Coraz częściej nawet bardzo typowe technologie drogowe planowane w sąsiedztwie obszarów cennych przyrodniczo poddawane są ostrej ocenie, a nawet krytyce „ekologicznej” ze strony społeczeństwa. W takich sytuacjach najlepiej posługiwać się konkretnymi wynikami badań i twardymi dowodami analitycznymi.

W Katedrze Inżynierii Leśnej Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu przeprowadzono badania, których celem było określenie ewentualnego wpływu cementowo-gruntowych podbudów drogowych na leśne strefy przydrożne. Do badań wytypowano pięć rodzajów cementu o różnym udziale popiołów lotnych i żużla wielkopiecowego. Procesy wymywania z cementogruntów związków chemicznych prowadzono dwukierunkowo. Laboratoryjną ocenę ługowania „zanieczyszczeń chemicznych” z cementogruntów przeprowadzono na próbkach w kształcie walca. Piasek o znanym składzie chemicznym stabilizowano pięcioma dawkami każdego cementu. W eluatach określano między innymi stężenie wybranych pierwiastków śladowych oraz stężenie chlorków i siarczanów.

Przebieg badań

Badania terenowe polegały na wykonaniu drogowych odcinków doświadczalnych stabilizowanych testowanymi cementami. W celu określenia wpływu założonych odcinków doświadczalnych na środowisko leśne jeszcze przed ich wykonaniem pobrano próbki glebowe do badań chemicznych i oceny aktywności mikrobiologicznej (indykator). Ze stref ekotonowych pobrano również próbki aparatu asymilacyjnego różnych gatunków drzew i runa leśnego. Wyniki badań chemicznych porównano z wynikami uzyskanymi z próbek glebowych i aparatu asymilacyjnego pobranych w trakcie eksploatacji odcinków doświadczalnych. Uzyskane wyniki zostały zanalizowane i porównane z dopuszczalnymi stężeniami zanieczyszczeń chemicznych gruntów i ścieków wprowadzanych do ziemi. Laboratoryjne badania obejmowały między innymi ocenę radiologiczną cementów oraz ewentualny stopień zanieczyszczenia cementów dioksynami (polichlorowane dibenzodioksyny PCDDs i dibenzofurany PCDFs).

Zakres badań terenowych obejmował w szczególności:

•    badania glebowe i geotechniczne w sąsiedztwie odcinków doświadczalnych,

•    ocenę chemiczną i biologiczną stref ekotonowych przed wykonaniem odcinków doświadczalnych,

•    ocenę stopnia zanieczyszczenia metalami ciężkimi, chlorkami i siarczanami gleb stref ekotonowych na podstawie badań geochemicznych,

•    ocenę aktywności mikrobiologicznej gleb przydrożnych na podstawie aktywności: dehydrogenaz, fosfataz, ureazy i proteazy,

•    określenie ewentualnych zmian odczynu gleb stref ekotonowych,

•    ocenę wpływu odcinków doświadczalnych na zawartość metali ciężkich, chlorków i siarczanów w aparacie asymilacyjnym drzew i runie,

•    bioindykację przydrożnych stref na podstawie wybranych cech fizycznych igieł sosny zwyczajnej,

•    ocenę stanu zdrowotnego drzew rosnących w strefie oddziaływania odcinków doświadczalnych,

•    ogólną ocenę stanu zdrowotnego drzew rosnących w strefie oddziaływania odcinków doświadczalnych,

•    ogólną ocenę fitosocjologiczną na podstawie inwentaryzacji roślinności,

•    monitoring techniczny odcinków.

Wypłukiwanie metali ciężkich

W celu określenia zasięgu ewentualnej migracji poziomej i pionowej metali ciężkich podjęto próbę oceny podatności magnetycznej gleb przydrożnych. W metodzie tej zakłada się, że istnieje zależność liniowa pomiędzy zawartością cząstek magnetycznych a zawartością niektórych metali w poziomach próchnicznych.

Wyniki przeprowadzonych badań wskazują, że intensywność wypłukiwania metali ciężkich i soli zależą w znacznym stopniu od stanu reologicznego badanych kompozytów. Związki metali ciężkich (tlenki, wodorotlenki, chlorki, siarczany, azotany) biorą udział w reakcji wiązania i twardnienia cementu. W efekcie tych reakcji zawarte w cemencie metale ciężkie są unieruchamiane w matrycy cementowej i mikrostrukturze cementogruntu. Mechaniczne uszkodzenia naruszające wewnętrzną strukturę cementogruntów prowadzą do intensywniejszego wymywania metali ciężkich ze spoiwa cementowego i kruszywa. Wymywanie metali przebiegło intensywniej w próbkach o mniejszym udziale cementu, a więc o mniejszej wytrzymałości na ściskanie i mniejszej szczelności.

Rzeczywiste zanieczyszczenie gleb stref ekotonowych związkami chemicznymi określone w trzech kolejnych okresach wegetacyjnych po wybudowaniu odcinków doświadczalnych było mniejsze, niż mogło to wynikać z badań eluatów z cementogruntów. Przeprowadzone badania chemiczne nie wykazały przekroczeń wartości dopuszczalnych stężeń metali ciężkich przyjętych dla gleb leśnych. Nieznaczny wzrost stężeń niektórych pierwiastków metalicznych w środowisku glebowym po wybudowaniu odcinków doświadczalnych nie skutkował wyraźnymi zmianami warunków glebowych i nie spowodował destabilizacji homeostazy gleb stref ekotonowych.

W przeprowadzonych badaniach nie zarysowały się wyraźne różnice wpływu poszczególnych cementów na koncentrację metali ciężkich, siarczanów i chlorków w glebach sąsiadujących z odcinkami doświadczalnymi. Miały na to wpływ głównie właściwości buforowe gleb, powodujące unieruchamianie części metali ciężkich przez substancję organiczną i minerały ilaste, oraz tworzenie się związków trudno rozpuszczalnych.

Zauważony w trakcie badań laboratoryjnych nieznaczny proces ługowania z próbek cementowo-gruntowych metali ciężkich, a w szczególności chromu, nie zachodził tak intensywnie w naturalnych warunkach glebowych. Spowodowane to było monolityczną strukturą podbudów cementowo-gruntowych i obojętnym odczynem opadów atmosferycznych.

Analiza specjacyjna przeprowadzona metodą ekstrakcji sekwencyjnej wykazała, że w glebach stref ekotonowych chrom występował głównie w formach: tlenkowej, organicznej i jako pozostałości. Udział poszczególnych form chromu w glebach stref ekotonowych sąsiadujących z odcinkami cementowo-gruntowymi kształtował się podobnie jak w próbkach gleb ze strefy ekotonowej odcinka kontrolnego. Spośród pięciu analizowanych frakcji specjacyjnych frakcje biodostępne (wymienna i węglanowa) stanowiły łącznie około 10% ogólnej zawartości chromu, przy czym frakcja wymienna – najłatwiej dostępna dla organizmów żywych – stanowiła około 0.1% zawartości całkowitej. Największy udział w ogólnej zawartości chromu stanowiła frakcja, w której chrom jest stale
unieruchomiony w sieci krystalicznej minerałów pierwotnych i wtórnych.

Gleby monitorowanych przydrożnych stref ekotonowych należały do utworów kwaśnych. Próbki ściółki leśnej oraz poziomów próchnicznych pobrane w głębi lasu w sąsiedztwie odcinków cementowo-gruntowych oraz kontrolnego miały bardziej kwaśny odczyn niż próbki pobrane na skraju lasu. Mniej kwaśny odczyn gleb na skraju lasu bardziej wynikał ze struktury gatunkowej drzewostanu niż z alkalizującego wpływu podbudów cementowo-gruntowych.

Wyniki badań

Jednym z bardziej czułych wskaźników zmian zachodzących w ekosystemie jest aktywność mikrobiologiczna gleby. Przeprowadzone testy biochemiczne nie wykazały negatywnego wpływu kompozytów cementowo-gruntowych na aktywność mikrobiologiczną gleb wyrażoną aktywnością enzymatyczną: dehydrogenez, fosfataz, ureazy i proteazy.

Fotointerpretacja stref ekotonowych prowadzona po wybudowaniu odcinków doświadczalnych nie wykazała różnic w ilości wydzielonego posuszu między strefami ekotonowymi sąsiadującymi z drogami stabilizowanymi cementami a strefą kontrolną. Nie stwierdzono również nasilenia symptomów wczesnego stadium wydzielania się posuszu w sąsiedztwie odcinków cementowo-gruntowych.

W wyniku przeprowadzonych inwentaryzacji szaty roślinnej stref ekotonowych nie stwierdzono istotnych przeobrażeń florystycznych. Nie ulegały również większym zmianom wielkości powierzchni zajęte przez główne gatunki runa. Nie następowała tez istotna wymiana gatunków ani zmiana frekwencji gatunkowej wynikająca z alkalizacji odczynu.

Badania chemoindykacyjne aparatu asymilacyjnego wykazały niewielki wpływ cementowo-gruntowych podbudów drogowych na biokumulację w aparacie asymilacyjnym kadmu, kobaltu, miedzi, ołowiu, cynku i żelaza. Fitokumulacja tych pierwiastków po wykonaniu stabilizacji odcinków doświadczalnych u większości gatunków drzew nie stwarzała żadnego zagrożenia.

Użyte do stabilizacji cementy nie wpłynęły znacząco na obecność żelaza w aparacie asymilacyjnym drzew i w runie. Nie wykazano też wyraźnego wpływu cementowo-gruntowych odcinków drogowych na kształtowanie się odczynów aparatu asymilacyjnego drzew i odczynu runa oraz zawartość chlorków i siarczanów.

Przeprowadzona w ramach badań bioindykacyjnych analiza statystyczna nie wykazała istotnych różnic w masie i długości igieł sosnowych drzew rosnących w strefach ekotonowych znajdujących się w zasięgu oddziaływania odcinków dróg stabilizowanych różnymi cementami. Nie stwierdzono także istotnych różnic między cechami fizycznymi igieł pobranych z drzew rosnących w sąsiedztwie dróg cementowogruntowych a cechami fizycznymi igieł pobranych z drzew rosnących w sąsiedztwie odcinka kontrolnego, niestabilizowanego cementem. Uzyskane wyniki pozwalają z dużym prawdopodobieństwem stwierdzić, że zanieczyszczenia chemiczne ługowane z podbudów drogowych nie miały istotnego wpływu na cechy fizyczne igieł sosnowych pobranych z drzew rosnących w przydrożnych strefach ekotonowych.

Istotnym czynnikiem wpływającym na intensywność wypłukiwania związków chemicznych z podbudów cementowo-gruntowych są parametry wytrzymałościowe kompozytów. Cechy wytrzymałościowe kompozytów cementowo-gruntowych zależą m.in. od procentowego udziału stabilizatora w stosunku do gruntu, właściwości fizyczno-chemicznych cementów i dynamiki narastania wytrzymałości.

Cementogrunty cechują się dość dużą wodoprzepuszczalnością i są podatne na uszkodzenia mechaniczne. Struktura cementogruntu w wyniku działania obciążeń dynamicznych i korozji ulega zmianom reologicznym. Na powstawanie mikrouszkodzeń mają wpływ także skurcz karbonatyzacyjny oraz proces kawitacji. Korozja fizyczna zachodzi też na skutek zamarzania wody oraz działania środków odladzających. Brak ciągłości struktury wzmaga procesy korozji chemicznej, głównie siarczanowej. Zmiany destrukcyjne kompozytów ze spoiwem cementowym są również efektem szkodliwych reakcji chemicznych kruszywa z otaczającym je zaczynem cementowym. Istotne znaczenia w tych procesach mają jony sodu i potasu występujące w fazie ciekłej.

Cały artykuł opublikowany został w nr 5/2018 magazynu Surowce i Maszyny Budowlane.