VH/meddelande
438
2
1985
Nivå m
2004
299
VM
198 T
196 4
å
RÖR
E Lemg mjälig mo
m=
_ 194 F
N RÖR
192", Å. k [MnA& X . 7 190 + aåå'd' Gv.yta & "F i Tr" T T s e r 1 30 : 20 10 0 0 10 20 30 m ) ] Avstånd från vägmitt Aa] !|
'
40
Koppar
30
oh
i 20 = a WSulfidhaltiga materials påverkan på miljön i och omkring vägar
Delrapport 7
Lars Bäckman och Curt Wichmann
?Väg06/7 Tfäfl/f Statens väg- och trafikinstitut (VTI) * 581 01 Linköping Stlllltet Swedish Road and Traffic Research Institute * S-581 01 Linköping Sweden
VHmeglanâei_
438
'
,935
Sulñdhaltiga materials påverkan på miljön i
och omkring vägar
De/rapport 7
Lars Bäckman och Curt Wichmann
VTI, Linköping 1 986
crt»
T Våg-00,) Faük- V
Statens väg- och trafikinstitut (VTI) - 581 01 Linköping
' t Swedish Road and Traffic Research Institute 0 8-58 1 0 1 Linköping Swedenlaboratoriemätningar. Projektet har bekostats av egna medel, men
syftar till att senare erbjudas externa uppdragsgivare.
Under sommaren 1984 arbetade geologistuderande Thor Wahlberg,
Göteborg, i projektet och han redovisar också resultat 1 mom. 4.1.
Linköping mars 1985
Lars Bäckman" och Curt Wichmann
ABSTRACT SAMMANFATTNING SUMMARY l INLEDNING 2 ARBETSUPPLÄGGNING LITTERATURUNDERSÖKNING l 2 Urlakning från vägkropp .3 Lakförsök i laboratorium _
4 Korrosion av anläggningar i vägen
LABORATORIEFÖRSÖK Lakförsök
Undersökta material
Utrustning vid laboratoriet Provtagningsförfarande Beräkning av infiltrerad mängd Resultat Korrosionsförsök Försöksuppläggning Resultat v1 4 ? t h -i F F F ? F F F F F * ° 0 N r -N N N r -h -h -i -r -i -o O O O 0 0 FÄLTFÖRSÖK Grundvattenprovning Hultåstjärn. Väg 870, Falun-Toftbyn
Bersbo. Väg 741, Åtvidaberg-Bersbo
Korrosion av stålrör Kopparslagg från Rönnskär Granulerad kopparslagg Lakförsök i laboratorium Provtagning i fält Korrosionsförsök i fältvwwwvwwwwm wwwwwwr
r
w
N r _ -a m m u-6 SLUTSATSER 7 FORTSATTA PROVNINGAR LITTERATURLISTA BILAGA l BILAGA 2 BILAGA 3 VTI MEDDELANDE l4138Nedbrytning av sulfidhaltiga material
II III
Statens väg- och trafikinstritut "(VTI)
581 01 LINKÖPING
REFERAT
Meddelandet syftar till att studera processerna som styr vittring och nedbrytning av sulfidhaltigt material i vägkonstruktioner. Detta har gjorts genom att studera litteratur i ämnet, utföra lak- och korro-sionsförsök i laboratorium, prova grundvatten och torv kring vägar som uppbyggts av sulfidhaltigt material samt placera ut galvaniserade och ogalvaniserade rör i vägkonstruktioner som kan misstänkas vara upp-byggda av korroderande material (granulerad kopparslagg från
Rönn-skär).
Vidare beskrivs försök gjorda vid Boliden Metall AB, Rönnskär, på
granulerad kopparslagg. Materialet har lakats i kolonn och prov har tagits från recipienter omkring vägar uppbyggda med slagg. Korrosions-försök har gjorts i väg uppbyggd av slagg, där olika metall- och betongstavar har placerats horisontellt och vertikalt i vägen.
Meddelandet redovisar initierade försök och beskriver program för
fortsatta försök. Slutrapport är beräknad till vintern 1985/86.
The influence of aggregates with sulfidic content on the environment
around roads. Report l.
By Lars Bäckman and Curt Wichmann
Swedish Road and Traffic Research Institute (VTI)
5-581 01 LINKÖPING Sweden
ABSTRACT
The aim of the report is to study processes that cause wheathering and degradation of aggregates with sulfidic content in roadconstructions.
This is done through a review of literature in the area, laboratory leachingu and corrosiontests, analyses of groundwater and peat around
the roads, loocking at the effects of granulated slag on galvanized and ungalvanized pipes in the roads.
Trials on blastfurnace copperslag done at Boliden Metall AB are also described. The ,slag has been leached in columns and samples have been
taken out from the recipients aroundiroads built up by slag.
Corrosion-tests have been done in roads built up by slag, by placing different metal
and concrete pipes both horizontal and vertical in the road.
The report shows results from initiated trials and describes a program for continuous trials. A final report will be published during winter 1985/86.
Sulfidhaltiga materials påverkan på miljön i och omkring vägar. Delrapport 1
Av Lars Bäckman och Curt Wichmann
Statens väg- och trafikinstritut (VTI)
581 01 LINKÖPING
SAMMANFATTNING
Meddelandet syftar till 'att studera processerna som styr vittring och
nedbrytning av sulfidhaltigt material i vägkonstruktioner samt eventuell skada i form av korrosion som nedbrytning kan orsaka. Detta har gjorts genom att studera litteratur i ämnet, utföra lak- och korro-sionsförsök i laboratorium, prova grundvatten och torv kring vägar som uppbyggts av sulfidhaltigt material samt placera ut galvaniserade och ogalvaniserade rör i vägkonstruktioner som kan misstänkas vara upp-byggda av korroderande material (granulerad kopparslagg från
Rönn-skär).
Urlakningen, som provades med hjälp av lakning i kolonn, gav följande resultat:
- Urlakning av sulfid och tungmetaller förekom.
- Lakvattnets halter var i början mycket höga för att snabbt sjunka och därefter långsamt öka till ett jämnviksläge.
- Halterna i lakvattenlösningen behöver nödvändigtvis inte ha samma inbördes relation som halterna i det lakande stenmaterialet. Det är lösligheten av mineralen i kombination med pH som avgör i vilken utsträckning katjoner lakas ut.
- Trolig process till nedbrytning sker genom bakteriell lakning.
Fältprovtagning har utförts vid två vägar uppbyggda med sulfidhaltiga material. I sidlutande terrängläge har halterna av tungmetaller varit betydligt förhöjda nedanför vägen vilket tyder på att lakning från vägkroppen ägt rum.
Korrosionsförsöken i laboratoriet visar att:
- Korrosionen är större i sulfidhaltigt material än i
referensmateria-let (naturgrus).
Korrosionen är större i finkornig slagg (0-2 mm) än i material med
bärlagerkurvans sammansättning (0-16 mm).
Galvaniserad plåt korroderar mindre än ogalvaniserad.
Meddelandet .beskriver också försök gjorda på granulerad kopparslagg
vid Boliden Metall AB, Rönnskär, där lakförsök gjorts i kolonn, vatten-provtagning skett kring vägar uppbyggda av slagg samt korrosionsförsök utförts i väg. Av resultaten framgår att:
Halterna i lakvattnet ökar med avtagande genomströmningshastig-het.
Resultatet varierar kraftigt, troligtvis beroende på stor variation i slaggens sammansättning.
Laklösningarnas sammansättning från vägprovtagning varierar kraf-tigt. Halterna avtar snabbt från vägen och vinkelrätt ut. Naturliga bakgrundsvärden har inte undersökts.
Korrosionen i slagg av galvade stålrör är hälften så stor som korrosionen på ogalvade stålrör vid fältförsök.
Korrosionen var påtagligt större depare ner i vägkonstruktionen uppbyggd av slagg än högre upp i vägen.
Slutligen redovisas projektets fortsättning:
Slutföra igångsatta försök.
Utveckla laboratorie- och fältmetoder.
Studera andra vägprojekt som är uppbyggda av miljöriskmaterial och
studera urlakningen.
Beräkna vattenflöden, vittringsförlopp och omfattning.
Resultatet kommer att sammanställas under vintern 1985/86.
Swedish Road and Traffic Research Institute (VTI)
5-581 01 LINKÖPING Sweden
SUMMARY
The aim of the report is to study processes that cause wheathering and degradation of aggregates with sulfidic content in roadconstructions, but also possible damage through corrosion which the degradation may cause. This is done through a review of literature in the area, laboratory leaching- and corrosiontests, analyses of groundwater and peat around the roads, loocking at the effects of granulated slag on galvanized and ungalvanized piopes in the roads.
Leaching has been tested in column and gave the following results: - Leaching of sulfides and heavy metal existed,
- -Content in leachates was at the beginning comparatively high, but sank quickly and thereafter increased to a state of equilibrium,
- Grades in leachate do not necessarily have the same internal
relation as grades in the leached aggregates. It is the solubility of minerals in combination with pH that decides in what extent cations
will leach,
- Probable degradation process takes place through bacteriological leaching.
Field sampling has been carried out at two roads built by sulfidic aggregates. In transversal slopes grades of heavy metals are significant-ly higher downwards the road which indicate that leaching exists in the
road.
I
Corrosiontests in laboratory show that:
- Corrosion is more extensive in sulfidic aggregates than in reference
aggregates (gravel),
- Corrosion is more extensive in fine-grained slag (0-2 mm) than in
materials with grainsize-distribution of base-course (0-16 mm),
- Corrosion ongalvanized plates are less than on ungalvanized.
The report also describes tests where blast furnace copperslag from
Boliden Metall AB has been leached in columns, water samplers done around roads built up by slag and corrosiontests done in the roads.
From the result we can draw the following conclusions:
- The grades in leachates increase with decreasing
perculation-velocity,
- Results varies extensively, probably depending on great variations in
slag content,
- The content in leachates from roadsamples varies a lot. The grades
decrease rapidly from the road and perpendicular out. Natural
background values have not been examined, _
- Corrosion in slag of galvanized steel-pipes is half as big as corrosion
of ungalvanized steel-pipes at field-trials, .
- Corrosion is considerably higher deeper into the road construction
built up by copperslag than higher up in the road.
Finaly the continuation of the project is presented: - Finish started tests,
- Development of laboratory and field methods,
- Find other road projects that are built up by hazardous
environmen-tal materials and study leaching, i
- Calculate waterflow, degradation-course and extension.
Results will be presented during winter 1985/86.
användning till vägbyggnadsändamål. Dessa material kan i huvudsak
beskrivas som att de antingen består av svaga bergarter, som tex
skiffer, kalksten och vittrande bergarter, eller har halter av ämnen som kan äventyra miljön i och omkring vägen. Vidare är ett material som har en ofullständigt kornfördelningssammansättning också ett
margi-nellt material.
De material som kan äventyra miljön omkring vägen kan antingen bestå av organiskt eller oorganiskt farliga beståndsdelar.
I denna rapport har behandlats enbart de marginella material som innehåller i huvudsak oorganiska kemiska beståndsdelar, som t ex sulfid-bundna tungmetaller.
Den risk de eventuella miljöfarliga materialen kan utgöra för vägens omgivning är antingen att sprida tungmetaller i recipienterna och åsamka problem i brunnar och vattendrag, och/eller genom nedbrytning av sulfid till sulfat orsaka korrosion på stål- och betongkonstruktioner i vägkroppen. Vidare betyder nedbrytningen försvagning av stenmateria-let i vägkonstruktionen.
Syftet med undersökningen har dels varit att studera förloppet i naturen genom fältförsök, dels att försöka upprepa försöken i laboratorium, helst under accelererade förlopp.
Laboratorieförsöken syftar också till att om möjligt bedöma
materia-lens egenskaper i vägkonstruktioner samt föreslå åtgärder för att
förhindra skador.
I denna delrapport presenteras också en litteraturundersökning och
beskrivning av försök som initierats och vissa resultat från dessa. Senare kommer fortsatta undersökningar att genomföras, varför i senare rapporter kommer att presenteras resultat., slutledningar samt ev förslag till labortatoriemetoder och åtgärder.
provats i laboratoriet finns redan som vägyggnadsmaterial. Dessa har provats med avseende på möjlighet till urlakning, urlakningsprocess, hastighet samt korrosionsförmåga. Resultatet har jämförts med prov-tagning av miljö omkring vägar uppbyggda av samma material samt initiering av korrosionsförsök i väg.
Genom litteraturundersökning har studerats parallella andra försök inom liknande områden. Aktivt samarbete har förekommit med bl a följande företag och organisationer:
- Linköpings universitet: Tema - vatten
- IVL (Institutet för Vatten-och Luftvârdsforskning)
- Korrosionsinsitutet .
-
SGI (Statens geotekniska institut)
- Uppsala universitet: institutionen för geologi - Stockholms universitet: Inst för mikrobiologi
Vattenanalyser har utförts av Linköpings universitet Tema-vatten med atomadsorptionsmetorna. Proverna har filtrerats med mikroporrofilter
(OA/lm). Följande element är analyserade: Fe, Pb, Cu, Mg, Zn, Cd, K, 5042' samt Cl". Bergartsanalyser är utförda vid Boliden Metall AB, Skelleftehamn, samt torvprover analyserade vid SGAB, Luleå.
3 LITTERATURUNDERSÖKNING
3.1 Nedbrytning av sulfidhaltigt material
Sulfidmineralen är vanligtvis svårlösliga i vatten, men genom vittring, förorsakad av oxidering och/eller bakteriell nedbrytning, kan mineralen fås att sönderdelas och spridas omring deponin. Den mekaniska neddel-ningen av sulfidhaltigt material är vanligtvis långsam, men under vissa förutsättningar kan den bakteriella nedbrytningen gå förhållandevis snabbt.
producera korrosionsfarliga lösningar. Kravet är att det finns metall-föreningar och att miljön är sådan att bakterierna trivs.
Den vanligaste bakterien för nedbrytning av svavel-metallföreningar tillhör familjen THIOBACILLUS. Dessa bakterier kräver främst fukt, värme samt pH 2-5. Svavelhaltiga mineral är främst svavelkis (FeSz) och magnetkis (FeS). Bakterierna utvinner energi genom att oxidera
sulfider (52 '), svavel (50) och thiosulfat (52032') till sulfater (5042")
samt i ett senare steg genom att oxidera järn (II) till järn (III).
Sulfiderna förekommer oftast som metallsulfider, och när sulfiderna
oxideras till svavelsyra frigörs samtidigt metallen som går i lösning som
metalljon.
l. MeS t1513353in2+ + so +
ze-2. 50+ 21-120 + 302 *252 2st04
Den producerande svavelsyran kan i sin tur lösa upp olika metallsulfider varvid sulfiden och sulfaten bildar svavel, vilket enligt reaktion 2 kan oxideras bakteriellt till svavelsyra igen
3. 3MeS + 8H+ + 5042.» 3Me2+ + 450 + auzo
Vid lägre pI-I oxideras järn (II) till järn (III) enligt 4. Fe2+ bal-153 Fe3+ + e'
Järn (III) reduceras och bildar "rost" enligt
5. Fe3+ + 21-120 -oFeO OH + 3H+
Qvarfort (1979) nämner i sin rapport att huvudorsaken till nedbryt-ningen och urlaknedbryt-ningen av tungmetaller är pyritvittringen. .Pyrit är
avsevärt mycket mer lättnedbrutet än andra sulfider, och har bara
bakterierna fått möjligheten att bryta ned pyrit och därmed producera
att kunna bryta ned sulfider kräver också bakterien ett lågt pH (<4). Det betyder att sulfidhaltigt material kan ligga inaktivt i jorden under mycket lång tid pga för högt pH orsakad t ex av kalkrik miljö. Om pH sjunker pga t ex en regnskur med mycket lågt pH eller översköljning av ytvatten med lågt pH, kan den bakteriella urlakningen starta enligt formel 1 och 2 ovan. Härvid produceras pH nedsättande svavelsyra som ytterligare accelererar den nedbrytande processen av sulfidhaltiga jordarter. Vidare kan omgrävning och luftning av reducerande jordart initiera bakterieurlakning.
Naturens egen buffringsförmåga kan ske på två sätt enligt Qvarfort
(1983). Genom nedbrytning av bergartsbildande mineral i naturen åtgår
vätejoner, varvid pH stabiliseras. Också kalcium i kalksten samt
magne-sium har denna neutraliserande verkan. Sammanfattningsvis kan den huvudsakliga vittringen och buffringen beskrivas
6. CaCO3 + H+-- -Ca2+ + Hco3- (buffring)
och jonbyte i fältspater
7. CaAIZSizOg + 3H20 - A1251205(OH)4 + Ca2+ +
on-Reaktionerna som sker med hjälp av bakterierna är exoterma dv s
avger värme. Det betyder att bakterieprocessen i sig själv höjer
temperaturen upp till ett optimalt värde. Bergh (1981) beskriver från
Bingham hur temperaturen vid industriell användning av bakterierna för utvinning av koppar från restmaterialet vid gruvbrytning (lakning), går upp till 80°C inne i malmhögarna. Han 'konstaterar också att bakterien Thiobacillus arbetar bäst i totalt mörker, vägrar att tjänstgöra vid nollgrader samt trivs bäst 'under pH 2.6. Har dock reaktionen startat behöver inte nödvändigtvis de svenska vintrarna hindra reaktionen från
att fortskrida.
Skiffer i svenska fjällranden innehåller 2-5°/o svavelkis tillsammans med
kalkspat, vilken förhindrar bakteriell urlakning. Men i takt med de
Kolskiffer från England innehåller vanligtvis små halter av svavel
(<5%). Sherwood Ryley (1970) har undersökt farligheten hos dessa
svavelhaltiga material vid betongtillverkning. Materialet får inte hålla mer än 2 g 503 per liter i en lösning av skiffer i vatten (lzl) vid cementkonstruktioner. Om materialet ska stabiliseras med cement får
inte syralösliga sulfidinnehållet överstiga 1% 503. Ska materialet
där-emot användas som bankfyllnad, speciellt vid god dränering, är gräns-värdena något höga, men Sherwood påpekar att svavelhaltigt material inte får användas närmare än 0,5 m från betongkonstruktioner.
Grube (1971) beskriver en liknande metod, där man med hjälp av peroxid
(1-1202) får oxidationen av pyrit att gå mycket snabbt och därmed
erhål-ler man ett mått på den potentiella syrabildningskapaciteten.
3.2 Urlakning från vägkropp
I en vägkropp uppbyggd helt eller delvis av sulfidhaltigt material sker
vittring av sulfidmineralen, vilket leder till försurning och ökad metall-urlakning. Denna vittringsprocess kan påverka:
- den omgivande miljön genom försurning och genom att miljöfarliga
ämnen (t ex tungmetaller) tillförs omgivningen,
- betong- och metallkonstruktioner i och i närheten av vägen (broar,
trummor etc), genom att det sura (aggresiva) lakvattnet ger en
kraftigare korrosion. Bakteriell produktion kan också slamma igen dräneringsrör eller trummor,
- vägbyggnadsmaterialet genom att vittringen kan försämra materia-lets hållfasthetsegenskaper. Detta kan alltså medföra minskad bä-righet och ge deformationer i vägkroppen.
De hydrologiska faktorer som påverkar urlakning från en vägkropp med sulfidhaltigt material framgår av figur 1. Vatten kan tillföras det
sulfidhaltiga materialet dels genom tillrinning (yt- eller grundvatten),
dels genom nederbörd. Från vägkroppen avgår vatten genom
Nederbörd
l' Avdunstning
\
thattenfillrinning
T
Grundvatten-\
tillrinning
dvrinning
vallen
Grundvatten- \
uvrinning
Figur 1 Hydrologiska faktorer som påverkar urlakning och transport
av ämnen från en vägkropp.
En väg konstrueras normalt så att överbyggnaden (vägkroppen) är
dränerad, dvs inget vatten tillförs överbyggnaden genom yt- eller
grundvattentillrinning (jfr figur 1). I praktiken förekommer dock höga
vattenflöden, t ex vid snösmältning som gör att ytvatten kan tränga in i överbyggnaden. Dessutom kan dikenas funktion försämras mer eller mindre kraftigt till följd av erosion i slänter och igenväxning. Detta kan medföra att vatten däms upp i dikena och tränger in i överbyggnaden
via innerslänterna.
I normalfallet (figur 1) är dock det enda vatten som tillförs överbygg-nadsmaterialet, den nederbörd som infiltrerar i beläggning och inner-slänter och sedan perkolerar genom överbyggnaden. På sin väg genom överbyggnaden tar detta vatten med 'sig vittrade ämnen och tillför
När det gäller infiltration i bituminösa beläggningar har flera undersök-ningar (bl a Ridgeway, 1976) visat att även relativt nya beläggundersök-ningar släpper igenom mycket vatten. I äldre beläggningar kan så mycket som 70% av den nederbörd som tillförs beläggningsytan infiltrera genom beläggningen (Cedergren år Kneeland, 1974). I regel sker huvuddelen av infiltrationen i några få, relativt stora sprickor.
De största koncentrationerna i lakvattnet uppkommer strax efter
kraftiga flöden (muntlig uppgift, U. Qvarfort). Detta beror på att
vittringen fortgår kontinuerligt medan transporten av vittrade ämnen sker stötvis i samband med större flöden. Under "torra perioder" sker alltså en upplagring av vittringsprodukter som sedan transporteras bort i samband med något kraftigt flöde. Vill man påvisa att en vittrings-process pågår och att vittringsprodukter tillförs yt- eller grundvatten, är det alltså synnerligen viktigt att provtagningen görs i anslutning till
större flöden (regn). Detta bekräftas också av de provtagningar som
utförts vid väg 870, Falun-Toftbyn (se avsnitt 5.1.1).
Redan i den omättade zonen under en deponi sker en begränsning av spridningen genom gasutbyte i marken, oxidation, vidhäftning till lermi-neral och biologisk nedbrytning (Taylor, 1979). När lakvattnet sedan tillförs yt- eller grundvatten sker en utspädning. Generellt gäller att utspädningen är proportionell mot transportavståndet. Stora skillnader föreligger dock vad gäller olika jord- och bergarters förmåga att reducera (buffra) halterna i grundvattnet. Så länge halterna av buffrade element är högre än motsvarande jämviktshalter i det opåverkade grundvattnet har jorden eller berget en kapacitet att reducera halterna (Qvarfort, 1983).
Även när detgäller olika ämnens transportförmåga finns stora skillna-der. Enligt Jacks (1976) lakas koppar och bly ut i relativt små mängder
och uppträder ofta associerat med partiklar (mineralkorn, organiska
ämnen), vilket gör att dessa ämnen inte transporteras så långt i
Vad som är en riskfylld förhöjning av miljöfarliga ämnen i en recipient kan vara svår att fastställa eftersom man oftast saknar naturliga bakgrundsvärden. Detta framhåller också Lee år Jones (l978) som menar att det krävs många analyser under lång tid för attkunna bestämma
korrekta bakgrundsvärden. De påpekar också att det inte är
koncentra-tionen av ett visst ämne som är kritiskt utan snarare ämnets rörlighet i
vattensystemet.
Slutligen bör framhållas att man i vissa fall även användersulfidhaltigt
material som bankfyllnader, t ex genom myrområden (jfr avsnitt 5.1.2). De hydrologiska förhållandena vid en sådan konstruktion blir naturligt-vis helt annorlunda jämfört med när man endast har en överbyggnad av sulfidhaltigt material. I det fall man har en bankfyllnad genom ett myrområde kommer större delen av materialet att ligga under grund-vattenytan och huvuddelen av vittrings- och urlakningsprocessen kom-e mer att pågå i en zon strax över grundvattenytan. De horisontella vattenrörelserna i ett myrområde är vanligtvis små varför spridningen från vägbanken sannolikt blir begränsad.
3.3 Lakförsök i laboratorium
Det är ofta önskvärt att bedöma miljöfarligt materials uppträdande i naturen genom accelererade förlopp i laboratorier.
Fördelen är att man kan på kort tid och under kontrollerade förhållan-den undersöka om och hur nedbrytning sker.
Nackdelen är att man vanligtvis inte kan variera alla de parametrar som förekommer i naturen samtidigt med någon större precision t ex vattenflöde och -sammansättning, lufttillgång, dräneringshastighet,
temperatur. Genom laboratorieförsök kan man undersöka de pessimala
förhållanden m a 0 det värsta som kan ske i naturen.
I Kol-Hälsa-Miljöprojektet sammanställdes följande krav på vad ett
2. Vilka faktorer bestämmer denna halt?
Hur stor är den totalt urlakbara mängden av A från en given avfalls-mängd?
#. Hur ser lakningsförloppet ut i tiden?
Undersökning av nedbrytningen av riskmaterial sker i huvudsak på
följande sätt:
- Lakning antingen som skaktest (satsförsök) av provmaterial i lösning
eller kolonnförsök.
- Icke lakförsök där man studerar parametrar som har betydelse för
urlakning, tex pH, buffrat pH och syraåtgång, total svavelhalt, _ svavelkishalt, total neutraliseringskapacitet samt konduktivitet
(Wright m fl 1982).
Skaktestet utförs så att provmaterialet sätts under vatten i en kolv och provet skakas därefter med oscillerande rörelse. Laklösningen undersöks på halt av lösta ämnen. I kolonnförsök är materialet luftat och vid enskilda tillfällen låter man en begränsad mängd vatten strömma igenom kolonnen varefter laklösningens innehåll av lösta element analy-seras. Wright m fl (1982) jämför i första hand lakförsöken där man kan konstatera följande skillnader:
Satsförsöket har den fördelen att det är lätt att utföra, att flera typer
av miljöpåverkan kan simuleras separat. Försöket är reproducerbart
samt snabbt och billigt. Nackdelarna är att det inte återger insitu miljön och att proverna inte kan anpassas till miljön. Vidare undersöks
inte bakteriell nedbrytning. Kolonnförsök har fördelen att de mycket
bättre kan återge den miljö som materialet ska användas i och vattnet kan hållas på olika sätt allt efter behov av att efterlikna den verkliga situationen. Men nackdelen är att metoden ger problem med reprodu-cerbarheten, man får lätt kanaler utefter ojämt packade dränerande partier i kolonnen, kanteffekter, tar lång tid samt är dyr.
Wright m fl gjorde också lakförsök med dessa bägge metoder. I de
senare försöket användes glaskolonner med teflon ventil i botten. För att förhindra att finkornig aska satte igen ventilen fanns ett filter på vilket vilade en bädd av grus av varierande kornstorlek. Ovanför detta låg antingen ren aska eller en blandning av aska och jord. Ett svart hölje omgav kolonnen hela tiden för att förhindra algtillväxt. Innan försöket sattes igång fick materialet stå ett dygn för att mättas i destillerat
vatten.
Försöksserien gick ut på att prov togs varje dag genom att öppna ventilen och låta 250 ml rinna ut med en hastighet av 125 ml/min. Därpå bestämdes pI-I och provet förvarades vidare i kylskåp för senare
analyser. 250 ml destillerat vatten hälldes på för att kompensera den
borttagna mängden. Analysen omfattade olika organiska beståndsdelar,
Pb, Cd, kloridhalt och sulfathalt. Total urlakad mängd bestämdes genom
att multiplicera medelkoncentrationen per vecka med total volym passerat vatten. Detta värde dividerades med vikten _på den lakade
massan.
Ett nästan identiskt försök att bestämma metallurlakningen ur granule-rad slagg har gjorts av Boliden och presenteras separat 1 mom. 5.3.
Kraftiga variationer iurlakade mängder av Cu, Zn, As, Fe, Pb, Cd och
Hg redovisades. Detta berodde på, menade Boliden att slaggen var upp-byggd av flera olika faser och var inte något homogent material. Vissa av dessa s k faser kunde vara mer lättlösliga i vatten. Lakningsvattnet höll i de två parallella försöken pH 7 respektive pH 4 och avtappning från kolonnerna skedde med olika hastigheter.
ASTMDB987-81 beskriver en standardmetod för att undersöka lakning av lösligt material i en vattenlösning vid speciella förutsättningar. Metoden kräver att det undersökta provets kornstorlekssammansättning överensstämmer med det som ska provas, ty mängd urlakat material är direkt beroende av mängd yta hos partiklarna.
Jones och Lee (1978) utförde satsförsök på muddermassor. De blandade en volymsandel massor med fyra volymsandelar vatten och skakade provet i 30 minuter. Därefter fick provet sedimentera varefter det
filtrerade och analyserades på lösta element. Jones och Lee's försök tar
ca 1,5 timmar vilket de anser är den tid det tar för vatten att penetrera
muddermassor i fält.
Steward m fl (1983) undersökte _skiffer som innehöll svavelkis. Ett 10 g prov på materialet (<500 mm) ' blandades i en kolv med 250 ml 044% Hz 504. Provet omrördes och 20 ml prov togs ut för analys. Efter en vecka konstaterades att reaktioner forfarande pågick, och
koncent-rationen ökade i lösningen (figur 2). Han konstaterade vid lakförsöket
att
1
'
- syra konsumerades och katjoner frigjordes till vätskefasen,
- reaktionstiden är kort (timmar-dagar).
Ee Concermation .. pg/l ' 200< . /Mg / ° / : /
Fresh ac.d after / 48 hoors //
/ / Ca
Time after start of :eachmg
Figur 2 Urlakning av katjoner vid lakförsök (Steward m fl 1983)
Rademaker m fl (1981) redovisade ett försök där destillerat vatten fick
penetrera kolaska i en kolonn. Kolonnen var 1,14 m hög och innerdiame-ter 9,5 cm. Provmängden var 0,5 kg.
1 det första steget analyserades lakvattnets innehåll av bl a
tungmetal-ler, 5042', Cl', alkalinitet samt eventuellt innehåll av organiskt
material. 500 ml destillerat vatten tillsattes varefter provet fick stå i
24 timmar. Därefter tappades 250 ml för analys varefter 250 ml
destil-lerat vatten tillsattes kolonnen. Samtliga analyser visade på höga initialhalter, varefter halten sjönk till ett konstant värde (figur 3).
_.-- - ._., -.-.-.._._ ----2_ -...--712 p-, -_ i. . ._ __.. _.,l
l i
SOLUBLE CADHUN _ SOLUBH :UU ...1:069
i : . l 3 0 Nashville asn _4130 a 0 30+_ L0 0 Arne 80' Mod/10 I1 f_ ; solid waste --40 7 o i A .4 g 0 NMS 100: load/10: .f 2 . m v ; '.ulul inte se .. 0 ms 100.* load/?0: 5, . i 0.20_ ii , (1114J 146318 i ?J 3' O ånganteo anaerobh 4 ;j 8" siadqe 3 'E
5
i.:
+3,3 w
.la
m ' 'J 3 132'33sa
_10: g 19 O 6Tlñi. HEEKS 71545. UEHS
Figur 3 Kadmium och blykoncentrationer vid lakförsök (Rademaker
m fl 1981)
Rademaker undersökte också totala urlakningsmängden per total mängd
aska efter avslutat lakförsök (figur 4).
Duncan m fl (1975) har utarbetat en metod att bedöma sulfidhaltigt
materials möjlighet att producera HZSOç. Försöket bygger på teorin att stenmaterialet i sig genom neutralisering kan ta hand om ev producerad syra.
Försöket är uppdelat i tre steg.
Analys av svavelhalt.
Titrering med svavelsyra för att se om stenmaterialet har någon
buffrande förmåga (t ex kalk).
I
Bakteriell odling med Thiobaeillus och därvid studera om överskott
av svavelsyra bildas.
Duncan studerar med denna metod möjligheten av HZSO4 produktion.
...wo .- --- '0
Leached Mass. in milligrams per gram
Ames ash, Ames ash. r_Ames ash. Digested
80% load/ 100% load/ 100% load/ synthetic
,s Nashville 10% solid 10% solid 20% s'olid solid
Parameter ash waste waste waste waste
(1) (2) (3) (fl (5) (6) 300 4.35 1. 0.17 0.10 26 411 con 3.29 :.07 0.56 0.72 33.18 Toc 2.48 0.26 0. :7 0.28 lb se, TDS 30.12 12.98 12.14 13.29 73.05 vos 5.99 3.06 2.62 2.78 28 35 KJEL-N 0.21 om 0.007 0.05 5 ld NH ;-N 0.05 0.02 0.002 0.02 2.63 No; + Nog-N 0.01 0.001 0.002 0.0 0.04 (i ' 8.86 0.37 0.26 0 23 ll 55 50; 16.69 5.05 9.42 ll 88 48 55 Total . alkallnity 4.34 2.69 2.97 1.32 20 90 Total P0. 0.03 0.002 0 m 0 02 6 26 p 0.03 0004 0 02 0.003 0 02
(d Loxlo' 22x10' 5.ixm' 12x10* Umm' Pb Laxio' 2.3x10' 4.2xi0' 3.2xi0' nano'
Figur 4 Totala mängden av urlakade element vid lakning av flygaska
(Rademaker 1981).
3.4 Korrosion av anläggningar i vägen
Det är ett känt faktum att betong och stålkonstruktioner korroderar i vägkroppen. Korrosionen av stål (huvudsakligen galvaniserade plåttrum-mor) kan uppstå på i huvudsak två sätt.
Antingen genom att syra (främst svavelsyra) angriper eller
elektroke-misk korrosion främst beroende på jordarters låga resistivitet.
de för om korrosion ska starta är dock flera faktorer som är gemensam-ma, nämligen bl a lufttillträde, fuktighet, pH.
En undersökning som utförts på 1920 stålkulvertar i staten Michigan
(1979) redovisar i huvudsak två typer av skador. Den övervägande gruppen av skador består av korrosion på utsidan av kulvertarna d v 3
jordarnas korrosionsinverkan genom elektrokemiska processer. Den
mindre gruppen av skador består av korrosion på insidan och har
uppkommit från surt vatten som angripit stålkonstruktionen.
Korrosionstyper
Korrosion uppkommer enligt Mattsson (1979) genom spontan neddelning av instabila metalljoner. Redoxpotensial i lösningen, pH samt tempera-tur äravgörande för om oxidationen ska äga rum. Hastigheten mäts på
olika sätt (figur 5).
Vanligt är också att mäta korrosionshastigheten, korrosionsströmmens täthet och elektrodreaktionernas polarisationskurva vilken kan
över-blickas i ett 5k Evans-diagram. De korrosionstyper man bör skilja
mellan beskrivs av Mattsson enligt följande:
- Allmän korrosion sker jämnt över hela ytan. Frätningen kan mätas som medelfrätning per ytenhet.
- Lokalkorrosion är koncentrerad till vissa begränsade delar av ytan. De benämns som punkt- eller gropfrätning. Denna typ av frätning kan vara mycket allvarlig på konstruktioner. Frätningen kan mätas som frätgropar per ytenhet, frätgropens diameter vid de fem djupaste hålen eller frätgroparnas djup.
- Galvanisk korrosion uppkommer vid kontakt mellan två olika metal-ler i fuktigt tillstånd. Vanligt är att det sker vid infästning av nitar i plåt t ex på båtar.
- Interkristallin korrosion eller korngränsfrätning sker i vissa typer av legerade stålsorter (t ex 18/8-stål). Vid värmebehandling utkristalli-seras kom med olika sammansättning i stålet och därvid orsakas en galvanisk cell med redoxreaktioner och korrosion till följd.
Dessa är några av de vanligaste typer av .och orsakerna till korrosion. Vanligt är också att erosion av ytor initierar senare korrosion (t ex krökar i rör), eller korrosion orsakas av att spänning råder i ett material då man böjt det utan värmebehandling.
Egenskapsändring Enhet Viktändring gg'm3, dygn
mg/dmg, dygn = mdd
Frätdjupsökning mm.'år
;um/år = 10'3 nam/år
inch per year = ipy = 25,4 mm'år mil per year = mpy = 10'3 ipy Korrosionssrröm mA/cm2
Minskning av brortgräns, procent.'år (av begynnelsevärdet) sträckgräns eller
brou-förlängning
Figur 5 Korrosionshastighet enligt Mattsson 1979.
Elektrokemisk korrosion
I jordar med olika fuktighet kan galvaniska strömmar uppstå. Dessa strömmar transporterar joner från anodiskt material till katodiskt material. En rörledning som går igenom ett område med varierande jord- och fukthetssammansättning kan utsättas för korrosion på grund
av att dessa galvaniska strömmar uppstår (figur 6). Av betydelse för
korrosion är resistiviteten, fuktighet, pH samt löst syre i jordarterna.
' I Lera. låg syrehalt
Figur 6 Luftningscell på horisontell konstruktion, beroende på att
ledningen eller kabeln passerar olika jordarter (G. Laurent).
Deschryver (1973) redovisar i en uppsats bl a hur resistiviteten avtar
' med ökande vattenhalt i två olika sandfraktioner (figur 7).
Kattunge g). 5 M --- Handle ;able Ráisliviti 10311. 'HD 100 90 60 70 60 50 40 30 20 '70 :nu 0 *10 20 33 40 F23. 5. - Diagramms de résistivin' A
Figur 7 Resistivitetens variation med vattenhalt (Deschryver 1973).
400
I en undersökning av vägkulvertar av galvaniserat stål I i staten Michigan, USA redovisar Noyce (1979) hur merparten av
korrosionsska-dorna har skett på utsidan av kulvertarna i kontakt med jordmassorna.
För att få en rättvis bedömning av resistiviteten hos de olika
jordarter-na utfördes ett försök i laboratorium där resistiviteten mättes vid
ökande fuktighet. Försöket utfördes i en resistivitetsbox (s k soil-box enl korrosionsinst Bullentin 88. Bestämning av jordars resistivitet) där specifika konduktansen bestämdes. Man fick på så sätt fram
minimi-värdet för jordresistiviteten vid en bestämd fukthalt.
mV 1.mg :0 *100
\
*3. /
2 g l\_\ \?J,
.4 i.
/ NU A-u_ - - -a \ en 1' ** 'QQQY o - - - - _---0 5/3 Ä \Å$g\ "x ,c//z / 5 7,/N
(<2
Xi/io\ 5 \ x\ M\ i1 /s/m 3: x_ \-s n-.-..._u;
\i - ,13°
>
7: //änijs /, ., 1- *_-H'f xvh
a 5 .' a ä5
/ H»
*3 ' /Y/ 2 9 / .,l i: , Ä/'f \ u a 12 24" E 10 L 1 a) b)Figur 8
Jordpotentialens dygnsvariationer (a) och årstidsvariationer
(b) vid observationssystemet'C6 Kramfors (9).
Försök gjorda vid 53 av Sandgren (1974) visar att resistiviteten på jord-arter i fält varierar kraftigt under dygnet, vid olika tillfällen samt
under året (figur 8). Ändå finner Noyce (1979) mycket dålig korrelation
mellan korrosion på kulvertar och resistivitet i jordar utifrân
laborato-rieresultaten. Vidare konstaterade han att pH på jord och ytvatten inte
VTI MEDDELANDE #38 vår :wine sommar mmmu höst autumn vinter Mmm
står i relation till korrosionen. Genom att karaktärisera varje kulverts miljö utifrån jordartstyp, dränering, grundvattenförhållande, jordens
permeabilitet och jämföra detta med korrosionsgrad kunde han enbart
konstatera att korrosionsfria kulvertar låg i grovkorniga, väldränerade jordarter med utmärkt permeabilitet och låg grundvattenyta djupt
under konstruktionen. Andra parametrar som pH, klorjoninnehåll,
fukt-halt och resistivitet hade dålig korrelation med grad av korrosion. Noyce (1979) utvecklar ett försök, där han antar att metall i kontakt
med en elektrolys (fuktig jord) utvecklar en eller flera korrosionsceller. Han skapar en cell med ett anod- och ett katodmaterial. Varje
förändring i någon av delkomponenternas sammansättning förorsakar en förändring i cellens potential. Korrosionsströmmen som genereras av cellen kan mätas som den elektriska potentialen mellan metallen och jorden. Försöket visar på en tydlig korrelation mellan korrosionsspän-ning som mättes vid laboratorieförsöket med polarisationer och det verkliga uppträdandet i vägkulvertarna. Han sammanställer en regres-sionslinje för alla mätta data (korrosionsgrad, fukthalt, kloridhalt i jorden, pH, årlig service, minsta resistivitet, sulfathalt i jorden) och
fick härvid korrelationen 0,91, vilket är mycket tillfredsställande.
Andra stater i USA har framställt kartor med zonindelning med restriktioner för användning av galvaniserade kulvertar men Noyce menar att det är de lokala förhållandena som bestämmer om korrosion uppstår.
Noyce (1979) fann i sin undersökning att pH varierade mellan 5-7 vid
korroderande jordarter, däremot har Sandegren (1974) visat att
korro-sionen ökar kraftigt med sjunkande pH och resistivitet i jorden (figur 9).
Han definierar följande redoxpotentialer i jord:
- 100 till + lOOmV (aneoroba förhållanden) kraftig korrosion
+ 100 till + 200 mV (aeroba " ) måttlig "
+ 200 till + 400 mV( " " ) svag "
+ 400 till + 500 mV ( " " ) ingen * "
V: htsför Lust gr/ng'år
9:3'
0 1000 ?000 3093 4390 5530 5000 7300 ECCS 3900 10060 003 12930 ?3000 '244000 15305: gem
Figur 9 Kurva för bedömning av förväntad viktförlust i g/m2 med
hänsyn till uppmätta pH- och R-värden (Sandegren 1974).
Korrosionsinstitutet (1982) redovisar i en rapport resultat från försök där stålplattor har legat i vattenmättad kolflygaska samt ett referens-material (sand). Proverna har utsatts för accelererad provning i
klimat-skåp (växlande mellan 20°C och 40°C i 98% luftfuktighet). Korrosion
har mätts efter 10, 20 och 34 dygn. Vidare mättes pH och kloridhalt
(figur 10).
i
A
10
?2000-§
-1500-
,462
\
ä ä
N §
000- ä ää k
§ §
X X
500- § §x
\
37?
\ N
w § §
o
\\\
Figur 10 Korrosionshastigheten, uttryckt som medelavfrätning per år,
på, provplåtarna efter 34 dygns accelererad exponering i de
olika kolaskorna och sanden i klimatkammare. Under diagram-met återfinns askornas och sandens p'r-I och kloridhalt (ppm i torrsubstansen) (Korrosionsinstitutet 1982).
Av resultatet framgår att
- den allmänna korrosionen var störst för de askor med lägre pH och
viss kloridhalt. Däremot var angreppen hos de prov med mindre
korrosion (högre pH) mer av typ "djupa frätgropar" (Prov DIF, DIS och DIB i figur 10) vilket är ytterst allvarligt i konstruktionssam-manhang. Effekten förklaras av att prover med högre pH passivice-rar korrosion på stålplåten och koncentrepassivice-rar korrosionen till vissa
punkter.
- de mest korrosiva miljöerna har lågt pH och kloridhalt. Däremot var stålplåtarna i naturlig sand myckt litet angripet även om pH = 5.2, men där var kloridhalten <1 ppm.
Undersökningen slår också fast att de yttre omständigheterna har stor betydelse för resultatet, varför korrosionsinstiutet vill föreslå en längre försöksserie utomhus under tex fem år. Denna undersökning gäller enbart egenskaperna hos stålplåt. För andrametaller som t ex koppar, zink och aluminium gäller helt andra korrosionsförutsättningar.
4
LABORATORIEFÖRSÖK
4.1 Lakförsök
4.1.1
Endegsökta_ma_tgr_i_al
De i kolonnen undersökta materialen bestod dels av slagg från Faluns
gamla kopparframställning, dels av restberg (s k varp) från
Bersbogru-van, Östergötland. Bägge dessa material har också används som väg-byggnadsmaterial. Provernas kemiska sammansättning framgår av ta-bell l. Frovmängderna var 83 dm3 varp från Bersbo (kolonn I) och
65 dm3 slagg från Falun (kolonn II).
'
Tabell 1 Halter av element på prover från Bersbo och Falun. Prov Bersbo 1A och B är tagna i upplag och Bersbo 2 och Falun är tagna i vägkanten.
Bersbo 1A Bersbo lB Bersbo 2 Falun
Ag
g/ton
<10
<10
<10
<10
Cu 96 0.187 0.037 0.141 0.276 Fe 96 6.9 4.2 6.7 24.4 Ni 96 0.005 <0.005 0.005 <0.005 Zn 96 0.452 0.043 0.432 0.564 Pb 96 0.182 0.008 0.028 0.028 Bi 96 <0 . 005 <0 . 005 <0 . 005 <0 . 005 Sb 96 <0 . 005 <0 . 005 <0 . 005 <0 . 005 As 96 <0 . 004 <0 . 004 <0 .004 <0 . 004 Se 964 0.005 <0.005 <0.005 0.007 5 ' 96 2.0 0.6 3.2 0.6 Sn 96 0.010 0.010 0.011 *0.018 Hg 96 <0.010 <0.010 <0.010 <0.010 SiOz 96 49.9 58.8 54.5 50.3 Ale3 96 16.6 17.6 15.8 3.5 MgO 96 4.3 2.7 2.8 f 2.0 CaO 96 5.7 3.7 5.2 _0.8 'KZO 96 2.2 3.2. 2.5 0.4 NaZO 96 2.9 3.3 2.7 1.3 C0 96 0.017 0.016 0.017 0.022 Cr 96 <0.005 <0.005 <0.005 <0.005 Cd '96 0.019 0.016 0.017 0.022 Ba 96 0.02 0.05 0.05 <0.02 Mo 96 <0.002 <0.002 <0.002 <0.002 4 . l . 2 _I_J_t_r_'_u_s_t_n_in_g_vid_l_a_b9_ra_torget_I botten av två kolonner av rostfri plåt med volymen 0,18 m3 lades ett sandfilter. Över detta placerades respektive material (figur 11). Under varje kolonn placerades uppsamlingskärl i form av 215 E-kolvar. Ett hölje av tjockare genomskinlig plast täckte varje kolonn, för att :förhindra avdunstning. Halvliters plastflaskor användes för provtagning
och de uttagna proverna förvarades i kylskåp innan analysen gjordes. I
en rostfri tunna buffrades vatten till pH 4,0 med koncentrerad
svavel-syra. Det avjoniserade vattnet hade konduktiviteten 17 S/cm vid 200 innan tillsatsen av syra.
Tillsats av det pH justerade vattnet gjordes med en å--liters
ka, för att efterlikna regn. På varje uttaget prov bestämdes pH och
konduktivitet i Siemens per cm.
um.. ,... wa l i; i , I v .' V, -. * . . ' _ _ f .x A * .. A . .. .-Qe v... A.: . V .Å _, -, ,. .0 ' w * , n .k l _4 . z . j_ __ < 1. ang . -gun ' *a t ' . w ' 4.? . __ 1 ; r \ ' 4 . . d , _ A1, .5 ;m l n -_4 i i . V 0 n a ... ir. 1'I I ' i »7 i ' i:2 -. øw-. N W , M , .. W * . . ,3 _' L _\ . t , _ V va wu_ . m c -_ m _ M m . . . w. m l . :. 'x < . u ' -4 1 f . b'I '.
Figur 11 Kolonner för lakförs'o'k. Höjd ca 1.5 m.
4.1 .3'
grovtagningsfögfarande
Under den första provtagningsserien från den 2 till den 27 april så till-sattes lakvätska med olika förfaranden. Enligt den ena metoden tappa-des å- liter ut för analys då ca5 l fanns konstant i sandfiltermagasinet.
Därefter âterställdes mängden med å- l direkt efter att prov tagits. Med
den andra metoden tömdes hela systemet och % l togs därav för analys. Sedan fylldes motsvarande volym lakvatten på igen (51). Dessa bägge provtagningsmetoder provades vid samma tillfälle på samma material.
F o m prov nr 18, kolonnl och prov nr 19 kolonn II tappades systemen
och efter en veckas uppehåll togs prov enligt följande: -å-l vatten
duschades över resp material och fick passera tills det påföljande dag
tappades av för analys.
I en tredje provtagningsserie som pågick från den 25 juni till den 16 augusti och börjar med nr 100 användes' följande provtagningsför-farande: I kolonn I, Falu slagg tillsattes 880 ml, beräknat på den nederbördsrikaste månadens statistik (SMHI l98l)-(se vidare mom. 4.4) I
kolonn II tillsattes 350 ml beräknat på samma sätt. Resp volymer vatten
tillsattes, fick mätta materialet och därefter rinna igenom stenmate-rialet med öppen ventil i botten på kolonnen. Hela tiden fick lakvatten rinna ner i var sin E-kolv. E-kolvens smala hals förhindrade delvis avdunstning.
Från de båda E-kolvarna hälldes lakvätskan över i provflaskorna för förvaring i kylskåp fram till analystillfället. Prov togs inte under helger och efter två veckor togs prover endast varannan arbetsdag.. Då -ventilen nertill hela tiden stod öppen kan det misstänkas att luftningen blev något överdriven. För att motverka en eventuell korsdragseffekt
öppnades ventilen efter prov nr 50 endast för avtappning (personlig kontakt Ulf Qvarfort). Analyser på lakvatten framgår av tabell 1 och 2,
bilaga 1.
4.1.4 _Degäkning _av_i_nf_i_l:c_r_e_r_ad_m_'a;ngd
I provtagningsserie 3 tillförde vi den mängd lakvatten som överensstäm-de med neöverensstäm-derböröverensstäm-den på platsen där proverna tagits. Detta gick till på följande sätt: Av nederbördsdata från SMHI (1981) framgår följande värden för den nederbördsrikaste månaden år 1981. Falun; juni
204,2 mm, Malmslätt; oktober 84,7 mm. Detta blir uttryckt i mm per dygn: Falun; 6,8 mm, Malmsl'a'tt; 2,7 mm.
Den volym regnvatten som faller på kolonnens area (0.0181 m2) per
dygn blir: Falun, kolonn I, 1,23 1 och Bersbo, kolonn II, 0,49 l.
Infiltratio-nen antas vara ca 70% av total nederbörd på beläggningsytan enligt Cedergren (1974). Detta ger följande volymer tillsatt vatten. Falun,
0,861 1 och Bersbo, 0,34 1.
Om man istället räknar på den totala nederbörden för hela året 1981 vid
de meteorologiska stationerna, Falun (765 mm/år) och Bersbo
(643 mm/år), blir nederbörden i mm per dygn: Falun, 2,1 mm/dygn, Bersbo, 1,8 mm/dygn. Med dessa förutsättningar blir den teoretiska
mängden: Falun kolonn 1, 0,38 1, Bersbo kolonn II, 0,33 1. Med en
infilt-ration på 70% skulle följande volymer tillsättas, Falun kolonn I,
0,27 l/dygn, Bersbo kolonn II, 0,23 l/dygn. Vi sökte den optimala
urlak-ningen i laboratorieförsöken, därför valde vi att tillsätta 880 resp 350 ml vilket framgår av mom. 4.1.3 ovan.
l4.1.5
Eegultat
Resultat från lakförsöken framgår av tabell 1 och 2, figur 1-6 i bilaga 1, tabell 2. Försöken har varierats enligt följande:
2-5 april 1984.
Provtagningsserie 1
13-27 april 1984. Provtagningsserie 2
25 juni-7 aug 1984. Provtagningsserie 3
De första lakvattentillsatserna enligt de tidigare gjorda metoderna för
uttag av prov uppvisar samma utveckling både vad gäller metallhalt,
5042-51-, pH och konduktivitet (figur 1 och 4, bilagahl). Värdena är
höga i början av fyra-dygns perioden, men sjunker därefter. Genom att
provta lakvattnet som legat i kolonnen under 1 dygn erhålls högre halter än om lakvattnet får rinna igenom och provtas vid samma tillfälle. Efter ett uppehåll på 7 dagar och ett nytt provtagningsförfarande, visade metallhalterna på en långsam ökning under följande två veckors
provtagning (figur 1 och 4, bilaga 1). Halterna för Pb och Cd i kolonnI
(Bersbo) är så låga att de till stora delar ligger vid eller under
detektionsgränsen och får betraktas som osäkra. Inget av ämnenas halter nådde dock upp till det höga ursprungsvärde som erhölls vid den första laktillsatsen. Den inbördes relationen mellan halterna av ämnena bibehölls under hela lakningsperioden. Varp respektive slagg uppvisar
liknande mönster för de olika metallhalternas inbördes förhållande.
Tabell 2 Lakförsök i kolonn under perioden 84-04-13 till 84-04-27. Nedanstående tabell är en sammanställning av ackumulerade koncentrationer, halter och medelhalt under 2 veckors pe-rioden vid 11 provtagningstillfällen.
Kolumn 1.: Summa av alla uppmätta koncentrationer.
Kolumn 2: Värdena i kolumn i multiplicerade med mängden passerat
vatten. Härv5.5 l under 2 veckor.
Kolumn 3: Medelvärde under perioden beräknat på halterna i 2. Kolumn 4: Halten i kolumn 2 dividerad med total vikt på materialet.
Falun, kolonn I
Ämnen
Prov nr:
1.
2.
3.
mg/l
mg
mg
Fe 18-38 6993 38.1 3.46 Pb 18-38 1.94 10.67 0.97 Cd 18-38 0.10 0.55 0.05 Cu 18-38 23.99 131.9 11.99 Mg 18-38 98.08 539.4 49.04 Zn 18-36 38.62 193.1 19.31 K 18-38 38.50 211.7 19.25 Bersbo, kolonn IIÄmnen
Prov nr:
1.
2.
3.
4.
-
mg/l
mg
mg
mg/g*)
Fe 19-39 48.91 296.0 24.45 0.0021 Pb 19-39 16.93 93.1 8.46 0,00067 Cd 19-39 15.25 83.9 7. 62 0.00060 Cu 19-39 127.68 702.2 63.84 0.0050 Mg 19-39 456. 30 2509. 6 228.15 0.0180 Zn 19-39 5798.00 31889.0 2899.00 0229 K 19-37 75.10 ll-13.0 37.55 0.0030*) Totalvikt 139.34 kg
Brikettröntgenanalys av varp- och slaggmaterial vilket framgår av tabell 1 visar att slagg innehåller en större procenthalt både Zn och Cu i jämförelse med analysen på lakvattnet. Detta visar att den form i vilken metallerna är bundna i slaggen gör dessa svårutlakade. Ur sammanställningen över ackumulerade koncentrationer på lakvatten enligt tabell 2 framgår att Bersbo varp har genomgående höga koncen-trationer med högsta värdet för Zn följt av Mg och Cu.
En möjlighet att grovt beräkna mängden vittrad pyrit ges genom reak-tionsform'el för dess oxidation (Gunnar Jacks 1976). För varje mol pyrit som oxideras bildas 2 mol 5042 . I tabell 3 har resultaten av beräk-ningarna sammanställts. Antagandet att allt sulfat kommer från
oxida-tion av pyrit är grov och hänsyn har inte tagits till sulfatinnehållet i det
tillsatta lakvattnet. Beräkningen är gjord på tillsatt mängd lakvatten. Totalhalten sulfat analyseras som totala katjonhalten minus kloridhalt, vilket under rådande sura förhållanden är lika med resterande sulfat-halt. I dessa fall är sulfathalten troligtvis den dominerande.
Tabell 3 Enligt Jacks (1976) motsvarar 1 mol 5042' en mol
pyrit vid oxidation. Sålunda kan mängd vittrad pyrit
beräknas. .
Bersbo 504,2" mg vittrat pyrit
19 1138.2 352.1 21 1610.5 499.5 23 1652.9 512.8 25 1816.2 563.8 27 1989.1 617.7 29 2075.5 644.7 31 2133.2 662.7 33 2421.7 752.8 35 2431.3 755.8 37 2364.0 734.8 39 2664.0 734.8
6831.5 mg = 6.83 g
Ur tabell 1 framgår att material från Bersbo består av ungefär 2% svavel, vilket motsvarar 4% kismineral främst pyrit. Av tabell kan man med andra ord förmoda att ca 0.2 kg av materialet har vittrat under försöksperioden. Detta gäller om materialet förmodas vittra i samma omfattning som pyriten.
Konduktivitet (ledningsförmåga) och pH under perioden 25 juni-7 au-gusti 1984 framgår av figur 3 och 6, bilaga 1. Under perioden sjunker pH från ca 4 till ca 3 för Faluslagg och från pH 3.2 till 2.9 för Bersbo varp. För konduktivitetsmätningarna gäller generellt att konduktiviteten ökar i takt med att 5042"' ökar i laklösningar (se figur 2 och 5, bilaga 1).
4.2 Korrosion'sförsök
42-1
Eössêkâuepläggaiug
Urlakningen av sulfidhaltigt material kan också. orsaka korrosion på stål och betongkonstruktioner. I syfte att undersöka korrosionsangrepp på stål, har försök initierats. Försöket följer i princip korrosionsinstitutets undersökning av korrosiviteten hos kolflygaska (Korrosionsinstitutet 1982).
Ca 3 kg av nedanstående material har undersökts. Materialen ha alla bärlagerkurvans sammansättning (0-16 mm) utom Rönnskär som utgörs
av fraktionen ca 0.5-2 mm. Bersbo, varpsten
Falun, slagg
Rönnskär, grannulerat köpparslagg.
Dala, krossat naturgrus (referensmaterial)
Plastboxar (30x25x6 cm) fylldes med materialet och plåtarna lades 2 cm
från botten. Plâtarna fick inte vara täckta med vatten, men materialet
skulle alltid vara fuktigt. Boxarna placeras i klimatskåp där temperatu-»I
ren varierades mellan +20°C och +40°C vid 75% luftfuktighet.
Vikt-minskning, korrosionstyp, pH samt 5042"-halt registrerades efter 0,10, 20 och 31 dagar. Plâtarna bestod av lmm kolstålplât SIS 141312 med mått 75x100 mm.
Hälften av plåtarna var galvaniskt varmförzinkade (doppförzinkning) enligt SMS 2950 klass D där skikttjockleken var SO-GO/a'm. Denna galva-a nisering överensstämmer med BYA 843 krav på stålrör till dränering enligt kap 10:5.
4.2.2 Resultat
Resultatet av gjorda undersökningar finns redovisade i tabell 1, bilaga 2 och i figur 1-4, bilaga 2. Korrosionen efter 31 dygn uttrycks som g/m2
varierar för galvaniserade slåtplåtar från ca 50 (Bersbo) och 70 (Dala)
till 130 (Rönnskär). Det högsta värdet uppmätt är 225, vilket gäller för ogalvaniserad plåt i Rönnskärsslagg.
I figurerna 1-4, bilaga 2, framgår att konduktivitet och 5042"-halt vanligtvis följs åt, att värdena är låga för referensmaterialet Dala, samt att vid pH 6-7 är värdena lägre. Man kan i figurerna vidare konstatera att den största korrosionen av ogalvaniserad plåt äger rum i
material från Rönnskär, Bersbo samt i viss mån Falun. Galvaniserad
plåt korroderar mindre än ogalvad plåt i material från Bersbo samt i viss utsträckning Falun och Rönnskär. Det är dock stålplåtar i Rönn-skärsmaterialet som har den största korrosionen, vilket troligtvis hänger samman med att materialet har en annorlunda kornsammansätt-ning och har högre kapillaritet (zfuktigare material).
Av försöket kan man dra den slutsatsen att korrosion beror på många saker. Det är i många av fallen svårt att entydigt peka på ett orsakssamband. Några slutsatser kan man dock dra av gjorda försök:
- Material från Falun och i viss mån Bersbo har löst ur mer
svavel-syra.
- pH vid försök på material från Falun och Bersbo är mycket låga och sjUnker under hela försöket. Rönnskärsslagg har också möjlighet att lösa ut ämnen som gör att pH stiger.
-- Korrosionen är lägst för plåt i referensmaterialet samt galvaniserad plåt i det sura Bersbo-materialet.
- Korrosionen är' högst i slagg från Rönnskär, troligtvis beroende på _
ett kapillärt sugande material. Vidare är korrosionen hög för slagg från Falun. Korrosionen av slagg från Rönnskär är ca 3 ggr större än minsta värdet och 2 ggr större än näst högsta värdet under det att skillnaden mellan övriga tre material är mycket mindre. Detta bekräftar något betydelsen av kapillariteten hos materialet.
I jämförelse med vad Kol-Hälsa-Miljöprojektet kom fram till vad avser korrosionen av vissa flygaskor samt sand (referensmaterial) på vanlig kolstålplåt, kan man dra följande slutsatser:
- Korrosionen av den malda, finkorniga flygaskan ger ca 10 ggr större
korrosion än vad materialen med bärlagerkurva ger.
-'- Referenssanden gav *korrosionen 311 g/m2 mot referensbärlagrets
73 g/m2.
Av detta kan man åter konstatera att kornfördelningen har mycket stor betydelse för uppkomst av korrosion och urlakning.
5 FÃLTFÖRSÖK
5.1 Grundvattenprovning
För att i fält studera urlakning till recipienter från vägkroppar upp-byggda med sulfidhaltiga material har _två försöksområden upprättats. Det ena är beläget vid väg 870, Falun-Toftbyn, där vägen är uppbyggd med ett förstärkningslager av kopparslagg från Falun. Det andra område-t är beläget vid väg 741, Åtvidaberg-Bersbo, där en vägbank genom ett kärr är uppbyggd med varp från Bersbo-gruvan. I båda områdena har rör för grundvattenprovtagning drivits ned på olika avstånd från vägen. I rören har grundvattenprov insamlats och
analyse-rats, främst med anseende på metallinnehåll.
5-11 .
HultåsfiärQ-.Väwzoi Eäun-Ioftäyn
Områdesbeskrivning
Området är beläget ca 8 km norr om Falun. Vid området går vägen i relativt kraftigt sidlutande terräng längs med en moränsluttning. Strax nedanför vägen finns ett myrområde med en tjärn (Hultåstjärn). På grund av det sidlutande läget finns något egentligt vägdike endast på den övre sidan av vägen. Via diket och ett par trummor genom vägen
(figur 12) dräneras vatten från området ut i myrområdet vid
Hultås-tjärn. Vägen är uppbyggd med ett förstärkningslager av kopparslagg från Falun.
I området har åtta grundvattenrör placerats ut i två profiler tvärs över vägen (figur 12). Rören som är av plast och har en diameter av 50 mm, harmonterats i förborrade hål med rörspetsen l.0-2.5 m under mark-ytan. Den nedersta metern av rören består av en rörsil med intagsöpp-ningar i form av slitsar, 0.5 mm breda. I rören har vattenprov insamlats
med hjälp av en liten "hämtare" och grundvattennivåerna har bestämts med klucklod.
I samband med borrningarna för rören bestämdes även jordlagerföljden. De övre jordlagren består i huvudsak av sandig och sandig-moig morän
(figur 13). Därunder är moränen finkornigare (lerig moig morän). I
anslutning till myren finns både grövre och finkornigare sediment, sandigt grus och lerig mjälig. mo. Vid rören i och 2 finns också ett
relativt' tjockt torvlager (3-4 dm)..
HULTÃSTJÄRN VÄG 870,
FALUN-TOFTBYN-W
... - .v.-9å--_91_CD Grundvattenrör h Vögfmmmu 0 Fixpunkt
Sankmark
Figur 12 Plankarta över försöksområdet Hultåstjärn.
Resultat och slutsatser
Nivåmätningarna visar att grundvattnets strömning i stort sett följer sluttningen och alltså går tvärs vägen. Nivåerna ligger relativt högt (som högst ca 0.5 m under markytan) och åtminstone under vissa tider bryter grundvattnet fram i diket på översidan av vägen. Grundvatten-VTI MEDDELANDE 438
strömmen går normalt inte genom vägens överbyggnad. Det är sannolikt endast under någon kortare period vid snösmältningen som vatten kan tänkas tränga in i överbyggnaden från det övre diket. Detta betyder dock inte att vägkroppen är torr. Flera undersökningar har visat att även en relativt ny beläggning släpper igenom mycket vatten. I en gammal beläggning får man räkna med att så mycket som 70% av regnvattnet kan infiltrera och tränga ned i underliggande materiallager. Grundvattnets strömning tvärs vägen med en relativt kraftig gradient (figur 13) gör att ev. ämnen som lakas ur överbyggnadsmaterialet inte rimligen kan spridas till översidan av vägen (rör nr 1, 2, 5 och 6). En ev. urlakning borde alltså ge sig till känna genom högre halter av urlakade
ämnen på nersidan av vägen(rör nr 3, 4, 7 och 8).
Grundvattenprov har insamlats vid tre tillfällen (840511, 840618 och
841002). Proven har analyserats vid Tema: Vatten i Natur och Samhälle, Linköping. Omfattningen och resultaten framgår av tabellerna 1-3,
bilaga 3. '
Resultaten från de två första provtagningsomgångarna (maj och juni -84) visade sig vara mycket svårtolkade. Halterna är inte entydigt förhöjda nedanför vägen jämfört med vägens översida. Enda undantaget är egentligen konduktiviteten som genomgående uppvisar högre värden i rören nedanför vägen. De två första provtagningarna gjordes dock under relativt torra perioder. Man kan alltså utgå från att det grundvatten
som insamlats vid dessa tillfällen inte tillförts något lakvatten från
vägens överbyggnad. Ytterligare en bidragande orsak till de något motsägelsefulla resultaten är att den första provtagningen gjordes direkt efter rördrivningen. Förhållandena i marken var då mer eller mindre kraftigt störda dels på grund av att jordlagren omrörts kraftigt vid borrningen, dels måste man räkna med en viss förorening genom slitage av borrkronor och borrstänger. Det är också troligt att vissa av dessa effekter fanns kvar även vid den andra provtagningen (juni -84). Den tredje provtagningen genomfördes i början av okt -84 och föregicks av en period med mycket regn. Man kan alltså räkna med att relativt mycket regnvatten vid denna tidpunkt perkolerade genom vägkroppen.
Resultaten från denna provtagningsomgâng är också betydligt entjrdiga-re jämfört med de två tidigaentjrdiga-re. Halterna av de olika ämnena uppvisar nästan genomgående högre halter på nersidan av vägen (figur 13), vilket tyder på att någon form av vittring och urlakning ägt rum i vägkroppen. För att kunna bedöma hur mycket som lakas ur och ev. risker med denna urlakning, krävs dock att flera_ provtagningsomgângar genomförs.
HULTÃSTJÄRN VÄG 370. FALUN-TOFTBYN
Nivå m /zooqL R?R VH __ M 'r Torv 195" Morän 'P RÖR Grus, sund
19°"
3 ä Lerig mjülig mo
1% " 192.-*i . r190m
GV
3'0 2'0113rot1'o'zroar0m ,aS/cm Avstånd från vägmd'f 300--- Konduk-ê tmtet ' zco-1000 m I ml! 60 Klorid LO ! I20
,
I
:ng/l i 60 Sulfutm
|
.
20 H 51Figur 13 Tvärprofii med jordlagerföljd vid försöksomrâdet Huitâstjärn.
Därunder redovisas nâgra analyser av grundvattenprov. Prov-tagningsdatum: 84-10-02.
Vid området, som är beläget ca 1.5 km SV om Bersbo, har vägen dragits på en bankfyllnad genom ett kärr. Till bankfyllnaden har varp från den närbelägna Bersbogruvan utnyttjats. De ursprungliga massorna i k'a'rret har inte grävts ur pga att djupet till fast botten är relativt' stort (ca 8 m) och att massorna sannolikt varit mycket blöta. Varpmaterialet har istället lagts ut direkt i kärret.. Tyngden av det utlagda materialet har sedan pressat undan massorna i kärret, . vilket syns bl a i form av
upptryckta vallar längs vägen (figur 14).
BERSBO VÄG vi..ny ÃTVIDABERG -BERSBO
Berg idagen
Torv Gyftjd Morén_
Vdgmatenul
lm Finlem F I I 90 80 70 vänster sida m BersboI I I I I I r 1
I r
60 50 §0 30 20_1O 0 10 20 30 40
Figur 14 __ Tvärprofil med jordlagerföljd vid försöksomrâdet Bersbo.
Kärret är relativt litet, ca 200 m tvärs över, och är väl begränsat av höjder. Höjderna utgörs mestadels av kalt berg eller berg med tunt
moräntäcke (O.5-l.0 m). Från kärret finns ingen synlig avrinning
för-utom vägdikena, i vilka vattnet dräneras norrut (figur 15). Lutningen
\I"I"T RICHHET nun: [.30
I I ;
60 70 höger sida
och vattenrörelserna är dock små och kärret har sannolikt en mycket låg vattenomsättning. Vissa partier av kärret är mycket sanka och
åtminstone tidvis står delar av kärret under vatten.
I området har åtta grundvattenrör placerats i en linje tvärs vägen (figur
15). Rören, som är av plast och har diametern 50 mm, har drivits ned i
förborrade hål (skruvborr). I rören har vattenprov insamlats med en
liten "hämtare" och vattennivåerna har mätts med klucklod..
I samband med skruvborrningarna bestämdes jordlagerföljden vid varje rör. En schematisk jordlagerprofil redovisas i figur 14, där det framgår att torv överlagrar gyttja. Djupet till fast botten (morän) är ganska
stort i kärrets centrala del (ca 8 m). I* kärrets ytterkanter (rör i och 8)
ligger dock moränen mycket: nära markytan.
I den övre delen av torvlagret (0-1 m under markytan) har prov av torven tagits för kemisk analys. Dessa prov har tagits upp genom
grävning.
amsao VÄG 7L1,ÃTV§UABERG-BERSBO
\
0 Grund vai??
' /
Figur 15 Plankarta över försöksområdet Bersbo.
Resultat och slutsatser
Nivåmätningarna visar att vattennivåerna i kärret ligger högt och att det inte finns några större nivåskillnader. Det betyder att de horisontel-la vattenrörelserna i kärret sannolikt är mycket små. Vägens dränering bör. också ha en begränsad påverkan på vattenförhållandena i kärret och sannolikt är det endast en smal zon längs vägen som påverkas av vägdikena.
Grundvattenprov har insamlats vid tre tillfällen (840427, 840605 och
841030). Proven har analyserats vid Tema: Vatten i Natur och Samhälle,
Linköping. Analysernas omfattning och resultat framgår av tabellerna 4-6, bilaga 3.
Resultaten från de hittills utförda provtagningarnal har visat sig vara 4 mycket svårtolkade. Det är egentligen endast vid den sista provtag-ningen (okt -84) som några ämnen uppvisar en tydlig förhöjning närmast vägen (figur 16). I övrigt har halterna varit mycket ojämnt fördelade och det har inte varit möjligt att göra någon mera noggrann utvärde-ring.
Orsaken till de svårtolkade resultaten beror sannolikt till en del på att vattenrörelserna i kärret är små. Detta gör att transporten av vittrade och urlakade ämnen från vägen är långsam och därmed även svår att detektera. Jordlagren har också utsatts för en kraftig störning i samband med borrningar och rördrivning. Detta har sannolikt påverkat resultaten från. åtminstone de två första provtagningsomgångarna.
Det är också troligt att en del av t ex metallerna binds (fastläggs) i torven och därmed försvårar utvärderingen av grundvattenanalyserna. Torvprov insamlades därför i samband med grundvattenprovtagningen 1984-10-30. Prov togs därvid i den övre delen av torvlagret och analyserades sedan vid SGAB i Luleå. Analysernas omfattning och resultat fråmgår av tabell 7, bilaga 3.
Resultaten av torvanalyserna har också visat sig vara något svårtolka-de. Halterna är dock i flera fall relativt höga, vilket visar att en
fastläggning ägt rum i torven. I några fall framträder också en relativt
tydlig förhöjning närmast vägen (figur 17).
De hittills utförda undersökningarna visar att vittring och urlakning äger rum i materialet i vägbanken. För att kunna bedöma mängden urlakat material och hur detta påverkar omgivningen krävs flera provtagningsomgângar och ev. också en mera noggrann kartläggning av dräneringsförhållandena vid vägen.
sensso VÄG 74.] ÃTVIDABERG - aensao
10° VH 7 8 95 L .L 30 :0 50 å) in sig Avstånd från vdgmurr mg/l än nu TD m :I ' d-20 4.
l
#9 LO ' 20 ' g l5 ...-:ng/l 2.0 --1,0" 1 Ei
mg/l 6 -m I. *-1 f:Figur 16 Resultat av analyser av grundvattenprov från
försöksom-rådet Bersbo. Provtagningsdatum: 84-10-30.
M m
BERSBO VÄG 7411 ÃTVIDABERG-BERSBO
100 VH 1 2 3 g 5 6 l 4 l -wwwr a p d n o wø .. .n y. . . . -. . . _ _ . . . . M -. . . . . . . n . m m .. . --. . . s m _ 1-? E *
Figur 17 Resultat av analyser av torvprov från försöksomrâdet Bersbo.
5.2 Korrosionsförsök med stålrör
Utefter väg 364 (Skelleftâ-Burträsk) förstärktes delar av befintlig väg med ny överbyggnad. Granulerad kopparslagg från Rönnskär användes bl a som förstärkningsmaterial. Detta utfördes främst över ett parti_ med myrmark i undergrunden.
Beläggning
20 cm bürl
rus, 0 <- 40 mm
Grus
0 -150mm
75
cm
45' cm slagg, 0-2 mm
Gammal v'cig kropp
Figgr 18 Ny överbyggnad med granulerad kepparslagg.
12 st 3 m långa kolstålrör lades 20-25 cm från den gamla beläggningen i slaggen varav ca 1 dm fick sticka ut utanför vägkroppen. 6 st av dessa rör var galvaniserade enligt BYA 84 kap 10 i skyddsklass A (se mom.
4.2). Rören var placerade enligt följande:
100
300
200
100
l l _ I IRör' nr" 1:) 11
Burträsk
,<---
| I I
0 - - - o 1 5 3 I I II, I
Skelleftå
N
r"-Figur 19 Rörens placering i vägen. Principskiss. i
