CARACTERIZAREA DESEURILOR, A PRODUSELOR SI A MATERIALELOR SECUNDARE

CARACTERIZAREA DESEURILOR, A PRODUSELOR SI A MATERIALELOR SECUNDARE

Caracteristicile deseurilor reprezinta elementul principal de care depinde modul de realizare, de exploatare si de valorificarea lor, precum si de suprafetele ocupate temporar pentru depozitare.

Caracteristicile fizice, chimice, mineralogice si geo-mecanice ale deseurilor sunt determinate de mai multi factori, printre care

caracteristicile naturale ale materialului inainte de utilizarea lui;

procesul tehnologic din care provin;

modul de transport si de depozitare;

stabililitatea fizico-mecanica in timp, sub sarcini, in raport cu conditiile atmosferice, in contact cu apa si cu alte deseuri sau materiale.

1.1. Caracteristicile fizico-chimice si mineralogice

a)     Aspectul general al deseurilor

Deseurile pot avea aspect foarte diferit depinzand de caracteristicile chimico-mineralogice, de procesul tehnologic din care provin, de starea de umiditate, de modul de depozitare etc. Aspectul poate fi identic cu cel al materialului din care provine deseul sau poate fi complet diferit de al acestuia.

b)    Caracteristicile chimice

Compozitia chimica a deseurilor depinde de materialul natural si de procesul tehnologic din care provin. In vederea studierii comportarii in timp a deseurilor depozitate si a influentei lor asupra mediului inconjurator, este necesar sa se efectueze analize chimice globale si partiale, si dupa depozitare.

c)     Compozitia mineralogica si structura

Caracteristicile mineralogice si strucurale depind de modul de formare a deseurilor, de transformarile fizico-chimice suferite de materialul natural din care provin, de modul de transport si depozitarea ( uscat sau hidraulic) etc.

Deseurile pot fi alcatuite din trei faze constituente

-faza solida - scheletul deseului,

-faza lichida - apa din pori, inclusiv sarurile si gazele dizolvate in ea,

-faza gazoasa.

d)    Granulatia deseurilor

Particulele deseurilor au forme si dimensiuni variate.Acest fapt se reflecta asupra proprietatilor lor.Este necesara determinarea distributiei pe dimensiuni a particulelor sau a stabilirii compozitiei granulometrice.Astfel se poate determina gradul de neuniformitate.Dupa valorile acestui grad de neuformitate deseurile pot impartite in:

-foarte uniforme,

-cu uniformitate mijlocie,

-neuniforme,

e)     Structura si textura deseurilor

Se distrag trei tipuri de structuri

- structura granulara (nisipuri si pietrisuri) - se caracterizeaza prin contactul direct de la particula la particula,

- structura in fagure - are goluri mai mari intre particule si este mult mai putin rigida decat structura granulara,

- structura in fulgi - este foarte afanata si compresibila,

De obicei, datorita fractiunii granulometrice diferite a particulelor, rezulta o structura mixta. Prin textura se intelege totalitatea caracterelor provenite din neuniformitatile de alcatuire a deseurilor,datorita asezarii relative si a distributiei partilor sale componente.

Indici geotehnici

Comportarea deseurilor depozitate in halde depinde de alcatuirea si interactiunea fazelor constituente. Ele sunt exprimate prin caracteristici denumite indici geotehnici simpli, cum ar fi:

Porozitatea si indicele porilor

unde:n - porozitatea, e - indicele porilor, Vg - volumul golurilor, Vt - volumul total al deseurilor, Vs - volumul scheletelui mineral al deseurilor.

Intrucat valoarea porozitatii nu da indicatii complete asupra comportarii materialelor necoezive sub sarcini a fost definit gradul de indesare Id - pozitia porozitatii naturale e in raport cu porozitatile extreme:

unde: =indicele porilor in starea cea mai afanata

indicele porilor in starea cea mai indesata

Gradul de indesare al unui material necoieziv este unul din elementele fundamentale de apreciere , valoarea lui fiind cuprinsa intre 0 (afinare maxima -e= ) si 1 (indesare mazima -e=

Clasificarea deseurilor dupa granulare;

-afanat 0<<1/3

-de indesare mijlocie 1 / 3 < < 2 / 3

-indesat    2 / 3 < < 1

Porozitatea deseurilor granulate sub sarcini statice variaza foarte putin , in schimb , sub actiunea vibratiilor sau a socurilor acestea sufera deformatii importante care conduc la tasari si modificari de structura.

In aceste cazuri este nevoie sa se aprecieze capacitatea de indesare , C, a acestor deseuri :

Capacitatea de indesare a deseurilor granulate

-mica < 0,4

-mijlocie 0,4< <0.6

-mare >0.6

Greutatea volumica si densitatea deseurilor

Greutatea volumica a scheletului (kN/m

unde greutatea particulelor solide

volumul propriu al particulelor (fara goluri)

Densitatea scheletului =(kN/m

Unde M-masa particulelor solide

V- volumul propriu al acestor particule (fara goluri)

Aceste marimi sunt diferite in unctie de procesul tehnologic din care provin si de caracteristicile naturale ale deseurilor.

Greutatea volumica a deseurilor

G-greutatea deseurilor

V-volumul deseului inclusiv golurile

Densitatea deseului (kN/m

M-masa deseului

V-volumuldeseului inclusiv golurile

Umiditatea deseurilor

W= m_w/m_sx100 [%]

unde:

m_w- masa apei continuta in pori

m_s- masa scheletului solid al deseurilor

Umiditatea deseurilor din depozitele existente variaza in functie de tipul deseului , granulozitatea , proprietatile fizice si compozitia mineralogica.

Gradul de umiditate

sau

Unde Vw-volumul apei contine in pori deseului

-indicele porilor

Vp-volumul total al porilor

-indicele total al porilor

W umiditatea

umiditatea la saturatie

Clasificarea deseurilor in functie de gradul de umiditate

-uscate <0.4

-umede 0.4<<0.8

-foarte umede 0.8<<1

-saturate

Proprietatile mecanice ale deseurilor

Compresibilitate

La deformarea deseurilor prin indesare sau comprimare iua parte toate cele trei faze constituente:

Particulele solide

La contactul dintre particule, odata cu aplicarea incarcarii exterioare, se produce o comprimare a particulelor. Aceasta este neinsemnata fata de marimea deformatiilor inregistrate si este in acelasi timp reversibila (particulele revin elastic odata cu ridicarea incarcarii). In unele puncte de contact se produce o strivire locala, cu caracter ireversibil, a carei contributie la marimea deformatiilor totale este neglijabila.

Principalul efect sub incarcare, legat de prezenta particulelor solide, il constitue rearanjarea particulelor prin reducerea volumului de goluri.

Apa si alte substante lichide

La deseurile coezive, in urma aplicarii incarcarii se produce o micsorare a invelisului de apa absorbita, o parte din apa slab legata trecand in apa libera. Apa fiind practic incompresibila, aportul apei la deformatia totala ce se inregistreaza sub incarcare este inexistent.

La deseurile saturate, apa controleaza viteza procesului de deformare deoarece numai dupa eliminarea apei este posibila rearanjarea particulelor intr-o noua pozitie, mai indesata.

Substantele gazoase

Prin cresterea presiunii se produce comprimarea gazelor aflate in pori.Totodata, o parte din gaze pot fi dizolvate in apa din pori. Ambele fenomene au un caracter reversibil.

Deformatiile deseurilor pot fi reversibile (datorita comprimarii elastice ale particulelor si a gazelor, a dizolvari gazelor si subtieri invelisului de apa absorbita) si ireversibile sau remanente (datorita indesarii prin rearanjare a particulelor solide si prin strivirile locale ale acestora).

In vederea calculelor de testare si compresibilitate a materialelor , este nescesar sa se stabileasca caracteristicile de compresibilitate . Acestea sunt :

-tasarea specifica ɛ_p (se exprima in % sau in mm/m)

-modulul de deformatie edometric M(daN/cm

Pentru compararea deseurilor in functie de copresibilitate se utulizeaza tasarea sprecifica ɛ_p, corespunzatoare presiunii de 2 daN/cm . In functie de aceasta valoare(ɛ_p )deseurile se clasifica in:

-putin compresibile ɛ_p <2%

-copresibile ɛ_p 6%

-foarte compresibile ɛ_p >6%

Pentru definirea modului de deformatie edometric M, se considera intervalul dintre doua presiuni p1si p2 si tasarile specifice corespunzatoare ɛ_p1 si ɛ_p . Pentru intervalul considerat, curba se asimileaza cu o dreapta:

M=tg β= p₂-p₁/ ɛ_p2 - ɛ_p1

Compactarea deseurilor

Compactarea deseurilor, reprezinta indesarea pe cale mecanica a acestora, prin micsorarea volumului de goluri. Reducerea volumului de goluri se face pe seama porilor neocupati de apa (daca deseul ar fi saturat, apa nu ar putea fi indepartata, compactarea nu ar fi posibila).

Pana la o anumita limita, apa adaugata ajuta la compactare, cand se depaseste insa un grad de saturatie relativ ridicat, apa incepe sa ocupe spatii pe care in urma compactarii le-ar putea ocupa particulele solide. Exista o cantitate optima de apa ce trebuie adaugata, care depinde de tipul de deseu si de modul de compactare pentru a obtine o valoare maxima a greutatii specifice aparente (volumice) in stare uscata,

Pentru studiul de laborator al compactarii se foloseste aparatul "Proctor". Rezultatele incercarilor de compactare din laborator se trec pe o curba de compactare care arata ca pentru materialul studiat exista o umiditate optima de compactare, la care, pentru un efort de compactare dat, se obtine indesarea maxima a acestuia.

Consolidarea depozitelor de deseuri

Prin consolidarea deseurilor se intelege procesul de producere a deformatiilor in timp, sub incarcare constanta. Acest timp este necesar pentru evacuarea apei din pori, procesul desfasurandu-se intr-un ritm direct legat de caracteristicile materialului, de conditiile de drenare (posibilitatile de eliminare a apei) si de lungimea drumului pe care il are de parcurs apa (grosimea stratului care se consolideaza).

In vederea studierii consolidarii unui material se determina curba de consolidare, care repreinta variatia in timp a gradului de consolidare (variatia in timp a tasarii specifice).

Rezistenta la forfecare

Prin cunoasterea rezistentei la forfecare se poate defini conditia de rupere a unui depozit de deseuri. Aceasta conditie se exprima printr-o relatie intre efortul unitar normal si efortul unitar tangential.

Rezistenta la forfecare a deseurilor nisipoase se exprima prin relatii de tipul:

τ=σtgφ

unde:   

σ -eforturile unitare normale

τ -eforturile unitare tangentiale

φ- unghiul de forfecare inferioara

=(σ-u)tgφ

Exprimarea se poate face functie de efortul unitar normal efectiv sau in functie de efortul total.

Principalii factori de care depinde rezistenta la forfecare a deseurilor nisipoase sunt:

-starea de indesare

-marimea particulelor;

-gradul de neuformitate

-forma particulelor;

-compozitia mineralogica.

Rezistenta la forfecare a deseurilor argiloase depinde atat de unghiul de frecare interioara cat si de coroziunea dintre particule.

=σtgφ+c

unde: c - coeziunea dintre particule.

Principalii factori de care depinde rezistenta la forfecare a deseurilor coezive sunt urmatorii:

structura deseurilor - orce solicitare la forfecare a unui deseu ergilos provoaca o reorintare a particulelor solide care tind sa se aseze dupa directia forfecarii;

natura si calitatea apei din pori - la deseurile argiloase rezistenta la forfecare este puternic influentata de apa din pori.Cu cat este mai mica, cu atat rezistenta la forfecare este mai mare;

starea anterioara de eforturi la care au fost supuse in prealabil deseurile argiloase influenteaza rezistenta la forfecare a acestora.

Unghiul de forfecare interioara si coeziunea nu trebuie privite ca niste constante fizice ale deseurilor argiloase.

Caracteristicile termice ale deseurilor

Determinarea caracteristicilor termice ale unui deseu se poate face prin urmatoarele metode clasice:

I. Analiza elementala. In cadrul acestei metode se determina procentul principalelor elemnte care intervin in procesul de ardere C,H,N,O,S, cenusa (A), umiditatea (W). In functie de rezultatele obtinute se determina aerul necesar arderii, volumul de gaze ardere rezultat si se calculeaza puterea calorica.

II. Analiza tehnica (imediata). In cadrul acestei analize se determina continutul de materii volatile V, umiditatea W, cocsul brut K, si cenusa A. Aceasta analiza furinizeaza informatii importante in legatura cu faza de aprindere si in legatura cu faza de ardere a carbonului din cocsul brut.

III. Analiza termica de baza. Acesta analiza ajuta la determinarea puterii calorice, a temperaturii de imflamabilitate, temperatura punctului de roua al gazelor de ardere. Analizele termice furnizeaza date privind efectul caloric brut ce se poate obtine, temperatura minima la care se produce aprinderea volatilelor si asupra temperaturii minime pe care pot sa o aiba suprafetele in contact cu gazele de ardere pentru a nu se produce condensarea vaporilor de apa, fapt ce produce coroziuni acide ale instalatiilor.

IV. Analiza termica a cenusii. Prin acesta analiza se determina temperatura de inmuiere a cenusii, temperatura de topire si cea de curgere a zgurii. Analizele furnizeaza date asupra temperaturilor la care se produc modificari importante ale structurii si ale caracteristicilor fizice ale cenusii din focar.

In prezent accentul se pune pe analize rapide si complexe. Cele mai cunoscute si utilizate sunt

Analiza cromatografica - furnizeaza informatii rapide si foarte precise asupra constituentilor din substantele analizate, componenti in stare gazoasa la temperatura ambianta sau la temperaturi de pana la 450C. In tehnica de ardere aceasta metoda suplineste unele analize elementare si unele analize tehnice.

Derivatografia termica furnizeaza cele mai importante date privind procesul de ardere al unei substante. Interpretarea derivatogramelor permite stabilirea intervalelor de temperatura si fluxurile de caldura necesare sau obtinute, in fazele de uscare, de degajare si ardere a volatilelor, de ardere    a reziduurilui carbogazos. In diferitele zone de ardere trebuie intervenit in consecinta cu aporturile de caldura sau eliminarea caldurii. In acelasi timp sunt stabilite vitezele si temperaturile de ardere.

Metode de analiza termica

Analizele termice sunt acele metode de analiza instrumentala dinamica ce indica transformarile fizice si chimice ce au loc in materialul proba in timpul incalzirii sau racirii lui. Pe acesta baza s-au construit mai multe sisteme instrumentale bazate pe variatii de masa, de volum si de temperatura ale probelor de analizat comparativ cu o sunstanta termic inerta.

Cele mai utilizate metode de analiza termica sunt urmatoarele:

1. Analiza termica diferentiala (DTA) aceasta metoda sta la baza unor tehnici ce inregistreza diferente de temperatura intre proba si un material termic inert (material de referinta) care de obicei este , amandoua fiind incalzite simultan cu o viteza controlata. Difereta de temperatura este zero pana cand in proba apar modificari de faza sau se produc reactii chimice cu absortie sau degajare de caldura. In acest moment gradientul de temperatura fata de materilaul inert se modifica si varitia de temperatura se inregistreaza ca o deviatie de la linia de baza. In functie de varaitia pozitiva sau negativa se pot determina tipurile de reactii sau transformari ce au loc in proba (endo sau exoterme).

2. Gravimetria termica (TG) este o tehnica instrumentala in care masa probei , masurata cu o balanta , este inregistrata ca o functie de temepratura sau timp, cand proba este incalzita cu o viteza constanta. Daca inregistrarea este reprezentata printr-o curba cu alura descrescatoare inseamna ca au loc descompuneri termice insotite de pierderi de masa, sub forma vaporilor de apa. Daca alura este crescatoare inseamna ca are loc oxidarea unor metle sau alte fenomene care duc la o crestere a masei probei. In cazul in care alura probei este orizontala, aceasta reprezinta o trecere de la o transformare la alta, interval de temperatura in care proba are o compozitie constanta si bine definita.

3. Gravimetria termica derivata (DTG).Este o metoda exprimatala care inregistreaza prima derivata a masei in functie de temperatura sau timp:

Intrucat metoda DTG masoara viteza schimbarilor de masa in functie de temperatura, aria limitata de curba trasata reprezinta pierderea de masa ce are loc in anumite intervale de temperatura separand astfel procesele termice mult mai elocvent decat curba TG.