| Abstract | Glinena geosintetička barijera (GCL) je tvornički proizvedena hidraulička barijera koje se
sastoji od mineralne i geosintetičke komponente. Danas se GCL intenzivno upotrebljava kao
brtvena barijera u pokrovnim slojevima odlagališta otpada s ciljem sprječavanja procjeđivanja
padalina u tijelo odlagališta te prodora plinova iz tijela odlagališta u atmosferu i okoliš. Posebna
pozornost se usmjerava na velike količine bioplina koje se stvaraju u tijelu odlagališta što je
najizraženije na početku životnog vijeka odlagališta. Obzirom da se radi o izrazitim
stakleničkim plinovima, potrebno je spriječiti njihovo slobodno izlaženje u atmosferu. GCL je
prepoznat kao vrlo efikasna hidraulička barijera, međutim sve više raste interes za
određivanjem efikasnosti GCL-a kao plinske barijere.
U ovom radu istraživanje je započeto karakterizacijom uzoraka bentonitne gline i GCL-a na
kojima je kasnije provedeno ispitivanje plinopropusnosti. S ciljem što detaljnije analize uzoraka
u laboratoriju su ispitana kemijska, fizička i indeksna svojstva bentonitne gline u njezinom
početnom stanju. Analizom granulometrijske krivulje uz primjenu jedinstvenog sustava
klasifikacije uzorci su klasificirani kao jednoliko graduirani (krupni ili sitni) pijesci. Takva
klasifikacija odnosi se na njihov oblik u proizvodnji GCL-a, a ne na mineraloški sastav obzirom
da su svi uzorci bentonitne gline. Gustoća čvrstih čestica kretala se u rasponu od 2,65 do 2,86
g/cm3. Rezultati ispitivanja indeksnih svojstava kod svih uzoraka ukazuju na glinu iznimno
visoke plastičnosti. Izmjerenim prosječnim vrijednostima volumena slobodnog bubrenja,
sposobnosti upijanja vode te indeksa gubitka fluida može se zaključiti da se radi o uzorcima
natrijskih ili kalcijskih bentonita potencijalno dobrih za primjenu u proizvodnji glinenih
geosintetičkih barijera.
Kako bi se odredila optimalna vlažnost GCL-a pri ugrađivanju u pokrovni sustav odlagališta
otpada, koja bi osigurala najmanji protok plina iz tijela odlagališta, pripremljeni su uzorci s
različitim početnim vlažnostima. S tom svrhom uspostavljen je postupak hidratacije uzoraka na
sloju vlažnog pijeska kojim su se uzorci bentonitne gline i GCL-a pripremali prije ugradnje u
troosnu ćeliju gdje se mjerila plinopropusnost. Metoda se pokazala vrlo učinkovitom, te se
analizom rezultata hidratacije dovoljno precizno odredilo potrebno vrijeme i odgovarajuća
vlažnost pijeska kako bi se pripremio uzorak bentonitne gline ili GCL-a ciljane vlažnosti prije
provedbe ispitivanja plinopropusnosti.
Modificiranjem postojeće troosne ćelije uz dodatnu primjenu kompresora za zrak, mjerača
protoka i uređaja za prikupljanje podataka osmišljena je procedura za ispitivanje
plinopropusnosti. Laboratorijsko ispitivanje plinopropusnosti provedeno je na uzorcima GCLa
i bentonitnoj glini kao zasebnoj komponenti. Izvedbom većeg broja ispitivanja
plinopropusnosti bentonitne gline i GCL-a uz korištenje različitih ulaznih parametara
omogućena je provedba parametarske analize, te su određena svojstva koja bitno utječu na
plinopropusnost. Parametarskom analizom uspostavljeni su odnosi početne vlažnosti i stupnja
saturacije uzoraka i propusnosti porozne sredine, kao i utjecaj granulometrijskog sastava uzorka
bentonitne gline na propusnost porozne sredine. Također se pratio utjecaj ćelijskog tlaka
prilikom konsolidacije uzoraka na promjenu volumena uzorka, jednako kao i utjecaj povećanja
ćelijskog tlaka kroz tri faze konsolidacije na plinopropusnost porozne sredine nakon svake od
triju faza. Pratio se utjecaj povećanja razlike tlaka zraka na propusnost porozne sredine kao i
djelovanje većih tlakova zraka na promjenu ili uspostavu protoka kod slabopropusnih ili gotovo
potpuno nepropusnih uzoraka bentonitne gline ili GCL-a.
Procedura ispitivanja se može podijeliti na nekoliko faza. Prva faza odnosi se na cjelokupnu
pripremu uzorka, od prethodno spomenute hidratacije za postizanje željene početne vlažnosti
pa do gotovog uzorka određene mase, visine i promjera. Druga faza se odnosi na ugradnju
uzorka u troosnu ćeliju pri čemu se uzorak izolira gumenom membranom, a ćelija ispuni
vodom. Treća faza je faza konsolidacije odnosno podvrgavanje uzorka određenom ćelijskom
tlaku s ciljem postizanja uvjeta u kojima se bentonitna gline i GCL-a nalaze u pokrovnom
sustavu odlagališta otpada. Nakon svih pripremnih faza slijedi faza mjerenja protoka zraka kroz
uzorak pri djelovanju određene razlike tlakova. Tijekom svih faza bilježe se i prikupljaju
podaci. Na kraju slijedi analiza u kojoj se uz pomoć svih izmjerenih i prikupljenih podataka
izračunava propusnost porozne sredine, k pri određenoj vlažnosti odnosno stupnju saturacije.
Ponavljanjem cjelokupne procedure postupno se razvijala, mijenjala i poboljšavala metoda
određivanja plinopropusnosti GCL-a u svrhu razvitka što praktičnije, jednostavnije i brže
metode za određivanje plinopropusnosti GCL-a i bentonitne gline.
Laboratorijska ispitivanja omogućila su identifikaciju parametara koji utječu na
plinopropusnost bentonitne gline i GCL-a. Uspostavljena je funkcijska veza između početnih
parametara (vlažnost, stupanj saturacije, početno naprezanje, oblik i vrsta bentonita) i
plinopropusnosti. Odnos stupnja saturacija i vlažnosti nasuprot plinopropusnosti porozne
sredine definiran je pravcem u polulogaritamskom mjerilu (w, Sr- log k) te se može zaključiti
kako porastom vlažnosti i saturacije uzorak postaje manje plinopropustan. Početno naprezanje
također utječe na vrijednosti plinopropusnosti porozne sredine koja ukazuje na smanjenje
propusnosti pri povećanju naprezanja. Oblik bentonitne gline, kao zasebne komponente, ne
utječe na plinopropusnosti pri malim početnim vlažnostima. Međutim kod uzoraka veće
početne vlažnosti, manje su propusni uzorci u obliku praha od onih u obliku granula.
U radu je prikazano kako je na temelju opsežnog programa laboratorijskog ispitivanja razvijena
nova metoda ispitivanja plinopropusnosti. Ta se metoda zasniva na upotrebi modificirane
troosne ćelije, poboljšanog postupka pripreme uzorka te nove procedure ispitivanja u troosnom
uređaju gdje se bolje mogu kontrolirati uvjeti u kojima se uzorak nalazi u odnosu na uređaje i
postupke koji su do sada korišteni i opisani u postojećoj literaturi. |
| Abstract (english) | Geosyntetic Clay Liner (GCL) is a prefabricated hydraulic barrier consisting of a mineral and
a geosynthetic component. Nowadays, GCL is readily implemented as a liner within the landfill
cover in order to prevent rainwater inflow and the emissions of landfill gasses into the
atmosphere and the environment. Special consideration is given to a large amount of biogas
produced in the landfill, which is most prominent at the beginning of the lifetime of any landfill.
Given that those are distinct greenhouse gases, it is essential to prevent them from freely
entering the atmosphere. GCL is recognized as a highly effective hydraulic barrier. However,
there is a growing interest in determining the efficiency of the GCL as a gas barrier.
Our research began with the characterization of samples of bentonite clays and GCL, later used
for permeability testing. With the aim of more detailed analysis of the samples, chemical,
physical and index properties of bentonite clays in its initial state were also tested. Based upon
the granulometric analysis, with the use of a unified soil classification system, samples were
classified as uniformly graded (coarse or fine) sands. Such classification refers to the size of
the grains obtained during the production of GCL's and not their mineralogical composition,
considering that all of the samples were bentonite clay. Solid particles’ density ranged from
2.65 to 2.86 g/cm3. The test results of index properties in all samples indicate an extremely
plastic clay. The measured average values of free swell volume, water absorption and fluid loss
index lead to the conclusion that samples were sodium or calcium bentonite, potentially
beneficial for use in the production of geosynthetic clay barriers.
To determine the optimal gravimetric moisture content of GCL for its incorporation in the
landfill cover, which would ensure the lowest flow of gas from the landfill, samples with
different initial gravimetric moisture content were prepared. For this purpose, a process of
sample hydration on a layer of wet sand was established and applied in order to prepare
bentonite clay and GCL samples for placing in the triaxial cell for gas permeability
measurements. The method has proven very effective, and the analysis of the results of
hydration was sufficient for precise determination of necessary time and the appropriate
gravimetric moisture content of sand, for preparation of bentonite clay or GCL samples before
gas permeability testing.
By modifying the existing triaxial cell with an additional application of the air compressor, flow
meter and data acquisition unit, the procedure for gas permeability testing was designed.
Laboratory testing of gas permeability was carried out on GCL samples and bentonite clay as a
separate component. By conducting a number of gas permeability tests on bentonite clay and
GCL, parametric analysis was conducted, and certain properties that significantly affect gas
permeability were established. Parametric analysis describes the relationship of initial
gravimetric moisture content and the degree of saturation of samples with respect to the final
permeability of porous media, as well as the influence of particle size distribution of the sample
bentonite clays on permeability of porous media. The impact of cell pressure, during the
consolidation of samples, upon the change of sample volume was observed as well. This
includes the impact of increasing the cell pressure through three phases of consolidation on
porous media gas permeability after each of the three phases. The effect of increasing the
difference in air pressure on the permeability of porous media was observed, as was the effect
of higher air pressures on the change or initiation of the flow for samples with low permeability
or practicaly impermeable samples of bentonite clay or a GCL.
The test procedure can be divided into several stages. The first phase refers to the sample
preparation, from the aforementioned hydration used to achieve the desired initial gravimetric
moisture content, up to the final sample of certain weight, height and diameter. The second
phase was the installation of the sample in a triaxial cell in which the sample was isolated using
a rubber membrane and the cell filled with water. The third phase was the stage of consolidation,
subjecting the sample to specific cell pressure in order to achieve conditions endured by the
bentonite clay and a GCL within the landfill cover. After all the preparatory stages, gas flow
measurement through the sample with certain pressure difference was performed. During all
the phases, data was recorded and collected. In the end, utilizing all the measured and collected
data, intrinsic permeability (k), gravimetric moisture content and the degree of saturation, were
calculated. By repeating the whole procedure, the method for gas permeability determination
of GCLs was gradually developed, changed and improved for the purpose of developing of a
more convenient, simpler and faster method.
Laboratory tests enabled the identification of parameters that affect gas permeability of
bentonite clay and GCLs. A functional relationship between the initial parameters (gravimetric
moisture content, degree of saturation, consolidation pressure, shape and type of bentonite) and
permeability was established. The relationship between the degree of saturation and gravimetric
moisture content versus intrinsic permeability is linear, and it can be concluded that by the
increase in the gravimetric moisture content and saturation, the sample becomes less permeable
to gas. The initial stress also affects the value of intrinsic permeability, which indicates that
permeability decreases with the increase of stress. The form of bentonite clay, as a separate
component, demonstrates an effect on the change in permeability only in case of samples with
higher moisture content. In such cases, lower permeability of powdered samples is observed in
comparison to the permeability of granular once.
This study describes how, based on extensive laboratory testing program, a new gas
permeability test method was developed. This method is based on the use of modified triaxial
cell, the improved method of sample preparation as well as the new test procedure, in triaxial
device where the conditions, under which the sample is, can be controlled better than in devices
and procedures that have so far been used and described in the literature. |
