Työ raportti 2002-31 Jäätymisen ja sulamisen vaikutus bentoniitin ja bentoniittiseosten vedenjohtavuuteen Kirja II i s u usse lvitys Seppo Saarelainen Harri Kivikoski Kesäkuu 2002 POSIVA OY FIN-27160 OLKILUOTO, FINLAND Tel. +358-2-8372 31 Fax +358-2-8372 3709
SAA TE 3.7.2002 Vastaanottaja: Johanna Hansen Posiva Oy Allekirjoitettavaksi Lausuntoa varten Palautetaan Pyydän palauttamaan x Käsiteltäväksi Tiedoksi Keskusteluun viitaten Asia: Työraportti 2002-31 Hei, Oheisella CD:llä raportti word muodossa. Raporttiin on tehty joitakin korjauksia (kirjoitusvirheitä ja joitakin lisäselityksiä kaavoihin) Jouko Tömqvistin ja Harri Kivikosken toimesta. Lähettäjä: Seppo Saarelaisen puolesta Varpu Mattila Puh. 456 4895 Seppo Saarelainen VTT RAKENNUS JA YHDYSKUNTATEKNIIKKA Lämpömiehenkuja 2, Espoo PL 1800, 02044 VTT Puh. (09) 4561 Faksi (09) 463 251 etunimi.sukunimi@ vtt. fi www.vtt.fi V-tunnus 0244679-4
TEKIJÄ ORGANISAATIO: TILAUS VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka PL 1800, 02044 VTT 9739/01/EJOH Työraportti 2002-31 Jäätymisen ja sulamisen vaikutus bentoniitin ja bentoniittiseosten vedenjohtavuuteen. Kirjallisuusselvitys TEKIJÄ: TARKASTANUT: /) /~,/~ tr;l-tt{.~ V lfttjjdi. v U 1 po Saarelainen VTT Rakenqus- ja_ yhdyskuntatekniikka ~~-~bj/11 Harri Kivikoski VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka 10ub~ / ~?uko Törnqf{st VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka HYVÄKSYNYT: Johanna Hansen Posiva Oy
TEKIJÄ ORGANISAATIO: TILAUS VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka PL 1800, 02044 VTT 9739/01/EJOH Työraportti 2002-31 Jäätymisen ja sulamisen vaikutus bentoniitin ja bentoniittiseosten vedenjohtavuuteen. Kirjallisuusselvitys TEKIJÄ: TARKASTANUT: l/ejvja?.ut~~v~ Se6~o Saarelainen VTT Rakennus-la yhdjskuntatekniikka ~~ 1 /~/4a,~. Harri Kivikoski VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka 7P?~~ J /!onko Tör;-~sf' VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka HYVÄKSYNYT: Johanna Hansen Posiva Oy
Työ r a p o r t t i 2 0 0 2-3 1 Jäätymisen ja sulamisen vaikutus bentoniitin ja bentoniittiseosten vedenjohtavuuteen Kirjallisuusselvitys Seppo Saarelainen Harri Kivikoski Kesäkuu 2002
Työ r a p o r t t i 2 0 0 2-3 1 Jäätymisen ja sulamisen vaikutus bentoniitin ja bentoniittiseosten vedenjohtavuuteen Kirjallisuusselvitys Seppo Saarelainen Harri Kivikoski VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka Kesäkuu 2002 Pesivan työraporteissa käsitellään käynnissä olevaa tai keskeneräistä työtä. Esitetyt tulokset ovat alustavia. Raportissa esitetyt johtopäätökset ja näkökannat ovat kirjoittajien omia, eivätkä välttämättä vastaa Posiva Oy:n kantaa.
JÄÄTYMISEN JA SULAMISEN VAIKUTUS BENTONIITIN JA BENTONIITTI SEOSTEN VEDENJOHTA VUUTEEN, KIRJALLISUUSSELVITYS TIIVISTELMÄ Hentoniittisavea ja erilaisia murskeen ja bentoniitin sekoituksia tullaan käyttämään suunnitelluissa loppusijoitustiloissa puskurimateriaalina ja tunnelintäytteenä (Posiva, 2000). Kapselin ympärille asennettavien tiivistettyjen hentoniittilohkojen pääasiallinen käyttötarkoitus on: eristää kapseli sitä ympäröivästä kalliosta ja plastisena materiaalina suojata kapselia pieniltä kallioliikunnoilta rajoittaa aineenvaihduntaa kapselin ympärillä siten että pääasiallinen virtaus tapahtuu diffuusion muodossa. Puskuri myös erottaa kapselin ympäröivässä kalliossa ja tunneleissa tapahtuvista virtaus- ja kulkeutumisprosesseista. Tunnelintäytön ja sulkurakenteiden tarkoituksena on palauttaa häiriintymättömät olosuhteet loppusijoitustiloja ympäröivään geosfåäriin. Täyteaineen avulla estetään loppusijoitustunneleita ja maanpintayhteyksiä toimimasta pohjaveden ja radionuklidien virtausreitteinä, samalla estetään epäsuotuisien ainesten tunkeutuminen loppusijoitustiloihin. KBS-3V- konseptissa: täyteaine estää lisäksi puskuriaineen tunkeutumisen pois loppusijoitusreiästä pitää tunnelit mekaanisesti vakaana. Täyteaineella pitää olla mekaanisesti ja kemiallisesti suotuisat ja ennustettavat ominaisuudet pitkällä aikavälillä, eikä mikään täyteaineen ominaisuuksista saa vaarantaa merkittävästi muiden päästäesteiden toimintaa. Toivattavia ominaisuuksia on mm. alhainen vedenjohtavuus ja puskurin paikallaan pitämiseksi riittävä tiiveys ja pieni kokoonpuristuvuus (Posiva, 2000). Eräs loppusijoituksen ympäristöriskeistä on ikiroudan eteneminen loppusijoitustilan tasoon saakka ilmaston jäähtyessä. Tämän vuoksi on tärkeää tarkastella eristemateriaalien, bentoniitin ja bentoniittisekoitusten, mahdollisen jäätymisen ja sulamisen aiheuttamia seurauksia. Tässä kirjallisuustutkimuksessa tarkasteltiin raportoituja tutkimuksia, jotka koskivat hienorakeisten, routivien maiden rakenteen ja vedenjohtavuuden muutoksia niiden jäätymisen ja sulamisen jälkeen. Lisäksi tarkasteltiin bentoniittituotteiden, bentoniitin ja kivennäismaan seosten ja bentoniitin routivuutta ja vedenläpäisevyysominaisuuksia sulana ja jäätymisen jälkeen. Raportoiduissa tutkimuksissa käytettyjä laboratorio- ja kenttätutkimusmenetelmiä ja -laitteita kuvattiin. Raportin pohjalta laadittiin tutkimusohjelma, jonka perusteella tultaisiin kokeellisesti selvittämään loppusijoituskäyttöön suunniteltujen materiaalien ominaisuuksien muuttumista jäätymisen ja sulamisen vaikutuksesta. Kirjallisuuden perusteella oli ilmeistä, että routivissa suojausmateriaaleissa syntyy saviaineksen kutistumisriski, joka johtaa vedenjohtavuuden kasvuun sulamisen jälkeen. Tämän vuoksi olisi tarpeen ainakin tarkistaa, mitkä ovat käytettäväksi suunnitellun puskurimateriaalin ja tunnelintäytteen jäätyruisominaisuudet Vedenjohtavuuden ohella esitettiin tutkittavaksi myös materiaalien jäätymätön vesipitoisuus pakkaslämpötiloissa sekä materiaalin routanousu- ja kokoonpuristuvuusominaisuudet. Arvioitiin myös, että jos puskurimateriaali ja tunnelintäyte jäätymisen ja sulamisen seurauksena kutistuu, niin kutistumisen seurauksena myös sen paisuntapaine pienenee. Avainsanat: Jäätyminen, sulaminen, vedenjohtavuus, bentoniirti
INFLUENCE OF FREEZE-THAW ON THE PERMEABILITY OF BENTONITE AND BENTONITE MIXTURES- A LITERATURE STUDY ABSTRACT Bentonite and different mixtures of hentonite and crushed rock will he used either as huffer materia! or hackfill materia! in the planned repository for spent fuel hy Posiva (Posiva, 2000). The main functions of hentonite used as a huffer around the canister are: to plastically isolate the canister from the rock and to protect it against minor rock displacements to restrict mass flow rates around the canister so that mass transport takes place predominantly hy diffusion. The huffer thus, to some extent, "decouples" the canister from the flow and transport processes in the surrounding rock, and tunnels. The hackfilling and sealing arrangements aim to re-estahlishment of undisturhed conditions in the geosphere. The main function is to prevent the disposal tunnels and access routes into the repository for hecoming major conductors of groundwater and transport pathways of radionuclides, and to hlock inadvertent intrusion into the repository. In a KBS-3V repository the other functions of the hackfill in the upper part of the deposition hole and in the tunnel are to keep the huffer in place around the canister hy counteracting the swelling ofthe buffer to contrihute to keeping the tunnels mechanically stable. The backfill should have chemically and mechanically favourahle and predictahle properties over Iong time periods and should not have any properties that could significantly impair the function of the other harriers. The desired properties include a sufficient density and low compressibility to keep the huffer in place, and a low hydraulic conductivity (Posiva, 2000). One of the assumed environmental risks is the possihility of permafrost penetration down to the repository depth during climate cooling. Thus, a study conceming the consequences due to the possible freezing and thawing of sealing materials like hentonite and bentonite mixtures was seen important. Research results, reported in literature, and conceming structural changes and changes in the hydraulic conductivity of frost-susceptible, fine-grained soils after freezing and thawing are discussed in this study. The frost-susceptibility and hydraulic properties of bentonite products, bentonite mixtures and hentonite clay in unfrozen state and after freeze-thaw cycles are reported, as well. The laboratory and field-testing devices and methods applied in the reported investigations are described. Finally, a proposal for the further testing programme was presented for the evaluation of the hydraulic stability of planned buffer and backfill materials in reference to freezing and thawing. According to the referred reports, it is obvious that characteristic for frost-susceptible liner materials is the risk of shrinkage in the clay materia!, which leads to a higher hydraulic conductivity after thaw. For this reason, the freezing properties of the planned buffer and backfill materials should he investigated. Besides the hydraulic conductivity, also the unfrozen moisture content in freezing temperatures, and compression and frost-heaving characteristics of the materia! should be determined in the lahoratory. It was also concluded that if the huffer and hackfill material as a result from freeze-thaw cycle would shrink, then swelling pressure would be reduced. Key words: Freeze-thaw, hydraulic conductivity, hentonite
SISÄLTÖ TIIVISTELMÄ ABSTRACT 1 ERISTEMATERIAALIN JÄÄTYMISSTABILITEETIN MERKITYS... 3 2 JÄÄTYMISEN JA SULAMISEN VAIKUTUS VEDENJOHTAVUUTEEN... 5 2.1 Tarkastelunäkökulma... 5 2.2 Savi ja siitti... 5 2.3 Jäätyneen ja sulaneen kivennäismaan vedenjohtavuusmalli... 12 2.3.1 Viitekehys residuaalijännitysten pohjalta... 12 2.3.2 Ehdotus huokosluku-jännitys-vedenjohtavuus-vuorosuhteen (e-logcr'-k) kuvaamiseksi sulaneissa maissa... 13 2.3.3 Huokosluvun muuttuminen... 15 2.3.4 Vedenjohtavuusmalli... 17 2.4 Jäätymätön vesipitoisuus... 19 2.5 Jäätymättömän vesipitoisuuden vaikutus saven routimiseen... 21 3 BENTONIITTIMATTO (GCL)... 23 4 Maabentoniitit... 25 4.1 Materiaalit... 25 4.2 Sulan hiekkabentoniittiseoksen vedenjohtavuus... 25 4.3 Bentoniittityypin vaikutus vedenjohtavuuteen... 28 4.4 Hiekkabentoniittiseoksen stabiilisuus jäätymisen ja sulamisen alaisena... 29 5 BENTONIITIN OMINAISPIIRTEET JA ROUTIVUUS... 33 5.1 Materiaali... 33 5.2 Bentoniitin kokoonpuristuvuus (huokosluku-puristusjännitys-vuorosuhde) 34 5.3 Bentoniitin jäätymätön vesipitoisuus pakkaslämpötiloissa... 34 5.4 Bentoniitin vedenjohtavuus... 35 5.5 Bentoniitin routivuus... 35 5.6 Bentoniitin rakenteen, kokoonpuristuvuuden ja vedenjohtavuuden muuttuminen jäätymisen ja sulamisen jälkeen... 35 6 TUTKIMUSMENETELMÄT... 37 6.1 Vedenläpäisevyys jäädytys-sulatus kokeen yhteydessä... 37 6.2 Jäätymättömän veden pitoisuuden määritys... 41 6.3 Routivuuden määritys... 41 7 TULOSTEN TARKASTELU JA JOHTOPÄÄTÖKSET... 43 8 YHTEENVETO... 45 9 KIRJALLISUUS... 47
3 1 ERISTEMATERIAALIN JÄÄTYMISSTABILITEETIN MERKITYS Ydinjätteen loppusijoitustutkimuksiin liittyen on käyty keskustelua mahdollisesta ikiroudan tunkeutumisesta loppusijoitussyvyydelle, joka on noin 500 metrin syvyydessä maanpinnasta (mm. Helsingin Sanomat, artikkeli 7.2.2001). Roudan tunkeutuminen puolen kilometrin syvyyteen edellyttää ilmaston dramaattista jäähtymistä esimerkiksi Golf-virran vaikutuksen heiketessä ja aikaa jopa 10 000 vuotta. Loppusijoitustekniikan kehittämisessä on päädytty KBS3- konseptin mukaiseen moniestejärjestelmään. Pystysijoitusvaihtoehdossa loppusijoituskapselit asennetaan noin 500 metrin syvyydellä sijaitsevien loppusijoitustunneleiden pohjaan porattaviin loppusijoitusreikiin. Kapselit eristetään ympäröivästä kallioperästä kompaktoidulla bentoniitilla. Loppusijoitustunnelit ja yhteydet maanpintaan täytetään murskeen ja bentoniitin seoksella tai vaihtoehtoisella savipohjaisella tunnelintäytteellä. Bentoniittilohkojen vedenjohtavuus on erittäin alhainen, ja sen pysyvyyden on oltava ennakoitavissa. Hentoniittitutkimuksissa on tarkasteltu lähinnä pitkäaikaisia mineralogisia muutoksia. Puskurimateriaalin ja tunnelintäytteen geoteknisiä ominaisuuksia on selvitetty runsaasti kansainvälisessä tutkimusyhteistyön puitteissa. Sen sijaan mahdollisen jäätymisen ja sulamisen vaikutuksia puskurimateriaalin ja tunnelintäytteen vedenjohtavuuteen ja paisuntapaineeseen on niukasti selvitetty, koska ikiroudan esiintymistä ei pidetä merkittävänä riskinä loppusijoitustilojen pitkäaikaisturvallisuudelle Keski-Euroopassa. Aiemmissa saviainesten (illiitti, kaoliniitti ym.) jäätymisstabiilisuutta koskevissa tutkimuksissa on havaittu, että routivan materiaalin vedenjohtavuus kasvaa, kun materiaali jäätymisen ja routimisen yhteydessä kutistuu. Kutistumis- ja jäätymisominaisuuksiin vaikuttaa myös materiaalin suolaisuus ja ympäröivän pohjaveden kemiallinen koostumus. Routivan maan jäätyessä siinä indusoituu veden jäätymisen ja kiteytymisen myötä veden alijäähtyminen ja sitä vastaava alipaine. Alipaine pyrkii kokoonpuristamaan maa-ainesta. Maan kutistuessa siihen syntyy kutistumishalkeilua tasalaatuisessa materiaalissa, ja makrohuokoisuuden kasvua, jos routiva aines on karkearakeisen, kokoonpuristumattoman raerungon sisällä huokosissa. Halkeilun ja huokoisuuden kasvun arvioidaan aiheuttavan vedenjohtavuuden kasvua. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli luoda katsaus julkaistujen kokeellisen tutkimuksen tulosten pohjalta bentoniitin ja bentoniitti-kivennäismaa-sekoitusten muutoksista, erityisesti vedenjohtavuuden kasvun riskistä jäätymisen ja sulamisen jälkeen. Tämän lisäksi selvitettiin routimista ja sen aiheuttamia rakennemuutoksia, jotka ovat ominaisia routiville savimateriaaleille, mm. bentoniiteille. Sen vuoksi ilmiötä käsiteltiin myös muilla mineraalisilla eristemateriaaleilla tehtyjen tutkimusten pohjalta. Samalla tarkasteltiin kokeellisissa tutkimuksissa käytettyjä laboratoriotutkimuslaitteita ja -menetelmiä soveltuvien laboratoriotutkimusten suunnittelemiseksi. Tutkimusmenetelmien kohdalla arvioitiin myös niillä saatujen tulosten verrattavuutta teoreettiselta kannalta. Seuraavassa bentoniitilla tarkoitetaan paisuvahilaisia savia, jotka sisältävät pääasiassa montmorilloniittia sekä lisäksi muita paisuvia mineraaleja kuten smektiittejä, illiittiä, kaoliniittia ym.. Luonnon savilla ja silteillä tarkoitetaan pääasiassa illiittiä tai kaoliniittia sisältäviä savia, jotka voivat sisältää myös vähäisessä määrin muitakin savimineraaleja. Luonnon savien ja silttien paisuminen on vähäistä, ja niiden käyttäytymiseen ei juurikaan vaikuta rakeiden hydraulinen vuorovaikutus huokosveden kanssa. Bentoniitin kastuessa merkittävä osa paisumisesta muodostuu rakeissa.
5 2 JÄÄTYMISEN JA SULAMISEN VAIKUTUS VEDENJOHTAVUUTEEN 2.1 Tarkastelunäkökulma Seuraavassa tarkastellaan yleisemmin savimateriaaleista tehtyjen eristekerrosten vedenjohtavuutta ja niiden muutoksia materiaalin jäätyessä ja sulaessa. Eristekerrosten ominaisuuksia on tutkittu mm. niiden soveltamiseksi erilaisissa ympäristöteknisissä suojausrakenteissa, kuten kaatopaikoilla ja teiden suolasuojauksien yhteydessä. 2.2 Savi ja siitti Savitiivisteiden on todettu olevan herkkiä vaurioitumaan sekä laboratorio- että kenttätestauksessa jäätymis-sulamissyklien vaikutuksesta (Chamberlain et al. 1990; Zimmie & LaPlante 1990; Zimmie 1992; Chamberlain 1992; Othman & Benson 1992, 1993; Kim & Daniel 1992; Benson & Othman 1993; Bowders & McClelland 1993). Jäätyminen-sulaminen muuttavat aineksen rakennetta luonnon savissa ja silteissä johtuen jäätymiseen liittyvästä suuresta alipaineesta osittain jään kyllästämissä huokosissa (Chamberlain & Gow 1979, Konrad 1989, Othman et al. 1994, Bowders & McLelland 1993). Jäätymissulamissykli aiheuttaa kosteuden kulkeutumista, halkeilua ja suurentaa vedenläpäisevyyttä luonnon savissa ja silteissä (Chamberlain & Gow 1979; Konrad 1989). Othmanin et. al. ( 1994) mukaan luonnon savitiivisteiden, joiden vedenläpäisevyys ennen jäätymistä oli luokkaa 1 o- 9-1 o- 12 m/s, oli tyypillisesti jäätymis-sulamissyklin jälkeen luokkaa 1 o-s m/s. Suhteellinen vedenjohtavuuden kasvu oli sitä suurempi, mitä pienempi oli vedenjohtavuus ennen jäätymistä ja sulamista. Suljetun tai avoimen tilan jäädytyksen vaikutusta vedenjohtavuuteen savessa ja siltissä ovat selvittäneet mm. Chamberlain et al. 1990, Zimmie 1992, Othman & Benson 1992, joiden mukaan ero vedenjohtavuudessa oli vähäinen, olipa veden saatavuus jäätymisen aikana suljettu tai avoin. Savitiivisteiden osalta tämä johtui siitä, että kentällä käytetyt savitiivisteet olivat ohuita ja että ne jäätyivät nopeasti koko paksuudeltaan. Yksi- ja kolmiulotteista jäätymistä oli myös tutkittu (Zimmie et al. 1991) kahdella luonnon savella, jotka oli tiivistetty eri vesipitoisuuksissa. Tekijöiden havaintojen mukaan muutokset vedenjohtavuudessa olivat lähes identtiset molemmilla jäädytystavoilla. Kuitenkin he havaitsivat, että vedenjohtavuus kasvaajäädytys-sulatussyklien määrän kasvaessa. Kuvassa 1 on esitetty vedenläpäisevyyden muutokset 1- ja 3-ulotteisessa jäädytyksessä jäädytys-sulatussyklien suhteen. Vedenläpäisevyyden muutokset 1- ja 3- ulotteisessa jäädytyksessä ovat kohtuullisen samanlaiset.
6-10" 0 Q) ~ -~ :t:: > u ::J "'C c: 0 0.~ "3 cts '- "0 ~ :X: 7 10" 8 10" 9 1 0 3 0 D Wisconsin A 0 Wisconsin B å Å Wisconsin C 10 11 0 2 3 4 5 6 Number of Freeze-Thaw Cycles Kuva 1. Vedenläpäisevyyden muutokset 1- (1-D) ja 3-ulotteisessa (3-D) jäädytyksessäjäädytyssulatussyklien suhteen (Zimmie et al. 1991 ). Jäädytysintensiteetin vaikutusta, jota voidaan karakterisoida näytteeseen kohdistetulla alimmalla jäädytyslämpötilalla, jäähdytysnopeudella tai roudan tunkeutumisnopeudella, ovat tutkineet Othman et al. (1993) kolmella Wisconsin-luonnonsavella, jotka oli tiivistetty optimivesipitoisuutta kosteampina. Kahdella savella, joihin kohdistettiin kolme jäädytys-sulatussykliä, tulokset viittaavat siihen, että sulaneen maan vedenjohtavuus kasvaisi pakkaslämpötilan aletessa, kun tämä vaihteli välillä -1 - -23 C (kuva 2). Lämpötilassa -1 C vedenjohtavuusmäärityksissä oli merkittävää vaihtelua, mikä ehkä viittaa siihen, että kun jäädytyslämpötila oli liian korkea, niin jäätymistä ei tapahtunut riittävästi. Kokeet, jotka tehtiin soveltaen jäähdytysnopeutta välillä 0,3 C/h - 2 C/h, osoittivat, että näiden savien vedenjohtavuuden lisäys kasvoi jäähdytysnopeuden kasvaessa. u Q) ~ E - 1 0-7 -r-----r------r---..---.-...---.----. 10 8 * J -25-20 -15-10 -5 0 10 ~g 0 Wisconsin A Wisconsin B A Wisconsin C 10-10 Ultimate Temperature { C) Kuva 2. Näytteeseen kohdistetun alimman jäädytyslämpötilan vaikutus vedenläpäisevyyteen (Othman et al. 1993). 6.
7 Jäädytysintensiteetin vaikutusta, jota voidaan karakterisoida näytteeseen kohdistetulla alimmalla jäädytyslämpötilalla, jäähdytysnopeudella tai roudan tunkeutumisnopeudella, ovat tutkineet Othman et al. (1993) kolmella Wisconsin-luonnonsavella, jotka oli tiivistetty optimivesipitoisuutta kosteampina. Kahdella savella, joihin kohdistettiin kolme jäädytys-sulatussykliä, tulokset viittaavat siihen, että sulaneen maan vedenjohtavuus kasvaisi pakkaslämpötilan aletessa, kun tämä vaihteli välillä -1 - -23 C (kuva 2). Lämpötilassa -1 C vedenjohtavuusmäärityksissä oli merkittävää vaihtelua, mikä ehkä viittaa siihen, että kun jäädytyslämpötila oli liian korkea, niin jäätymistä ei tapahtunut riittävästi. Kokeet, jotka tehtiin soveltaen jäähdytysnopeutta välillä 0,3 C/h - 2 C/h, osoittivat, että näiden savi en vedenjohtavuuden lisäys kasvoi jäähdytysnopeuden kasvaessa. Othman ja Bensan (1993) tutkivat kolmella Wisconsin- luonnonsavella vedenjohtavuuden ja jäätymislämpötilan välistä suhdetta. He havaitsivat, että muutokset vedenjohtavuudessa olivat merkityksettömiä lämpötiloilla alle -1 C. Savitiivisteillä vedenjohtavuuden kasvu noin 1 dekadilla tapahtui yleensä jo ensimmäisen jäädytys-sulatussyklin aikana. Lisäsyklien aikana muutokset vedenläpäisevyydessä olivat hyvin vähäisiä (pienimmät muutokset 3-10 syklin aikana) (Chamberlain et al. 1990; Zimmie ja LaPlante 1990; Wang & Haug 1991; Othman & Bensan 1992; Othman et al. 1994). Kirjallisuuden perusteella 3-5 jäädytys-sulatussykliä on riittävä määrä selvittämään vedenjohtavuuden muutoksia. Saven jäätymis- ja sulamislämpötilaa on selvittänyt mm. Zongchao ( 1990). Tutkimuksessa havaittiin, että jäätymis- ja sulamislämpötila poikkeavat toisistaan siten, että sulamislämpötila on korkeampi kuin jäätymislämpötila. Lisäksi jäätymispiste laskee kuormituksen kasvaessa ja edelleen jäätymispiste on avoimessa kokeessa alhaisempi kuin suljetussa kokeessa. Jäätymisnopeus vaikuttaa muodostuvien jäälinssien ja -kerrosten kokoon ja tiheyteen (Mitchell 1993). Othman & Bensan (1992) havaitsivat, että nopeampi jäätyminen kasvatti vedenläpäisevyyttä, mutta vaikutus vedenläpäisevyyteen oli maksimissaan kertaluokkaa 1 dekadi. Jäädytysnopeuden vaikutus vedenläpäisevyyteen jäädytys-sulatussyklien suhteen on esitetty kuvassa 3. Jäädytysnopeudet olivat 2 1 o- 6 m/s (7.2 mm/h; nopea), 4 1 o- 7 m/s ( 1.4 mm/h; keskinkertainen) ja 2.6 10-7 m/s (0.94 mm/h, hidas). Havaittiin, että veden1äpäisevyys oli suurin nopealla jäädytyksellä jäädytetyllä savella. Näytetutkimukset osoittivat, että nopea jäädytys sai aikaan suuremman määrän jäälinssejä kuin hidas jäädytys. Kuormituksen vaikutus savitiivisteiden vedenläpäisevyyteen ennen ja jälkeen jäädytyssu1atussykliä on esitetty kuvassa 4. Savitiivisteiden vaurioitumisen herkkyyteen vaikuttaa tehokas puristusjännitys siten, että vedenläpäisevyys kasvaa vähemmän suuremmilla jännityksillä. Tehokas puristusjännitys on materiaalissa vaikuttava kokonaisjännitys vähennettynä vedenpaineella.
8 1o 7 r---------------------------- Fast Mod. Slow 0 WisconslnA 0 Wisconsin 8... t:. Wisconsin C, o t1 0 2 3 4 5 6 Number of Freeze-Thaw Cyc!es Kuva 3. Jäädytysnopeuden vaikutus vedenläpäisevyyteen jäädytys-sulatussyklien suhteen (Othman & Bensan 1992).... ~... 10 7 ~ 10-8 ~ "E 8 10 9.Y 10 10... e After Freeze Thaw ~No Freeze-Thaw ~ 1Q 11 0 50 100 150 200 250 Effective Stress (kpa) Kuva 4. Tehokkaan puristusjännityksen vaikutus savitiivisteiden vedenläpäisevyyteen ennen ja jälkeenjäädytys-sulatussykliä (Othman & Bensan 1991). Sulamiskonsolidaation aikana näytteeseen kohdistetun jännityksen todettiin myös voimakkaasti vaikuttavan jäätyneen ja sulaneen maan vedenjohtavuuteen. Othman & Benson (1992) huomauttivat, että yhden Wisconsin-luonnonsaven vedenjohtavuus viiden jäädytys-sulatussyklin jälkeen suhteessa jäätymättömän saven vedenjohtavuuteen oli 10-, 2,2- tai 1,05-kertainen, kun vallitseva puristusjännitys oli 20, 70 tai 140 kpa.
9 Yksi harvoista tutkimuksista, jossa pyrittiin kehittämään mekaaninen malli jäätymisen ja sulamisen aiheuttaman vedenjohtavuuden muutoksen kuvaamiseksi, on Chamberlain & Gow (1979). Neljä maalajia, kaksi savista silttiä ja kaksi silttistä savea, jotka oli tiivistetty tietteestä jännitystasolle 1,7, 17 ja 140 kpa, jäädytettiin ja sulatettiin kolme kertaa. Jäädytys tehtiin avoimessa systeemissä, ja jäälinssejä syntyi kaikissa näytteissä. Kaikissa tapauksissa jäädytys ja sulatus aiheuttivat huokosluvun pienenemisen ja pystysuoran vedenjohtavuuden kasvun sulaneessa maassa. Siittisen saven vedenjohtavuuden kasvuun vaikutti pääasiassa isotrooppisen kutistumisen aiheuttama halkeilu, kun taas savisissa silteissä se oli seurausta hienoaineksen tilavuuden pienenemisestä karkeamman aineksen huokosissa. Suurin osa jäätymisen aiheuttamista muutoksista sekä huokosluvussa että vedenjohtavuudessa ilmeni ensimmäisen jäätymisen jälkeen. Tämä on mainittu myös muissa tutkimuksissa, joita on siteerattu raportissa Othman et al. (1993), ja joiden mukaan tarvitaan 3-5 lisäjäädytyssykliä, jolloin muutoksia ei enää ilmene. Chamberlain & Gow (1979) huomauttivat, että luonnon savilla jäätymättömän ja sulaneen tilan vuorosuhteita (huokosluku- tehokas jännitys; e-log cr') ja (huokosluku- vedenjohtavuus; e-log kt) kuvaavat käyrät yhtyvät huokosluvun vastatessa kutistumisrajaa. Tätä ei kuitenkaan havaittu karkeammilla, siittisillä maalajeilla, joiden savipitoisuus oli pienempi. Kentällä suoritetuissa tutkimuksissa havaittiin savitiivisteiden yhteydessä, että vedenläpäisevyys kasvoi 10-1 00-kertaiseksi jäädytys-sulatussyklin vaikutuksesta (Benson & Othman 1993 ). Suurissa näytteissä havaittiin lukuisia vaaka- ja pystysuuntaisia halkeamia, jotka olivat muodostuneet jäädytys-sulatuksen aikana. Nämä halkeamat olivat aiheuttaneet vedenläpäisevyyden kasvun. Halkeamia oli tiheimmin lähellä pintaa, ja ne harvenivat syvyyden kasvaessa. Tämä suuntaus oli yhteneväinen lämpötilagradientin pienenemiseen ja yläpuolisen kuormituksen kasvamiseen syvyyden kasvaessa. Suurimman roudansyvyyden alapuolella havaittiin syviä pystyhalkeamia, ja vedenjohtavuus kasvoi kymmenkertaiseksi alkuperäiseen tilanteeseen verrattuna. Samassa vyöhykkeessä veden virtaus routarajalle oli pienentänyt vesipitoisuutta noin 7 %. Pystyhalkeamat olivat aiheutuneet maan kutistumisesta. Routaraja pysyi kokeiden aikana paikallaan vain muutamia päiviä kerrallaan. Pohjoisilla alueilla routaraja voi pysyä pitkiäkin aikoja paikallaan, jolloin kutistuminen routarajan alapuolella voi olla laajempi ja ulottua selvästi syvemmälle. Seuraavat johtopäätökset VOitim tehdä savitiivisteen vedenjohtavuudessa jäädytyssulatussyklien (5 kpl) vaikutuksesta kuormituksella 35 kpa (Woon-Hyung & Daniel 1992): kun savinäyte oli käynyt läpi 5 jäädytys-sulatussykliä vakiovesipitoisuudessa, kaikissa näytteissä tapahtui kasvua vedenläpäisevyydessä, optimivesipitoisuutta kuivemmassa tiivistettyjen näytteiden vedenläpäisevyys kasvoi noin 2-6-kertaiseksi alkuperäiseen tilaan verrattuna, optimivesipitoisuutta kasteammassa vesipitoisuudessa tllvistettyjen näytteiden vedenläpäisevyys kasvoi noin kahdella dekadilla ( 1 00-kertaiseksi) ja näytteen vesipitoisuus oli tärkein muutluja kuvaamaan vedenläpäisevyyden kasvua jäädytys-sulatuskakeiden jälkeen.
10 Kuvassa 5 on esitetty useista eri tutkimuksista koottuja erilaisten, testattujen savinäytteiden vedenläpäisevyyssuhteita verrattuna vedenläpäisevyyteen ennen jäätymistä (jäätymis-sulamissyklejä > 3 kpl). 10000~~~~--~~~~~~~mx~~~ 1000 100 + x O!hman & &nson (1992} 0 limmie et al (1990) 0 Cnaf"'"lberlain et al {1990) Wong & Haug 0991) 6. Benson & Otnman (1993b) + Ki~ & Daniel (1992} liang et at (1983) + ChamOO..lain (1992) V &ns.on & &$$Cher ( 1 992) + Bowdors & McCielland (t993) 10 + + + Efiective Stress < 69 kpa Numoor of Freeze Thaw Gycles > 3.1 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 11-1 0 9 8. 7 6 10 10 10 10 10 10. Hydraulic Conductivity Before Freeze-Thaw (m/sec) Kuva 5. Vedenläpäisevyyssuhde verrattuna vedenläpäisevyyteen ennen jäätymistä Iuonnonsavi/la ja silteillä (Othman et af. 1994). Konrad & Samson (2000a) tutkivat kaoliniittisavi-siltti-seosta suljetun systeemin jäätymisoloissa tarkoituksena luoda kehittynyt menetelmä jäätymisen ja sulamisen aiheuttaman vedenjohtavuuden ja huokosluvun muutosten ennakoimiseksi hienorakeisissa maissa. Huokosluvun muutosmalli kehitettiin soveltaen yksinkertaistettua viitekehystä ottaen huomioon sekä sekoitusten että puhtaan saven kokoonpuristuvuusominaisuudet. Huokoslukumalli johti sitten sulaneiden sekoitusten vedenjohtavuusmalliin. Materiaali on tärkeä, ja useat tekijät havaittiin merkityksellisiksi: savipitoisuus, plastisuus, alkuhuokoisuus, ja vesipitoisuus. Edelleen, näytteiden toistettavuus oli erittäin suotavaa. Tästä johtuen referenssimateriaaleiksi valittiin tietteestä tiivistetyt kaoliinisavi-siltti-sekoitukset, joiden plastisuusluku oli pieni. Aiemmat tutkimukset (Wagg & Konrad 1991) osoittivat, että nämä sekoitukset osoittivat tyypillistä savisen siltin käyttäytymistä savipitoisuuden vaihdellessa. Suljettua jäädytystä sovellettiin valmistetuille näytteille huokosluvun muutoksen rajoittamiseksi jäädytyksen yhteydessä sekä saatavilla olevan veden ja siitä aiheutuvan, sulamisen aikana tapahtuvan paisumisen rajoittamiseksi. Pieniä näytteitä päätettiin käyttää siksi, että lämpötilaolot on helpompi hallita ja minimoida näin transienttijäätymisen vaikutukset. Jäätymisen voimakkuuden vaikutusta tutkittiin kohdistamalla näytteeseen lämpötiloja välillä -2 C - -10 C. Lämpötiloja lähellä -0 C tuli välttää, johtuen mahdollisuudesta, että jäätyminen olisi epätäydellistä tai että se
11 olisi estetty kokonaan. Päätettiin myös rajoittaa testaus yhteen jäädytykseen, sillä suurin osa rakenteen muutoksista tapahtuu jo ensimmäisessä jäädytyksessä. Edelleen, tulosten soveltamiseksi normaalikonsolidoituneille materiaaleille ja sekoituksille, koesarja tehtiin myös ylikonsolidoituneilla sekoituksilla. Johtopäätöksinä tutkimuksista olivat: 1. Jäädytys-sulatussyklin jälkeen huokosluku on pikemminkin verrannollinen lämpötilaan T min, kuin kokeessa käytettyyn lämpötilaan. T min on sellainen pakkaslämpötila, jonka alapuolella ei tapahdu merkittävää muutosta jäätymättömän veden pitoisuudessa. 2. Jäätymisestä johtuvaa konsolidoitumista kaoliniitti-siltti-seoksessa kontrolloivat saviaineksen kokoonpuristuvuusominaisuudet. 3. Kolmella tutkitulla seossuhteella sulaneen näytteen vedenjohtavuus seuraa lineaarista vuorosuhdetta e-log K - asteikossa kaltevuudella, joka on suurempi kuin vastaava vuorosuhde e-log K jäätymättömällä maalla ( e on huokosluku, K vedenjohtavuuskerroin). Edelleen, kaltevuus on riippuvainen sekoituksen savipitoisuudesta (kuva 6). 4. Vedenjohtavuuden systemaattinen kasvu yhden jäätyruiskerran jälkeen havaittiin kaikilla näytteillä huolimatta huokoisuuden pienenemisestä. 5. Yksinkertaistettu huokoslukumalli, jossa otetaan huomioon saviaineksen kokoonpuristuvuusominaisuudet sekä jäätymisen yhteydessä indusoituva huokosalipaine Clausius Clapeyronin mukaan, tuotti sellaisia huokoslukuarvioita sulaneelle näytteelle, jotka olivat yhtäläisiä koetulosten kanssa. 6. Sulaneen seoksen kokonpuristuvuusominaisuuksia voitiin arvioida likimäärin saviaineksen kokoonpuristuvuusominaisuuksista ylikonsolidoituneessa tilassa, koska se oli ollut suuren jäätymisestä johtuvan alipaineen alaisena. Kuvassa 6 on esitetty vedenläpäisevyys huokosluvun suhteen erilaisilla kaoliniittisavisilttiseoksilla.
12 2.5 2.0 1.5 <b g ~ '0 'ö > 1.0 0.5 -- / / 1001 ~ 80 / 60,;',. V... ~ V vr V ~ V V V /) V ~ 1 V )~ ~ ~ "''* ~~;/.)'!"" r P""'./ V... ~ II 1 1 10-7 ~ 20 0 10 Clay content (%) Hydraulic conductivity K {cm/s) ~rr Kuva 6. Vedenläpäisevyys huokosluvun suhteen erilaisilla kaoliniittisavi-silttiseoksilla (Konrad & Samson 2000a). 2.3 Jäätyneen ja sulaneen kivennäismaan vedenjohtavuusmalli 2.3.1 Viitekehys residuaalijännitysten pohjalta Konrad & Samson (2000a) esittivät saviaineksen ja saven sekä hiekan sekoituksen pakkaskäyttäytymisen kuvaamista varten käsittelymallin, jota referoidaan seuraavassa. Havaittu huokosluvun pieneneminen jäätymis-sulamissyklin jälkeen voidaan kuvata residuaalijännityskäsitteen avulla (Nixon & Morgenstem 1973 ). Kuvassa 7 on kaaviona kuvattu vaikuttavia fysikaalisia prosesseja hienorakeisen maan jäätyessä ja sulaessa. Kun liete konsolidoidaan tunnettuun jännitykseen P o (piste A) ja edelleen jäädytetään ilman kuivatusta, syntyy vähäinen tilavuuden kasvu (piste B), joka aiheutuu tilavuuden kasvusta, kun vesi muuttuu jääksi maan huokosissa. Kun näytteen annetaan sulaa, se saa nettokokoonpuristuman, jota edustaa väli AC vakiojännitysolosuhteissa. Koska jäätyvässä maassa vaikuttaa negatiivinen huokosveden paine, kirjoittajat esittivät, että maakerrokset jäälinssien välissä kokivat vallitsevaa jännitystä P 0 suuremman tehokkaan jännityksen, jota edustaa katkoviiva välillä A-0. Sulaessaan ylikonsolidoituneet maat paisuvat adsorboimalla jäälinsseistä vapautuvan veden näiden sulaessa. Jännityspolku tällä osin seuraa viivaa A-E pitkin paisumiskäyrää, jos maa ei kuivatu sulamisen aikana ts. ea = ee. Jos kuivatus on mahdollinen, maa rekonsolidoituu tehokkaaseen jännitykseen Po pitkin rekompressiokäyrää välillä E-C. Tila, jota piste E edustaa, vastaa residuaalijännitystä yhden jäätymisen jälkeen.
13 Virgin compression Iine of unfrozen soti Frozen soil rr 0 Po Effective stress rr ' Kuva 7. Sulamiskonsolidaation jännitys-huokoslukumalli (Nixon & Morgenstern 197 3). Vaikka edellinen viitekehys on ansiokas siinä, että se tarjoaa jäätymisvaikutuksia koskevan makroparametrin, siihen liittyvät puutteet voivat rajoittaa sen soveltamista jäätymisen aiheuttaman vedenjohtavuuden muutoksen kuvaamiseksi. Ensimmäinen rajoitus on, että jäätymiskonsolidaation otaksutaan tapahtuvan sulan maan kokoonpuristuvuusominaisuuksien vallitessa, vaikka maa on osittain jäässä. Siksi jännityspolku välillä A-D ei ehkä ole todellinen. Toinen rajoitus liittyy siihen, ettei tehokas jännitys pisteessä D ole suoraan verrattavissa Clapeyronin yhtälön (vrt. sivu 17, Edelfson & Anderson, 1943) mukaiseen jäätymislämpötilaan. Näin on vaikeata ennakoida lämpötilan vaikutusta jäätymisperäiseen vedenjohtavuusmuutokseen. 2.3.2 Ehdotus huokosluku-jännitys-vedenjohtavuus-vuorosuhteen ( e-logcr' -k) kuvaamiseksi sulaneissa maissa Chamberlain & Gow (1979) osoittivat, että vedenjohtavuuden kasvu jäätymisen ja sulamisen jälkeen, kun maassa ei havaittu kutistumishalkeilua, aiheutui rakenteen muutoksesta sekä makro- että mikrotasolla. He esittivät kahden voimakkaasti idealisoidun systeemin käyttöönottoa (kuva 8). Savisessa siltissä (kuva 8a) karkeammat silttirakeet määräävät tiiveyden, kun taas savirakeet määräävät vedenjohtavuuden. Jäätymisen ja sulamisen jälkeen huokosluku muuttuu hyvin vähän. Kuitenkin, kun savipaketit ovat kutistuneet tiiviimmiksi alhaiseen jäätymislämpötilaan liittyneiden suurten negatiivisten huokospaineiden aiheuttaman konsolidaation vuoksi, siltin huokosiin syntyy avohuokoisuuttaja vedenjohtavuus kasvaa.
14 ( a) Cia yey silt (b) Silty clay Kuva 8. Periaatekuva jäätymisen ja sulamisen aiheuttamista muutoksista ideaalisissa silttisissä savissaja savisissa silteissä (Chamberlain & Gow 1979). Silttisessä savessa silttirakeet eivät ole jatkuvassa kontaktissa, vaan kelluvat saviaineksen varassa (kuva 8b ). Chamberlain & Gow ( 1979) ehdottivat, että tämänlaisessa maassa saven jäätyminen ja sulaminen aiheuttaa savipakettien kutistumista ja uudelleenjärjestymistä tiiviimpään muotoon, mikä johtaa huokosluvun pienenemiseen. Vedenjohtavuus kasvaa seurauksena kutistumishalkeilusta, joka syntyy jäätymisen aikana. Chamberlain & Gow:n ( 1979) tarkastelu osoitti selvästi saven mikrorakenteen suuren vaikutuksen maan käyttäytymiseen jäätymisen ja sulamisen jälkeen. Jäätymisen aikana jää täyttää kasvavan osuuden makrohuokosista lämpötilan aletessa, ja aiheuttaa maan tilavuuden kasvun. Jäätymätön vesi maan huokosissa on kontaktissa jään kanssa ja siinä vaikuttaa alipaine termodynamiikan lakien mukaisesti. Alipaine aiheuttaa tehokkaan puristusjännityksen kasvun ja saven kokoonpuristumisen. Veden otaksutaan suotautuvan jäätymättömistä savihiukkasista makrohuokosissa oleviin jäätymiskeskuksiin, mikä vaikuttaa savipartikkelien uudelleenjärjestymiseen niiden adsorptiovesikalvojen ohetessa. Jäätymättömän vesipitoisuuden käyrissä havaitaan ruinimilämpötila Tmin, jonka alapuolella vesikalvon ohenemista ei enää tapahdu. Viitekehys e- logcr'-k - vuorosuhteiden kuvaamiseksi sulaneissa maissa perustuu näin ollen seuraaviin yksinkertaistaviin olettamuksiin: 1. Jäätyminen aiheuttaa konsolidoitumista vain mikrohuokosissa ts. savihiukkasissa 2. Savihiukkasten kokoonpuristuvuusominaisuuksien jäätyruispisteen alapuolella ja lämpötilan T min yläpuolella oletetaan olevan lähellä sulan saven ominaisuuksia johtuen jäätymättömien adsorptiovesikalvojen olemassaolosta 3. Kokoonpuristuvuus (kokoonpuristuminen, paisuminen ja rekompressio) linearisoituvat e- log cr'- avaruudessa 4. Clausius-Clapeyronin yhtälö ( 1) kuvaa huokosveden paineen, huokosjään paineen ja lämpötilan vuorosuhteita veden ja jään sekoituksen kyllästämässä aineksessa: