C-UPPSATS. Stenmjöl som en jordförbättringsmetod

Transkript

1 C-UPPSATS 2010:054 Stenmjöl som en jordförbättringsmetod Örjan Lidström Jeanette Åström Luleå tekniska universitet C-uppsats Bergmaterial Institutionen för Samhällsbyggnad Avdelningen för Geoteknologi 2010:054 - ISSN: ISRN: LTU-CUPP--10/054--SE

2 Förord Denna avhandling är ett examensarbete utfört av Jeanette Åström och Örjan Lidström på Bergmaterialsprogrammet vid Luleå Tekniska Universitet, LTU, Arbetet har finansierats av NCC Roads Nord. Som handledare vid NCC har vi haft John Johansson och som handledare från Luleå Tekniska Universitet har varit Karel Miskovsky, som även utfört de petrografiska analyserna. Vi vill rikta ett varmt tack till våra handledare för allt stöd och support de givit oss under arbetets gång. Vi vill även passa på att tacka Väglaboratoriet i Norr AB & NCC laboratorium i Umeå som ställt upp med laboratorieutrustning och handledning vid bestämmande av kornstorleksfördelning. 2

3 Sammanfattning Stenmjöl i fraktionen 0-2 mm är i de flesta fall en restprodukt vid bergmaterialsframställning. Detta läggs på stora upplag och marknaden för produkten är liten. Syftet med föreliggande arbete är att bedöma om stenmjöl kan användas vid jordförbättring för att på så sätt hitta en ny marknad för produkten. Arbetet jämför även material med olika glimmerhalter för att påvisa de eventuella skillnader som kan finns mellan dem. Materialens fysikaliska och kemiska egenskaper har analyserats med olika analysmetoder som kornstorleksfördelning, petrografisk analys, permeabilitet, kapillaritet och laktest (2-stegs skaktest). I detta arbete har fyra material med varierande glimmerhalter valts ut för analys och jämförelse. Dessa är granit från Sunderbyn, gabbro från Svalget, biotit-plagioklas skiffer från Brännland och ortognejs från Stöningsberget. Resultatet visar att det är små skillnader mellan materialen när det gäller kapillaritet och permeabilitet. Laktesterna visar däremot resultatet att det finns större variationer mellan proverna. De ämnen som lakas ur materialen som till exempel kalcium och kalium varierar. Skaktestmetoden ger dock bara information om utlakning av de på silikatpartikelns yta exponerade katjonerna (katjonbyteskapacitet). För att kunna utreda krossproduktens långvariga utlakning av K, P, Ca och Mg behöver materialet testas ytterligare med kolonnmetoden då testmaterialet behandlas med vattendoser motsvarande flera års nederbörd. Genomströmmande vatten bör ha regnvattnets kemiska egenskaper (ph 4,5). 3

4 Innehåll Förord 2 Sammanfattning 3 Innehåll 4 1 Bakgrund 5 2 Syfte och målsättning 5 3 Beskrivning av analysmetoder Petrografisk analys Kornstorleksfördelning Urlakning, 2 stegs skaktest Permeabilitet Kapillaritet 6 4 Material Petrografisk analys Kornstorleksfördelning 12 5 Resultat Laktest, 2 stegs skaktest Permeabilitet Kapillaritet 16 6 Utvärdering Permeabilitet och kapillaritet Lak-tester 17 7 Slutsatser 18 8 Referenser 19 A Bilaga 20 4

5 1. Bakgrund Ballastindustrin i Sverige har idag stora problem med restprodukter i de minsta fraktionerna 0-2 mm. Fraktionen är dyr att framställa, den läggs på stora upplag och den traditionella marknaden för produkten är liten. Samtidigt finns det en problematik inom jordbruket i Sverige. Justus von Liebig formade minimilagen som säger att avkastningen på det man odlar kan inte bli större än det växtämne det är mest brist på. Oftast är bristämnet kväve men i många fall även fosfor och kalium eller andra mineral. Samtidigt som mullinnehållet i jorden minskar så minskar även mikrolivet till följd av en alltför ensidig tillförsel av konstgödsel. Idag tillför man oftast kemiskt gödsel i form av NKP (kväve, kalium, fosfor). Detta har medfört att andra mineralämnen som också är viktiga för ett gott odlingsresultat har minskat som till exempel magnesium, kalcium och natrium. 2. Syfte och målsättning Syftet med examensarbetet är att undersöka skillnader mellan bergarter med hög respektive låg glimmerhalt. Materialets fysikaliska och kemiska egenskaper kommer att analyseras och tolkas. Jordbruket och trädgårdsodlare behöver en produkt som kan tillföra mineral tillbaka till jorden i större utsträckning än vad det traditionella konstgödslet NKP kan. Därför blir målsättningen att ta reda på om stenmjöl i fraktionen 0-2 mm kan fungera som en jordförbättringsmedel. 3. Beskrivning av analysmetoder Prover av olika bergarter med varierande glimmerinnehåll analyserades för att fastställa deras fysikaliska och kemiska egenskaper. Nedan kommer en beskrivning av de analysmetoder som användes. 3.1 Petrografisk analys Petrografiska analysen har utförts på de olika analysfraktionerna, 0,063-0,125 mm och 0,125-0,250 mm. De analyserade fraktionerna gjuts in i epoxi som sedan görs till tunnslip. Tunnslipen har sedan fotograferas och bilderna har analyserats av en geolog för att kunna bestämma mineralhalten i de olika materialen. 5

6 3.2 Kornstorleksfördelning Kornstorleksfördelningen undersöks för att se om det finns några variationer mellan materialen. Kornstorleksfördelningen genom siktanalys har genomförts i enlighet med SS-EN 933-1:1998. Materialet torkas, neddelas och vägs. Sedan tvättas och torkas provet och vägs åter igen. Därefter uppdelas provet i olika fraktioner med en serie siktar. Utifrån de provmängder som finns på varje sikt kan en siktkurva göras. 3.3 Urlakning, 2-stegs skaktest Skaktest är ett kontrolltest för urlakning av granulära material och slam. Ett lufttorkat prov skakas i en lakvätska i två steg. Steg ett innebär en skakning på sex timmar med en L/S-kvot (liquid/solid) på två. Vidare skakas vätskan ytterligare arton timmar med en tillförsel av vätska, den nya L/S-kvoten blir då tio. Därefter filtreras lakvätskan ut och analyseras. Testet är utfört i enighet med SS-EN Ur analysen får man svar på hur mycket tungmetaller och andra mineral som urlakas ur materialet. Metoden är avsett för testning av utlakning från avfall. Denna testmetod ger bara information om utlakning av de på partikelns yta exponerade katjoner. För att kunna utreda krossproduktens kontinuerliga utlakning av K, P, Ca och Mg bör materialet testas med kolonnmetoden då testmaterialet behandlas med vattendoser motsvarande flera års nederbörd. Genomströmmande vatten bör ha regnvattnets kemiska egenskaper (ph 4,5). 3.4 Permeabilitet För att bestämma stenmjölets kompressabilitet och permeabilitet utförs s.k. CRS-försök i enighet med SS-EN Metoden går ut på att provet deformeras med konstant hastighet. Under försöket dräneras provet från ena sidan och en portrycksmätare är placerad på den andra sidan. Det som mäts under provets gång är påförd kraft, deformation och portryck. Då deformationshastighet och portryck är känd kan permeabiliteten uppskattas. 3.5 Kapillaritet Kapillariteten mäts med en undertryckskapillarimeter i enighet med SS-EN Provet går till så att ett fuktat prov sätts i provbehållaren där provet utsätts för ett undertryck. Undertrycket ökas tills luftgenombrott sker. Det undertryck som påverkar provet när brottet sker är ett mått på kapillariteten. 4. Material Material som testats är följande: 1. Amfiboliteserad gabbro (Svalget) 2. Granit (Sunderbyn) 3. Ortognejs (Stöningsberget) 4. Biotit-plagioklas skiffer (Brännland) 6

7 4.1 Petrografisk analys Material 1 visar: Provtagningsplats: Svalget Struktur: folierad Färg: mörk Textur: medelkornig, ojämnkornig Huvudmineral: amfibol, fältspat, glimmer, kvarts, pyroxen Klassifikation: medelkornig något ojämnkornig amfibolitiferad gabbro (biotit) Tabell 1. Mineral och kornfördelning. Fraktion 0,125-0,250 0,063-0,125 Korn % Korn % Fältspat , ,6 Glimmer , ,6 Amfibol 34 8, ,2 Kvarts 34 8,8 2 0, ,9 Material 2 visar: Provtagningsplats: Sunderbyn Struktur: massformig, svagt folierad Färg: grå-rödaktig Textur: medelkornig, jämnkornig Huvudmineral: fältspat, kvarts, glimmer Klassifikation: medelkornig, jämnkornig granit (glimmerhalt <10%) Tabell 2. Mineral och kornfördelning. Fraktion 0,125-0,250 0,063-0,125 Korn % Korn % Fältspat , ,5 Kvarts 74 18, ,8 Glimmer 80 19, , ,9 7

8 Material 3 Provtagningsplats: Stöningsberget Struktur: folierad Färg: grå Textur: medelkornig, ojämnkornig Huvudmineral: fältspat, glimmer, kvarts, amfibol(underårnad) Accessorier: zirkon, kalcit Sekundärmineral: sencit Klassifikation: mörk ortognejs (+biotit plagioklas skiffer) Tabell 3. Mineral och kornfördelning. Fraktion 0,125-0,250 0,063-0,125 Korn % Korn % Glimmer , ,5 Fältspat , ,1 Kvarts 44 10,2 29 7,8 Övriga 34 8,8 5 1, ,7 Material 4 Provtagningsplats: Brännland Struktur: folierad Färg: grå Textur: medel- grovkorning Huvudmineral: fältspat, kvarts, glimmer (delvis fri), amfibol Accessorier: grafit Sekundärmineral: sencit Klassifikation: biotit-plagioklas skiffer (sedimentgnejs, amfibolitskiffer) Tabell 4. Mineral och kornfördelning. Fraktion 0,125-0,250 0,063-0,125 Korn % Korn % Glimmer , ,2 Fältspat , ,2 Kvarts ,6 Övriga 5 1,

9 Glimmerhalter för respektive material och fraktion (0,063-0,125mm och 0,125-0,250m) presenteras i tabell 5 och illustreras i figur 1. Tabell 5. Glimmerhalten i procent för varje material Mtrl Bergart 0,063-0,125 0,125-0,250 1 Amfibolitiserad gabbro 33,6 37,5 2 Granit 21,7 19,8 3 Ortognejs 63,5 60,3 4 Biotit-plagioklas skiffer 45,2 52, Glimmerhalt, % Amfibolitiserad gabbro 2. Granit 3. Ortognejs 4. Biotit-plagioklas skiffer ,063-0,125 0,125-0,250 Fraktion,mm Figur 1. Andelen fritt glimmer för varje undersökt fraktion 9

10 Fältspat för respektive material och fraktion (0,063-0,125mm; 0,125-0,250m) presenteras i tabell 6 och illustreras i figur 2. Tabell 6. fältspat i procent för varje material Mtrl Bergart 0,063-0,125 0,125-0,250 1 Amfibolitiserad gabbro 52,6 44,8 2 Granit 57,5 62,0 3 Ortognejs 27,1 27,1 4 Biotit-plagioklas skiffer 36,2 30, Fältspat, % Amfibolitiserad gabbro 2. Granit 3. Ortognejs 4. Biotit-plagioklas skiffer ,063-0,125 0,125-0,250 Fraktion,mm Figur 2. Andelen fritt fältspat för varje undersökt fraktion 10

11 Kvarts för respektive material och fraktion (0,063-0,125mm; 0,125-0,250m) presenteras i tabell 7 och illustreras i figur 3. Tabell 7. Kvarts i procent för varje material Mtrl Bergart 0,063-0,125 0,125-0,250 1 Amfiblitiserad gabbro 0,5 8,8 2 Granit 20,8 18,2 3 Ortognejs 7,8 10,2 4 Biotit-plagioklas skiffer 18, Kvarts, % Amfibolitiserad gabbro 2. Granit 3. Ortognejs 4. Biotit-plagioklas skiffer ,063-0,125 0,125-0,250 Fraktion,mm Figur 3. Andelen fri kvarts för varje undersökt fraktion 11

12 4.2 Kornstorleksfördelning Här redovisas de kornstorleksfördelningar som erhållits från analyser gjorda i enlighet med SS-EN 933-1: Passerande mängd, vikt-% , Amfibolitisera d gabbro 0 0,063 0,125 0,25 0, Kornstorlek, mm Figur 4. Kornstorleksfördelningen för material Granit Passerande mängd, vikt-% , ,063 0,125 0,25 0, Kornstorle k, mm Figur 5. Kornstorleksfördelningen för material 2. 12

13 Passerande mängd, vikt-% , Ortognejs 0 0,063 0,125 0,25 0, Kornstorlek, mm Figur 6. Kornstorleksfördelningen för material Passerande mängd, vikt-% ,4 23,3 37,2 53,8 69,9 85,8 Biotit-plagioklas skiffer 0 0,063 0,125 0,25 0, Kornstorlek, mm Figur 7. Kornstorleksfördelningen för material 4. 13

14 5. Resultat Resultat från de olika analysmetoderna redovisas var för sig. 5.1 Laktest, 2-stegs skaktest Laktest, 2-stegs skaktest har gjorts enligt EN Analyserna är gjorda vid Statens geotekniska institut. Nedan följer de resultat som erhållits. Tabell 8. Resultaten från laktestet (2-stegs skaktest). mg/kg TS i 25 C. Mätosäkerhet ±21%. Amfibolitiserad gabbro Granit Ortognejs Biotit-plagioklas skiffer Grundämne L/S=2 ph 8,6 L/S=10 ph 9,3 L/S=2 ph 9,2 L/S=10 ph 9,4 L/S=2 ph 9,4 L/S=10 ph 9,1 L/S=2 ph 8,1 L/S=10 ph 9,2 Al 1,1 9,77 1,2 9,44 4,64 13,7 0,23 8,62 Ca 16 44,9 8, ,98 55, Fe 0,63 3,9 0,50 2,6 3,8 5,5 0,02 0,76 K 26,2 85,6 15, , ,3 83,7 Mg 4,26 8,5 1,7 5,5 2,4 8,8 8,30 11 N 6,68 8 3, ,6 0,7 <2 Na 29,4 38,3 18,2 25,8 16,8 22,8 4,83 7 P 0,03 0,3 0,05 0,2 0,2 1,4 <0,03 <0,2 S 26,4 29 2,0 <4 3,84 5, Si 7, ,1 41,7 11,7 32,0 4,59 22,8 DOC 1 19,9 2,88 15,1 3,18 13,3 2,71 14,0 Fluorid <0,5 <3 <0,5 <3 1,2 <3 0,47 <3 Klorid 8,26 <20 19,3 <30 5,46 <20 5,39 <20 Sulfat 73,2 <200 <20 <60 10,3 <

15 5.2 Permeabilitet I enighet med SS-EN har permeabilitesanalyser utförts vid Statens geologiska institut. De resultat som erhållits är följande: Material 1 (amfibolitiserad gabbro) Tabell 9. Permeabiliteten för material 1. Skrymdensitet 1,65 t/m³ Tid efter montering (timmar) Permeabilitet (m/s) 5,55 2,31E-5 5,57 2,80E-5 5,64 2,27E-5 5,68 1,94E-5 5,73 2,11E-5 29,24 1,07E-5 29,28 1,27E-5 29,32 1,11E-5 29,36 1,00E-5 47,30 3,30E-6 47,59 5,30E-6 47,92 1,03E-5 ANMÄRKNING: Försöket är ej stabilt Material 2 (granit) Tabell 10. Permeabiliteten för material 2. Skrymdensitet 1,61 t/m³ Tid efter montering (minuter) Permeabilitet (m/s) 351,38 1,58E-4 352,25 1,47E-4 353,03 1,83E-4 353,85 1,95E ,53 1,33E ,87 1,71E ,73 1,71E ,62 1,80E-4 15

16 Material 3 (ortognejs) Tabell 11. Permeabiliteten för material 3. Skrymdensitet 1,68 t/m³ Tid efter montering (minuter) Permeabilitet (m/s) 322,02 3,91E-5 326,38 4,61E-5 327,27 4,48E-5 329,75 5,32E ,57 3,95E ,43 4,25E ,65 4,78E ,00 5,03E-5 Material 4 (biotit-plagioklas skiffer) Tabell 12. Permeabiliteten för material 4. Skrymdensitet 1,58 t/m³ Tid efter montering (minuter) Permeabilitet (m/s) 3,83 1,81E-5 5,42 2,13E-5 7,18 2,30E-5 8,33 1,77E-5 9,72 2,31E-5 10,88 1,99E-5 12,62 2,21E Kapillaritet Kapillaritetsanalyser har gjorts i enighet med SS-EN Analyserna är utförda på NCC Roads AB:s laboratorium i Sundsvall. Nedan presenteras de resultat som erhållits. Tabell 13. Resultat av kapillaritetsanalyser Material Erhållet medelvärde vid analys 1. Amfibolitiserad gabbro 0,97 m 2. Granit 0,85 m 3. Ortognejs 1,00 m 4. Biotit-plagioklas skiffer 0,90 m 16

17 6. Utvärdering 6.1 Permeabilitet och kapillaritet När det gäller kapillaritet och permeabilitet fanns inga större skillnader att påvisa mellan bergarterna. Skillnaden mellan proverna var mycket liten. Permeabiliteten är jämförbar med den permeabilitet som går att hitta i finsand. Permeabilitetsanalysen av gabbron (mtrl 1) visar på en ojämn permeabilitet under tidsperioden 29,36 till 47,92 timmar. Provet betecknas därför som instabilt, även om skillnaden bara är 0,0047mm/s under den aktuella tidsperioden. Kapillaritetsanalyserna visade inte heller någon större skillnad mellan de olika proverna. Både en glimmerrik och glimmerfattig bergart hade en kapillaritet på runt 1,00 medan de övriga låg mellan 0,85-0,90. Kapillariteten är, precis som permeabiliteten, jämförbar med den kapillaritet som fås i finsand. Man kan även tänka sig att vid inbladning i jord så har stenmjölet försumbar påverkan på jordens permeabilitet och kapillaritet, då små endast mängder av stenmjölet blandas i relation till den totala volymen jord som framställs. 6.2 Lak-tester Viktigt för en bra jord är, förutom de rätta fysikaliska egenskaperna såsom struktur, ph, fukthalt etc, ett bra näringsinnehåll. Växterna i jorden behöver en balanserad mängd av olika mineral och näringsämnen för bästa tillväxt och kvalité. De hittills gjorda studierna indikerar att användning av stenmjöl i blandning med odlingsjorden kan på lång sikt förbättra jordens innehåll av mineral och näringsämnen. Genom hydrolys (kemisk sönderdelning av silikatmineralen i vatten med hjälp av koldioxid och humussyror) frigörs näringsämnen och kisel långsamt från stenmjölet. Denna långsamma process fungerar dock effektivt bara i tropiskt- subtropiskt fuktigt klimat. Vad som frigörs och i vilken mängd beror bland annat på stenmjölets ursprung och på de rådande klimatologiska förhållandena. En generell regel är att de basiska magmabergarterna bryts ned snabbare än de sura magmabergarterna. Tabell 14 visar halter av de viktiga näringsämnena i L/S 10 lakningslösning. Tabell 14. Urlakad mängd näringsämnen för de testade materialen Urlakad mängd mg/kg. L/S = 10 K Si Mg Ca Na N P Biotit-plagioklas 83,7 41, ,2 skiffer Ortognejs ,8 55,9 22,8 37,6 1,4 Gabbro ,5 44,9 38,3 8 0,3 Granit 49 41,7 5, ,8 4 0,2 Skaktestmetoden ger dock bara information om utlakning av de på silikatpartikelns yta exponerade katjonerna. I neutral (ph 7) vattenlösning ersätts dem på partikel ytan exponerade katjonerna med vätejoner (H + ) som har mycket högre affinitet. Processen gör sig gällande i lösningens ökande ph. I detta fall ökade ph >9. För att kunna utreda 17

18 krossproduktens långvariga utlakning av K, P, Ca och Mg behöver materialet testas ytterligare med kolonnmetoden då testmaterialet behandlas med vattendoser motsvarande flera års nederbörd. Genomströmmande vatten bör ha regnvattnets kemiska egenskaper (ph 4,5). 7. Slutsatser Analyserna gällande kapillaritet och permeabilitet visade små skillnader mellan materialen. Här går det inte att finna några större olikheter mellan material med låga respektive höga halter av glimmer. Slutsatsen blir därför att det inte har någon betydelse om ursprungsmaterialet för stenmjöl kommer från en glimmerrik eller glimmerfattig bergart. Större studier bör göras på området för att utröna om detta gäller generellt i jämförelse mellan glimmerrika respektive glimmerfattiga material. Vid laktesterna kunde man se vissa större och mindre skillnader i urlakning av olika näringsämnen. Här återfanns variationer mellan glimmerrika och glimmerfattiga material. Tendensen var att prover från glimmerrika material visade på större urlakning av näringsämnen än de glimmerfattiga. Detta kan bero på glimmerpartiklarnas stora specifika yta. Även mellan de olika glimmerrika materialen, ortognejs och biotitplagioklas skiffer, fanns variationer i urlakning. Ortognejsen visade på en större urlakning av kalium (K), fosfor (P) och kväve (N) än vad skiffern hade. Biotitplagioklas skiffern visade däremot att den tenderar att laka ut mer kalcium (Ca). De glimmerfattiga materialen hade en mindre urlakning av näringsämnen med undantag för gabbron som hade en relativt stor urlakning av kalium (K) och natrium (Na). Det kan påpekas att gabbro domineras av Fe, Mg och Ca. Slutsatsen blir därför att det finns tendenser som visar att glimmerrika bergarter lakar ur mer näringsämnen än glimmerfattiga. Då framför allt om man ser till kalium, kalcium och i viss del även fosfor. Men eftersom det finns variationer mellan materialen i urlakning av andra näringsämnen bör fler studier göras på området. Bergartens sammansättning, bildningsätt och ursprung kan ha betydelse för vad som lakas ur oavsett glimmerhalt. Den aktuella studien ger dock snarast information om de testade materialens katjonbytes kapacitet än om det långvariga katjontillskottet genom vittringsprocesser. 18

19 8. Referenser Lars Forslin. Stenmjöl En bakgrund, Odlaren, nr Lund A. Och så lite stenmjöl, Odlaren nr ISSN Handbok En frisk jord (1978). Avsnitt: Stenmjöl Granstedt A. Ekologisk trädgårdsodling - från teori till praktik (1992) Avsnitt: Växtnäringsförsörjning i ekologisk trädgårdsodling Havlin J L, Beaton J D, Tisdale S L & Nelson W L (1999). Soil Fertility and Fertilizers - An introduction to nutrient management. Utgåva 6. ISBN SS- EN 933-1, Ballast Geometriska egenskaper del 1. Bestämning av kornstorleksfördelning Siktning, fastställd Naturvårdsverket. Rapport 5207 maj Sammanställning av laktester för oorganiska ämnen. ISBN SS Geotekniska provningsmetoder - Bestämning av kapillaritet med undertryckskapillarimeter. SS Geotekniska provningsmetoder - Kompressionsegenskaper - Ödometerförsök, CRS-försök - Kohesionsjord. 19

20 A Bilaga 20

21 21

22 22

23 23

24 24

25 25

26 26

27 27

28 28

29 29

30 30

31 31

32 32

33 33

34 34

35 35

36 36

37 37

38 38

39 39

40 40