nyúlás [%] diagramok lefutásában a tönkremeneteli határig (~ 9 kN/m2) nincs jelentősége annak, hogy a mintát érte-e hatékony terhelés, vagy sem.

F.4.7. ábra

A normálfeszültség melletti húzószilárdság meghatározására

alkalmazott műszer elvi vázlata

(KOERNER, 1994.)


F.4.8. ábra

A kétféle húzókísérletből nyert tönkremeneteli görbék

(KOERNER, 1994.)

F.4.2.2.2.     Nyírószilárdság

A kísérletet szabványos (100 mm x 100 mm oldalhosszúságú) nyírócellában kell elvégezni (direkt nyírás) úgy, hogy a nyírás szempontjából kritikus (bentonit töltetet tartalmazó) sík kerüljön az alsó és felső nyírókeretek érintkezésének síkjába.

A F.4.2. táblázat egy olyan mérési sorozat eredményeit foglalja össze, melynek során ugyanabból a szigetelőpaplanból vett négy – négy mintán, három különböző minta-előkészítési (nedvesítési) eljárás mellett, öt különböző folyadékkal (desztillált víz, csapvíz, „szelíd” csurgalékvíz, „agresszív” csurgalékvíz, gázolaj) nedvesítve határozták meg a kohézió és a belső súrlódási szög értékeit.

F.4.2. táblázat

A különböző folyadékok és nedvesítési eljárások hatása a nyírószilárdsági paraméterekre (KOERNER, 1994.)

 

Desztillált víz

Csapvíz

„Szelíd” csurgalékvíz

„Agresszív” csurgalékvíz

Gázolaj

Száraz*

φ [˚]

c [kN/m2]

26 – 42

6,9 – 67,5

26 – 42

6,9 – 67,5

26 – 42

6,9 – 67,5

26 – 42

6,9 – 67,5

26 – 42

6,9 – 67,5

Nyomás alatt nedvesített**

φ [˚]

c [kN/m2]

16 – 37

2,8 – 6,9

18 – 43

2,8 – 6,9

18 – 43

4,8 – 8,3

13 – 39

4,1 – 7,6

24 – 51

4,1 – 6,2

Szabadon nedvesített***

φ [˚]

c [kN/m2]

0 – 23

2,8 – 9,0

0 – 26

3,4 – 10,3

4,0 – 20

3,4 – 13,8

0 – 30

2,8 – 11,7

29 – 46

4,8 – 6,2

* A minta töltete légszáraz állapotú.

** A nedvesítés normálirányú terhelés mellett történt.

*** A nedvesítés beszivárogtatással, normálirányú terhelés nélkül történt.

F.4.2.2.3.     Átlyukadás

Az átlyukadási lehetőségek sokfélesége miatt nehéz olyan vizsgálati módszert találni, mely általános érvényű mérőszámot adna. Az USA-ban a gyártók számára az ASTM D4833 szabvány szerinti átlyukadási ellenállás – meghatározást ajánlják. A szabványnak megfelelően a vizsgált szigetelőpaplan egy darabját egy 45 mm átmérőjű gyűrűre feszítik, majd felülről egy 8 mm átmérőjű kúpos végű rúddal átszakadásig terhelik. Az átlyukadási ellenállás a tönkremenetelhez tartozó nyomóerő értéke.

Mivel a bentonitszőnyegeket elsősorban szigetelésre használják, általános érvénnyel csak az szögezhető le, hogy kerülni kell a szigetelőlemez érintkezését bármilyen éles vagy hegyes tárggyal. Ha a paplan mégis átlyukadna, a szőnyeg vízzárósága megmaradhat a bentonittöltet ismert „öngyógyuló” (duzzadó) képessége révén, melyet jól példáz a F.4.9. ábra. A képen jól látható, hogy a szigetelőlemezt átütő csavart a montmorillonit tökéletesen szigeteli.

F.4.9. ábra

A lemezt átütő, de a bentonit által szigetelt csavar

(KOERNER, 1994.)

F.4.2.3.           Hidraulikai tulajdonságok

F.4.2.3.1.     Duzzadási képesség

A bentonit szabad (normálterhelés jelenléte nélküli) duzzadása a USP (United State Pharmacological Society) NF-XVII, illetve a DIN 53857 vizsgálati szabványok szerint határozható meg (magyar előírás nincs).

Az említett szabványok előírása szerint egy osztott falu üveghengerbe 100 ml desztillált vizet töltenek, amelyhez 2.0 g száraz állapotú, porított bentonitot adnak elég lassan ahhoz, hogy a por flokkulálódhasson és egyenletesen ülepedjen le a henger alján. 24 óra elteltével a duzzadás a henger alján a bentonit térfogatának leolvasásával megállapítható. Az elvárt minimális érték 25 ml.

F.4.2.3.2.     Vízfelvevő képesség

Vizsgálati szabvány: DIN 18132 (ENSLIN – NEFF - féle vizsgálat). Ismertetését lásd a 3.1. fejezetben.

F.4.2.3.3.     Szivárgási tényező

Vizsgálati szabvány: ASTM D 5084, illetve DIN 18130.

A szivárgási tényező értékének laboratóriumi meghatározására szolgáló mérőműszer a flexibilis falu permeabiméter (triaxiális cella), a kísérlet végrehajtása a F.4.10. ábrán látható.

F.4.10. ábra

Flexibilis falú permeabiméter vázlatrajza

(KOERNER, 1994.)

A műszerben a legalább 100 mm átmérőjű mintát két szűrőlap közé kell helyezni úgy, hogy a mintát egy rugalmas gumi-membrán veszi körül, mely egy-egy O - gyűrűvel rögzíthető a szűrőlapokhoz. A szűrőlapok úgy vannak perforálva, hogy azokon csak a mintára merőleges átszivárgás lehetséges.

A mérés során a kísérleti folyadék (rendszerint desztillált víz) szabályozható nyomás alatt függőlegesen alulról felfelé halad át a mintán. Ezzel kizárható a felülről lefelé történő átszivárgáskor fellépő légbuborék-ellenállás torzító hatása, vagyis a szabad pórustér teljesen telíthető.

A cellatérben oldalnyomást biztosítva egyrészt megakadályozható az oldalfal menti elszivárgás, másrészt a terepi geosztatikus feszültség is reprodukálható.

A F.4.11. ábra (ill. lásd később a F.4.12, F.4.16. és F.4.17. ábrákat)  a Miskolci Egyetem Mérnökgeológiai Laboratóriumában végzett kísérlet eredményeit mutatja be. A mérések során három különböző mintán azonos körülmények között (desztillált vízzel végzett mérés, 30 kPa cellanyomás mellett; minta-előkészítés:  100 mm átmérőjű – a széleken fellépő bentonit-veszteség megelőzésére – előzetesen nedvesített körív mentén történő kivágás) addig kell folytatni a mérést, amíg a teljes telítődés elérésével (10 – 20 nap) a mért szivárgási tényező értékek állandósulnak (a szivárgás permanenssé válik).

F.4.11. ábra

A szivárgási tényező értékének változása a telítődés során

(SZABÓ – HORVÁTH, 2001.)

A vízzárósági vizsgálatokat mindig el kell végezni az ún. „átlapolással is, megnézve, hogy megmarad-e a lemezek vízzárósága a toldások, átlapolások mentén is. A geoszintetikus – agyag szigetelőket – a gyártósor kapacitásának megfelelően - rendszerint 5 – 8 m széles tekercsekben szerelik ki, így a gyakran több 10000 m2 kiterjedésű depóniák szigetelésénél szükséges a tekercsek átfedéssel (min. 25 – 35 cm) történő egymás mellé fektetése. Lényeges követelmény ugyanakkor, hogy a szőnyegek toldásánál, az átlapolások mentén se lépjen fel szivárgás.

A F.4.12. ábra a 78 cm2 keresztmetszetű (átmérő = 100 mm) mintáknál ~ 50% -os átfedés és normálirányú terhelés mellett végzett vizsgálatok eredményeit tüntetik fel.

Megállapítható, hogy már viszonylag kis normálterhelés (30 kPa) mellett (kb. 2 – 3 m tömörített hulladék terhelése) sem mutatható ki szignifikáns eltérés az alapmérések (F.4.11. ábra) eredményeihez képest.

F.4.12. ábra

Az átlapolásos vizsgálatok eredményei

(SZABÓ – HORVÁTH, 2001.)

F.4.2.3.4. Gázáteresztő képesség

A bentonitszőnyegek áteresztő (szigetelő) képességéhez kapcsolódik a gázáteresztő képesség és a gázdiffúzió jelensége is. Ezzel elsősorban akkor kell foglalkozni, ha a szigetelőlemez egy hulladéklerakó zárószigetelésében kerül alkalmazásra.

A gázmigráció hajtóereje ilyenkor a szigetelés két oldala közötti nyomáskülönbség, de a szivárgást elősegítő tényezőként jelentkezik a környezetéhez képest magasabb víznívó (dombépítéses depónia), illetve a tároló belseje és a környezet közötti hőmérséklet-gradiens is.

A diffúzió okozta gázmozgás hajtóereje a különböző területek (depónia belseje és környezet) közötti koncentrációbeli különbség kiegyenlítődése felé ható diffúziós mozgás.

Egyes kutatási eredmények (DIDIER – BOUAZZA - CAZAUX, 2000.) arra engednek következtetni, hogy a szigetelőpaplanok gázáteresztő képességére elsősorban a víztartalom és a hatékony terhelés vannak kedvező hatással.

A fenti kutatók kísérleteiben két különböző típusú bentonitszőnyeg gázáteresztő képességének változását vizsgálták a térfogati nedvességtartalom és a hatékony terhelés növelésének hatására.

A minták főbb jellemzői:

Minta 1: Típus: Bentomat

 Töltet: 5000 g/m2 granulált Na-bentonit

Minta-előkészítés: Nedvesítés desztillált vízben normálirányú terhelés nélkül, illetve

20 kPa normálterhelés mellett;

Minta 2: Típus: Bentofix

 Töltet: 3250 g/m2 porított Na-bentonit

Minta-előkészítés: Nedvesítés desztillált vízben normálirányú terhelés nélkül, illetve

20 kPa normálterhelés mellett.

Az átáramoltatott gáz mindkét esetben N2 volt. Az eredmények a F.4.13. és F.4.14. ábrákon láthatók.

 


F.4.13. ábra

A bentonitszőnyegek gázáteresztő képességének változása a víztartalom növekedésével

(DIDIER – BOUAZZA - CAZAUX, 2000.)

(Bentomat)


F.4.14. ábra

A bentonitszőnyegek gázáteresztő képességének változása a víztartalom növekedésével (DIDIER – BOUAZZA - CAZAUX, 2000.)

(Bentofix)

Az ábrák tanúsága szerint a két eltérő típus gázáteresztő képessége, illetve gázzal szembeni szivárgási tényezője (kgáz) közel azonos, és mindkét esetben azon a mintát mérték a jobb eredményt, amelyik terhelés alatt lett nedvesítve. A gázáteresztő képesség - értékek változására az igazi hatást azonban a hatékony terhelés növekedése, és főként a víztartalom növekedése gyakorolta.

Az okok mindkét tényező esetén meglehetősen kézenfekvőek:

-        a növekvő hatékony terhelés kedvező hatása az egymással összefüggésben álló pórusok keresztmetszetének, és így a gázok számára „járható út” szűkülésében keresendő, míg

-        a víztartalom növekedésével a gázok egyre inkább a víz, illetve gőz fázisban kénytelenek mozogni, ami a jelentős mennyiségű oldatban történő megkötés mellett a migrációs és diffúziós mozgás lelassulását is jelenti.

F.4.2.4.           Az időtállóságot befolyásoló tényezők

F.4.2.4.1.     A szivárgási tényező változása a talajfagy hatására

Egy lerakó élettartalma a szigetelőréteg akár többször is átfagyhat, illetve melegebb időben kiolvadhat, különösen a használatba még nem vett területeken. Természetesen ezen hatások mellett is követelmény a regenerálódó- és szigetelőképesség fennmaradása.

A talajfagy károsító hatása a következőkben foglalható össze (HEWITT – DANIEL, 1997.):

-        Amint a hőmérséklet 0 ˚C alá csökken, a pórustérben lévő víz fagyásnak indul; a legnagyobb pórusok közepén jégkristályok keletkeznek.

-        A fagyással jelentkező halmazállapot változás a pórusvíz mintegy 9% -os térfogat-növekedésével jár (köszönhetően a hexagonális kristályrendszerbe tartozó jégkristályok relatíve nagy fajlagos térfogatának);

-        A pórustérben kialakuló jéglencsék magukhoz vonzzák a belsőbb rétegek nedvességtartalmát is, így egyrészt a fagyott lencse egyre jobban kiterjed, másrészt a nedvességtartalom pórustérbeli eloszlásában is jelentős inhomogenitás jelentkezik;

-        Ha a hőmérséklet tartósan fagypont alatt marad, a jeges zónák kiterjedésével járó kristályosodási nyomás átalakítja a pórustér struktúráját: olyan mikro-repedések jelennek meg, melyek a jég felolvadása után az újra meginduló folyadékmozgás kitűntetett irányai lesznek.

A szivárgás tehát jóval nagyobb (akár 2 – 3 nagyságrenddel magasabb) hozammal indulhat meg a felolvadás után. A szivárgás üteme azonban a bentonit regenerálódó képességének köszönhetően újra csökkenni fog, különösen, ha a szigetelőlemezt a repedések záródását elősegítő hatékony (elsősorban normál-) terhelés is éri (F.4.15. ábra). „Maradó károsodásként” azonban még így is bekövetkezik a szivárgási tényező növekedése, amit célszerű figyelembe venni a szigetelőrendszer tervezésekor, illetve a lerakó használatbavételének ütemezésével meg kell akadályozni az átfagyás lehetőségét.

 

F.4.15. ábra

Bentonitok szivárgási tényezőjének változása egy fagyasztás – felengedés ciklus után

(HEWITT – DANIEL, 1997.)

A már említett bentonitokon végzett hasonló kísérletek eredményei azonban azt mutatják, hogy a későbbi fagyás – felengedés ciklusok további jelentős károsodást már nem okoznak (F.4.16. ábra).

F.4.16. ábra

Bentonitszőnyegek vízzáróságának változása többszöri

fagyasztás – felengedés ciklus során

(SZABÓ – HORVÁTH, 2001.)

F.4.2.4.2.     A többszöri kiszáradás és újranedvesedés hatása a szivárgási tényező értékére

A fagyás – felengedés ciklusokhoz hasonló hatást mutatnak a kiszáradás – újranedvesedés ciklusok is, melyek szintén az időjárásnak kitett (hulladékkal még nem fedett) szigetelőrétegben jelentkeznek elsősorban.

A mérések azt igazolják, hogy az előzetesen telített, majd 20 ˚C –on 24 órás száradási ciklusnak kitett minták szivárgási tényezője az első egy-két ciklus után mintegy 0.2 – 1 nagyságrendes növekedést mutat, azonban a jó minőségben előállított szigetelőpaplanok esetében a vízzáróság még így is a megkívánt értékű, és a nedvesítés – szárítás ciklusok számának növelésével további jelentős minőségromlás már nem volt tapasztalható (F.4.17. ábra).

 

F.4.17. ábra

Bentonitszőnyegek szivárgási tényezőjének változása többszöri

kiszáradás és újranedvesedés után

(SZABÓ – HORVÁTH, 2001.)

F.4.2.4.3.     A szennyezőanyagok hatása a bentonitszőnyegek vízzáróságára

A természetes anyagú szigetelők vízzáróságának a megváltozását részletesen tárgyalja a 3.4. fejezet, és az ott elmondottak értelemszerűen itt is érvényesek. A bentonitszőnyegek várható viselkedését a 3.9. táblázatban összefoglalt tendenciák alapján meg tudjuk ítélni.

A bentonitszőnyegek vízzáróságának változását szemléltetik a F.4.18. és F.4.19. ábrák, melyek olyan kísérletek eredményeit mutatják be, amikor a vizsgált szigetelőpaplanokon erős bázikus (0,1M NaOH, pH = 13), illetve erős savas (0,1M HCl, pH = 1) oldatot szivárogtattak át (RUHL – DANIEL, 1997.).

F.4.18. ábra

Na- és Ca-bentonitokon különböző nedvesítési eljárás után erős bázissal végzett kísérletek eredményei

(RUHL – DANIEL, 1997.)

F.4.19. ábra

Na- és Ca-bentonitokon különböző nedvesítési eljárás után erős savval végzett kísérletek eredményei

(RUHL – DANIEL, 1997.)

Az ábrákon mind a NaOH - oldat, mind a HCl – oldat átszivárogtatása esetén feltűnik a mért szivárgási tényező értékek közötti különbség a száraz, illetve a vízzel előzetesen telített minták eredményeiben. Az ok a pórustérben lévő víz pH-kiegyenlítő hatásában keresendő (F.4.20. ábra). Az ábra tanúsága szerint mind a bázisos, mind a savas átszivárogtatásnál a távozó folyadék kémhatása csak mintegy 10 – 15 pórustérfogatnyi átszivárgott mennyiség felett közelíti meg a befolyó oldatét.

F.4.20. ábra

A kísérleti folyadék kémhatása átszivárogtatás előtti és utáni értékei közötti eltérés kiegyenlítődése

(RUHL – DANIEL, 1997.)

A bázissal történő átszivárogtatásnál feltűnő a Ca-bentonitos, előnedvesített minta „minőségromlása” 5 – 10 pórustérfogatnyi átszivárgott folyadékmennyiség után. Ekkorra a Na+ -ion már akkora töménységben lehetett jelen a pórusfolyadékban, hogy az elegendő volt a szemcsék Ca++ -ionjaival történő kicserélődéséhez, azonban a szerkezeti átrendeződés már nem ment végbe.

A F.4.21. – F.4.22. ábrák különböző, forgalomban lévő bentonitszőnyegek csurgalékvízzel való összeférhetőségét (kompatibilitását) szemléltetik (forrás: RUHL – DANIEL, 1997.).


F.4.21. ábra

Valós kommunálishulladék csurgalékvízzel végzett szivárgási tényező vizsgálatok eredményeinek összehasonlítása

 (RUHL – DANIEL, 1997.)


F.4.22. ábra

Mesterséges veszélyeshulladék csurgalékvízzel végzett szivárgási tényező vizsgálatok eredményeinek összehasonlítása

(RUHL – DANIEL, 1997.)

A kísérleteket mesterséges és természetes csurgalékvizekkel végezték, a kísérleti folyadékok összetételét a F.4.3. táblázat foglalja össze.

A mesterséges csurgalékvizeknél az összetételt úgy választották meg, hogy az egyes alkotók a valós viszonyoknál jóval kedvezőtlenebb igénybevételt jelentettek, azaz a csurgalékvíz egy „agresszív kedvezőtlen esetet” képviselt.

F.4.3.  A kiválasztott szigetelőpaplan alkalmasságának megítélése a lerakóban fellépő mechanikai igénybevételek alapján

Míg a kiválasztás, illetve méretezés a geomembránok, más műanyag fóliák, illetve geotextíliák esetén a várható igénybevétel meghatározásával, majd a számított terhelés biztonságos elviseléséhez rendelt szükséges lemezvastagság megállapításával történik, addig a geoszintetikus – agyag szigetelőknél az egyes szőnyeg-típusok vastagságának állandósága (pontosabban a kívánt vastagság megválaszthatóságának hiánya) miatt a számítások a következők szerint módosulnak:

-        Meghatározzuk a depónia-aljzat egyenlőtlen süllyedése, vagy a rézsűkön fellépő húzó / nyíró hatások révén kialakuló erőket, majd

-        ezt összevetjük a termék műbizonylattal szavatolt, vagy laboratóriumban ellenőrzött (lásd F.4.2.2. fejezet) eredményeiből ismert teherbírással.

A F.4.23. ábra a szigetelőkre jutó mechanikai igénybevételeket tünteti fel.


F.4.3. táblázat

Bentonitszőnyegek csurgalékvíz – kompatibilitásának vizsgálatához használt kísérleti folyadékok (RUHL – DANIEL, 1997.)

Kísérleti folyadék

Összetétel

Mesterséges

kommunálishulladék

csurgalékvíz

0.15 M ecetsav

0.15 M nátriumacetát

0.007 M szalicil sav

1000 mg/l kalcium

pH = 4.4

Mesterséges

veszélyeshulladék

csurgalékvíz

400  mg/l aceton

200 mg/l benzoé sav

300 mg/l fenol

1000 mg/l metilklorid

100-200 mg/l kadmium

Természetes kommunálishulladék

csurgalékvíz

112  mg/l kalcium

520 mg/l klorid

358 mg/l nátrium

100 mg/l magnézium

4340 mg/l szulfát

2.5 mg/l fenol

116 mg/l aceton

9 mg/l benzol

11 mg/l toulol

41 mg/l etilbenzol

130 mg/l xylol

87 mg/l klórbenzol

1800 mg/l oldott anyag

687 mg/l KOI

254 mg/l BOI5

312 mg/l TOC

pH = 7.0

 

F.4.23. ábra

A szigetelőpaplanra jutó mechanikai igénybevételek

(SZABÓ, 1999.)

F.4.3.1.           Az alkalmasság megítélése a depónia-aljzaton bekövetkezett egyenlőtlen süllyedések elviselése alapján

Példaként tételezzük fel, hogy a F.4.24. ábrán látható szigetelés H süllyedést szenved, legyen:

H: a bekövetkezett süllyedés,

F: a szigetelőlemezben mobilizált erő (F f × d),

f: a szigetelőlemez folyási határa (vagy a megengedhető feszültség),

d: a szigetelőlemez vastagsága,

Ths: a hulladék és a szigetelőlemez közötti súrlódási erő,

Tst: a szigetelőlemez és a talaj közötti súrlódási erő,

T:   ,

:  a szigetelőlemezre a hulladék önsúlyából adódó normálfeszültség,

hs: a hulladék és a szigetelőlemez közötti súrlódási szög,

st: a szigetelőlemez és a talaj közötti súrlódási szög,

x: a mobilizált alakváltozási hossz,

h: húzófeszültség.

Egységnyi széles sávra felírva az erők x irányban vett vetületének egyensúlyát

F.4.24. ábra

A szigetelőlemezben ébredő erők az aljzat egyenlőtlen süllyedése során

(SZABÓ, 1999.)

F.4.3.2.           Az alkalmasság megítélése a rézsűoldalakon fellépő nyíróerők alapján

Ha az altalaj és a szigetelőlemez közötti súrlódási szög kisebb, mint a hulladék és a szigetelőlemez közötti, akkor jelentős nyíróerő léphet fel. A lemez alkalmasságának megítélése az előzőekhez hasonlóan igen egyszerűen megoldható. A F.4.25. ábra jelöléseivel az egységnyi széles sávra ható erőkre felírt lejtő irányú vetületi egyensúly:

ahol:

G: a szigetelőréteg önsúlya,

Fh: a fellépő nyíróerő,

:  adott mélységben a hulladék átlagterhelése.

Ekkor

F.4.25. ábra

A súrlódási erő különbségeiből származó nyíróerő számítása

(SZABÓ, 1999.)

F.4.4. Az épített agyagszigetelők és a geoszintetikus - agyag szigetelők összehasonlítása

A geoszintetikus – agyag szigetelők alkalmazhatóságáról ma még meglehetősen megoszlanak a vélemények. Az USA-ban gyakran alkalmazzák a természetes anyagú szigetelőrétegek helyett is mind aljzat-, mind  zárószigetelésként. Európában a hulladéklerakóknál jelenleg csak a lezárásnál alkalmazzák egyenértékű alternatív szigetelőanyagként. Előnyösnek tűnik az alkalmazása olyan lerakóknál is, ahol nagyobb hajlású oldalfelületet kell szigetelni és az agyagréteg beépítése nehéz és az egyenletes szigetelőképesség biztosítása megkérdőjelezhető. Alkalmazhatóságát ebben az esetben indokolja az, hogy a meredekebb dőlésű felületeken a csurgalékvíz rövid idő alatt „lefut”, s a „terhelés” gyakorlatilag rövid idejű.

Általánosságban a bentonit szőnyegek hosszú idejű várható viselkedésénél figyelembe kell azonban venni, hogy a Na-kation kicserélődése révén kedvező nehézfém megkötődés következhet be. A Na-ionoknak nagyobb értékű ionokra való cserélődésének az eredményeként nő a bentonit réteg nyírószilárdsága, miközben a duzzadási potenciálja csökken, s ennek következtében a réteg szivárgási tényezője nő.

A nehézfém-transzport tekintetében ezt igazolják a következőkben bemutatott kutatási eredmények is (FOOSE – BENSON - EDIL, 2002.).

A kísérlet során három különböző szigetelőrendszer esetén modellezték az átszivárgó hozamot, és két eltérő jellegű szennyeződés (kadmium és toulol) tömegfluxusát úgy, hogy a modellezett 1 ha-nyi területen feltételezték, hogy mindhárom esetben sérült a szigetelőréteg.

Szigetelőrendszerek: 1: 6,5 mm vastag geoszintetikus - agyag szigetelő (GCL), felette 1,5 mm vastag HDPE fólia (geomembrán), jelölés: GCL;

2: 60 cm vastag tömörített agyag (CCL), felette 1,5 mm vastag HDPE fólia (geomembrán), jelölés: CCL-60;

3: 120 cm vastag tömörített agyag (CCL), felette 1,5 mm vastag HDPE fólia (geomembrán), jelölés: CCL-120.

A rendszerek sérülése kör alakú, keresztmetszete 0,66 cm2, az egy hektárra eső sérülések száma 2,5. A csurgalékvíz nyomásszintje 30 cm.

Az eredmények a F.4.26., F.4.27. és F.4.28. ábrákon láthatók.

F.4.26. ábra

A szigetelőrendszereken átszivárgott hozam

(FOOSE – BENSON – EDIL, 2002.)

Ha a kísérleti eredmények közül pusztán a szigetelőrendszereken átszivárgott hozamokat tekintjük (F.4.26. ábra), megállapítható, hogy a bentonitszőnyegen mintegy két nagyságrenddel kevesebb folyadék jutott át, még több éves időtartalmú modellszámítás esetén is. Ugyanilyen kedvező a kép a nehézfém (kadmium) transzport esetén is (F.4.27. ábra), hiszen ezek a szennyezők csak a sérüléseken keresztül jutnak át a rendszeren (nincs diffúzió a geomembránon, illetve a geoszintetikus hordozórétegeken keresztül), így a szigetelőpaplanok ismert “öngyógyuló” képessége jelentős előnyökkel jár. A duzzadáson kívül a bentonitban lezajló ioncsere folyamatok révén jelentős mennyiségű nehézfém megkötődéssel is számolhatunk.

 

F.4.27. ábra

A szigetelőrendszereken átjutott kadmium-szennyezés tömegének differenciális és integrál-görbéje

(FOOSE – BENSON – EDIL, 2002.)

Vegyük azonban észre, hogy a CCL-120 jelű (120 cm vastag tömörített agyagból és 1,5 mm vastag HDPE fóliából álló) szigetelőn és a bentonitszőnyeg – HDPE kompoziton ájutott kummulatív transzport különbsége már egy nagyságrenden belüli.

A modellszámítást elvégezték egy könnyen illó szerves vegyület, a toulol esetére is (F.4.28. ábra). A szerves vegyületek transzportja diffúzió révén a szigetelők ép szakaszain keresztül is történhet. Ennek hatása észrevehető az ábrán bemutatott eredményekben is: a bentonitszőnyegen 15 – 20 –szor több toulol jut át, mint a vastagabb, tömörített, természetes anyagú szigetelőrendszeren.

A F.4.4. táblázat a hidraulikai jellemzők, a szennyezőanyag transzport, a fizikai, mechanikai hatásokkal szembeni viselkedés, valamint a kivitelezés, beépíthetőség szemszögéből hasonlítja össze a hagyományos tömörített agyagszigeteléseket a geoszintetikus – agyag szigetelőkkel.

Mint látható, a geoszintetikus – agyag szigetelők számos előnyös tulajdonsággal rendelkeznek a tömörített agyagrétegekkel szemben, amelyek közül külön is kiemelendő:

-        alkalmazásuk a helyi adottságoktól kevésbé függ;

-        kivitelezés közbeni helyszíni ellenőrző vizsgálatokat (vízzáróság) nem igényel;

-        a beépítés lényegesen egyszerűbb gépparkkal megvalósítható;

-        a kivitelezés üteme (előrehaladás) gyorsabb és kevésbé időjárásfüggő;

-        kis területek egyszerűbben szigetelhetők;

-        süllyedésre, süllyedéskülönbségre kevésbé érzékenyek, fagyérzékenységük kisebb, erózióval szembeni nagyobb ellenállóképesség;

-        könnyebb javíthatóság;

-        alacsonyabb építési költség.

Ugyanakkor hátrányuk a tömörített agyagréteggel szemben:

-        nagyobb sérülékenység;

-        kisebb adszorpciós kapacitás;

-        kisebb áttörési idő oldatok esetén;

-        nagyobb diffúziós fluxus.

A hátrányos tulajdonságok elsősorban a szennyezőanyag-visszatartó képesség területén jelentkeznek, amelynek az oka elsődlegesen a kis rétegvastagság. Valójában ma a két szigetelőanyag szennyezésvisszatartó képességének egyenértékűsége még nem teljesen tisztázott és általánosan nem is mondható ki, mivel az egyenértékűség mindíg specifikus, szigorúan körülhatárolt, csak az alkalmazás rögzített feltételei között lehet érvényes, és csak adott szennyezőanyagra vonatkoztatható. Az egyenértékűség kérdéseivel részletesen az 5. fejezet foglalkozik.

 

F.4.28. ábra

A szigetelőrendszereken átjutott toulol-szennyezés tömegének differenciális és integrál-görbéje

(FOOSE – BENSON – EDIL, 2002.)


F.4.4. táblázat

A geoszintetikus szigetelőanyagok (GCL) és a tömörített agyagrétegek egyenértékűségének összhasonlítása az aljzatszigetelőként való alkalmasság szempontjából

Az értékelési

A geoszintetikus szigetelőanyag valószínűleg

A megítélés

  hely és

  termékfüggő

kategória

kritérium

jobb

egyenértékű

nem egyenértékű

Hidraulikai és szennyező-anyag transzport

Hidrodinamikai fluxus

 

x

 

x

Diffúziós fluxus

   

x

x

Adszorpciós kapacitás

   

x

x

Áttörési idő: víz estén

  oldat esetén

 

x

x

x

x

Vízszintes szivárgás az átlapolásnál, rétegek között

 

x

   

Vízszintes szivárgás a geomembrán alatt

x

     

Konszolidációs víz képződés

x

     

Fizikai, mechanikai hatások

Teherbírás

     

x

Csúszási állékonyság

     

x

Süllyedés

 

x

   

Süllyedés különbség

x

     

Fagyérzékenység

x

     

Száradás-nedvesedés

x

     

Erózió érzékenység

     

x

Szerkezeti felépítés, beépít-hetőség

Beépíthetőség

x

     

Az anyag felhasználhatósága

x

     

Aljzat előkészítés

x

     

Építési előrehaladás

x

   

x

Lyukasztással szembeni ellenállóképesség, sérülékenység

   

x

 

Minőségbiztosítás

x

     

Vízszükséglet

x

     

Időjárási körülmények

     

x