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

20d>1

frakcja piaskowa

2d>0,05

1>d>0,1

frakcja pyłowa

0,05d>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.