4 Material und Umwelt
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Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass die Setzmaschinentechnik eine geeignete Methode ist, um Brechsande aus gemischten Bauabfällen aufzubereiten. Die Trennung des Materials in zwei Stoffströme unterschiedlicher Dichte hat sich mit einer Absenkung um 56% besonders effizient in der Reduzierung von PAK Belastungen im Feststoff erwiesen. Auch die Sulfatlast im Produktstrom wurde durch den Prozess im Vergleich zum Aufgabegut um 29% gesenkt. Neben der Erhöhung des Median Partikeldurchmessers durch Klassierungseffekte, ist die Herabsetzung verschiedener Eluatparameter ebenfalls positiv zu bewerten. Dies bezieht sich zum einen auf die elektrische Leitfähigkeit, die nach EBV von RC-3 auf RC-1 aufgewertet wurde und zum anderen auf die Chromkonzentration, die von RC-2 auf die Stufe RC-1 angehoben wurde. Die vorliegenden Aufbereitungsergebnisse erlaubten jedoch nicht eine Gesamteinordnung des Materials als Ersatzbaustoff oberhalb der Klasse RC-3. Hierzu ist eine weitere Absenkung der Eluatwerte für Sulfat um 25% von RC-3 (1325 mg L-1) auf RC-2 (< 1000 mg L-1) und des PAK-15 Wertes um 4% von RC-3 (8.3 µg L-1) auf RC-2 (< 8.0 µg L-1) erforderlich. Eine detaillierte Optimierung der Prozessparameter der Setzmaschinentechnik könnten diesen Spielraum ermöglichen.
Im Rahmen eines vom Umweltbundesamt geförderten Forschungsprojekts wurde untersucht, ob die Abtrennung der Feinfraktion (0-2 mm) eine Verbesserung der umweltrelevanten Eigenschaften bewirkt und somit HMVA-1 erreicht werden kann. In Deutschland wird die Rostasche durch Nassentschlackungssysteme aus dem Feuerraum ausgetragen. Durch den Kontakt mit Wasser setzen direkt hydraulische Reaktionen ein, die eine vollständige Abtrennung der Feinfraktion unmöglich machen. Das wurde bereits in den 1990er Jahren erkannt und führte zur Entwicklung des ABB InRec Verfahrens mit Trockenentaschung als ersten Verfahrensschritt. Auch damals war das Ziel eine möglichst inerte Rostasche für die Verwertung zu erzeugen. In den letzten Jahren wurden in der Schweiz Trockenentaschungssystem installiert, hier vor allem um die Rückgewinnung von elementaren Metallen auch in der Feinfraktion zu verbessern. Welche Potenziale sich dabei erschließen lassen, wurde in einem anderen UBA-Projekt untersucht. Im Rahmen unserer Arbeiten wurde versuchsweise trockene Rostasche an einer Anlage in Süddeutschland genommen und im Labor untersucht. Im Vortrag werden die Ergebnisse zum Auslaugverhalten und zur Gefahreneigenschaft HP14 (Ökotoxizität) vorgestellt.
The use of ashes from municipal solid waste incineration as secondary building materials is an important pillar for the circular economy in Germany. However, leaching of potential toxic elements from these materials must be at environmentally acceptable levels. Normally, a three-month ageing period immobilizes most hazardous heavy metals, but antimony (Sb) and vanadium (V) showed previously unusual leaching. In order to clarify the mechanisms, we analyzed the Sb and V species in various bottom and fly ashes from municipal waste incineration by XANES spectroscopy. Antimony oxidizes from Sb(+ III) species used as flame retardants in plastics to Sb(+ V) compounds during waste incineration. However, owing to the similarity of different Sb(+ V) compound in the Sb K- and L-edge XANES spectra, it was not possible to accurately identify an exact Sb(+ V) species. Moreover, V is mainly present as oxidation state + V compound in the analyzed ashes. However, the coarse and magnetic fraction of the bottom ashes contain larger amounts of V(+ III) and V(+ IV) compounds which might enter the waste incineration from vanadium carbide containing steel tools. Thus, Sb and V could be critical potential toxic elements in secondary building materials and long-term monitoring of the release should be taken into account in the future.
Investigation on the Durability of a Polypropylene Geotextile under Artificial Aging Scenarios
(2024)
Geosynthetics are widely used in various civil engineering applications, such as geotextiles in coastal protection, and display a sustainable alternative to natural mineral materials. However, the full benefits of using geosynthetics can only be gained with a long service lifetime of the products. With the use of added stabilizers to the polymers, service lifetimes can be achieved in the range of 100 years. Therefore, accelerated aging methods are needed for the assessment of the long-term performance of geotextiles. In the present study, the behavior of geosynthetic materials made of polypropylene was investigated under artificial aging conditions involving elevated temperatures ranging from 30 to 80 °C, increased oxygen pressures ranging from 10 to 50 bar in water-filled autoclaves, and UV irradiation under atmospheric conditions. ATR-IR spectroscopy was employed to detect the increase in the carbonyl index over various aging durations, indicating the oxidative degradation of the geotextile. The most pronounced increase was observed in the case of aging through UV irradiation, followed by thermal aging. Elevated pressure, on the other hand, had a lower impact on oxidation. High-temperature size exclusion chromatography was utilized to follow the reduction in molar mass under different degradation conditions, and the results were consistent with those obtained from ATR-IR spectroscopy. In polyolefins such as polypropylene, Hindered Amine Stabilizers (HAS) are used to suppress oxidation caused by UV radiation. The quantitative analysis of HAS was carried out using a UV/Vis method and HPLC. The degradation of UV stabilizers during the aging of geotextiles is responsible for the oxidation and the reduction in the molar mass of polypropylene. From the results, it can be concluded that applications of PP geotextile without soil or sand cover might cause the risk of the formation of microplastic particles. Material selection, design, and maintenance of the construction must follow best practices, including the system’s removal or replacement at end-of-life. Otherwise, a sustainable use of geotextiles in civil engineering is not possible.
Einstufung von Aschen und Schlacken aus der Abfallverbrennung im Hinblick auf die weitere Verwertung
(2024)
There are two mirror entries in the European Waste Catalogue for bottom ash and slag from waste incineration: 19 01 11* and 19 01 12. Entry 19 01 11* describes a waste material containing hazardous substances. It was shown that only the hazardous property HP14 (ecotoxic) is of relevance for the classification. If substances with the hazard statement code (HSC) H400, H410, H411, H412 and H413 are present in incineration bottom ash (IBA) above certain level the waste is classified as hazardous, otherwise it is non-hazardous (in this case 19 01 12). It was further shown that only Cu, Zn and Pb compounds have an impact on the classification using a summation rule: 100xΣ c(H410) + 10xΣ c(H411) + Σ c(H412). Limit value is 25 percent. It is obvious that H410 substances have the highest impact. Therefore, the knowledge of the elemental composition of IBA is not sufficient because the content of distinct chemical compounds (with the respective molecular weight) is needed. When the exact speciation is not known a worst-case approach has to be applied. A practical guideline for the estimation of HP14 was developed based on the definition of 4 substance groups: 1. Metals and alloys, 2. Water-soluble substances, 3. Oxides and carbonates and 4. Substances not soluble in weak acids. In substance group 1 only fine Zn powder has the HSC H410. Water-soluble substances are assumed to be H410 substances. Their concentrations are, however, regularly below the cut-off value of 0.1 %. The amount of substance group 3 is estimated by a selective extraction with maleic acid. According to the worst-case approach it is assumed that CuCO3xCu(OH)2 and ZnO represent the respective Cu and Zn species in IBA because these substances have the highest stochiometric factor. Even with this worst-case approach results from operators of IBA treatment plant showed that the limit value of 25 % is not exceeded.
The requirements for utilization of IBA in Germany are defined in the Secondary
Building Materials Decree (Ersatzbaustoffverordnung EBV) which was set into force in August 2023. Leaching methods (batch test or column test) with a liquid-to-solid ratio of 2 l/kg are applied. IBA fulfills the requirements for class HMVA-2. Actually, even a classification of IBA as hazardous (i.e 19 01 11*) would not affect utilization but handling and transport.
Here, we report a comparative study of different sum parameter analysis methods for the extraction of per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) from manufactured consumer products, which can be measured by combustion ion chromatography (CIC). Therefore, a hydrolysis-based extraction method was further developed, which accounts for the addition of hydrolyzable covalently bound polyfluoroalkylated side-chain polymers (SFPs) to the extractable organic fluorine portion of the mass balance proposed as "hydrolyzable organically bound fluorine" (HOF). To test this hypothesis, the method was applied to 39 different consumer products containing fluoropolymers or monomeric PFAS taken from four different categories: outdoor textiles, paper packaging, carpeting, and permanent baking sheets. We also evaluated the method's efficiency by extracting four synthesized fluorotelomer polyacrylate reference compounds. The total fluorine (TF) and extractable organically bound fluorine (EOF) values were measured through CIC using established protocols. The TF values ranged from sub-ppb to %-levels, depending on the compound class. All samples showed results for hydrolyzed organofluorine (HOF) between 0.03 and 76.3 μg/g, while most EOF values were lower (<LOD to 58.1 μg/g). Moreover, the methods were contrasted with the "total hydrolyzable precursor" (THP) assay analyzed using gas-chromatography coupled mass spectrometry (GC-MS), which yielded concentrations of 6:2–10:2 fluorotelomer alcohols (<LOD-568 μg/g) for textile and paper samples. Furthermore, targeted analytical investigation of 25 compounds via liquid chromatography coupled tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) was conducted and accounted for significantly lower sum amounts (<LOD-0.98 μg PFAS/g). To estimate the fluorine mass balance of all methods, the fluorine levels of target analytical data were calculated and compared to the sum parameter values and evaluated. Finally, the efficiency of the extraction method was approximated by the recovery analysis of four selected SFP model compounds compared to their TF values, yielding 36.7–74.0% after extraction and 3.8–36.3% after processing the extract for the HOF sum parameter.
Half of the global material consumption is mineral material. The circularity is still low so that enhanced use of secondary building material is required to close loops. Three different secondary building materials are discussed based on exemplary research results: construction and demolition waste (C&D waste), soil-like material and incineration bottom ash (IBA). Focus was laid on the environmental compatibility of the materials examined mainly by standardized leaching tests. C&D waste was investigated after a wet treatment using a jigging machine, soil-like material and IBA were characterized with respect to their material composition. The environmental compatibility in particular was studied using standard leaching tests (batch tests and column tests). It was concluded that soil-like material can mostly be utilized even when the precautionary limit values set are exceeded by a factor of less than 2. For C&D waste the fine fraction below 2 mm and the content of brick material is problematic. IBA fulfills quality level HMVA-2 following German regulation. Higher quality levels of utilization might be achievable with better treatment technologies.
Wet-mechanical treatment: Processing of bituminous road construction waste in a jigging machine
(2023)
Jigging machines are used in processing technology in many areas. Examples are the processing of coal, ores, and primary and secondary raw and waste materials. Even small differences in density are offen sufficient for successful sorting. In the work presented here, milled material from road construction waste contaminated with bitumen is to be separated from uncontaminated material. In this way, scarce landfill space could be saved and mineral material be returned to the material cycle.
The long-term leaching behavior of incineration bottom ash (IBA) was studied with large-scale samples from two German waste incinerators with grate technology. The observation period was up to 281 days. The aging processes proceeded faster in the outdoor storage of the samples. The dominant factor in the leaching behavior is the pH, which starts at values above 12 and decreases to values below 10 (outdoors, <11 indoors). Most heavy metals exhibit minimum solubility in this pH range. The solubility of Sb depends on the prevailing Ca concentration, due to the formation of low-soluble Ca antimonate. The very low sulfate concentrations observed in the leaching tests with fresh IBA could be explained by the presence of ettringite. In the course of the aging reaction, ettringite is transformed into gypsum. The results from batch tests were compared with those from column tests, showing reasonable agreement. Leaching dynamics can be better followed with column tests. All results confirm that the use of IBA is possible under German law.
Aschen und Schlacken aus der thermischen Abfallbehandlung enthalten eine Vielzahl von Schwermetallverbindungen. Für Antimon, Chrom, Kupfer, Molybdän und Vanadium werden in der neuen Ersatzbaustoffverordnung (Bundesregierung, 2021) Eluatgrenzwerte für die Verwertung festgelegt. Aschen und Schlacken werden aus der Abfallverbrennungsanlage nass ausgetragen und vor einer Verwertung in der Regel mehrere Wochen gelagert. Dabei finden hydraulische Reaktionen statt und enthaltenes CaO wird zu einem Großteil in Calciumcarbonat umgewandelt. Während wässrige Eluate von frischen Aschen pH-Werte von 12 und höher aufweisen, sind die Eluate nach einigen Wochen weniger stark alkalisch. Die gemessenen Schwermetallkonzentrationen sind daher dann auch deutlich niedriger, mit Ausnahme von Antimon (Sb) und Vanadium (V). Hier steigen die Konzentration mit der Lagerungsdauer. Grund sind sinkende Konzentrationen von Ca-Ionen, die sonst zu einer Ausfällung von Antimonaten und Vanadaten führen. Zu hohe Eluatwerte von Sb und V können jedoch durch Sorption an Eisenoxidverbindungen gemindert werden. Dazu wurden Sorptionsexperimente mit verschiedenen Eisenoxidverbindungen durchgeführt.
Aschen und Schlacken aus der thermischen Abfallbehandlung enthalten eine Vielzahl von Schwermetallverbindungen. Für Antimon, Chrom, Kupfer, Molybdän und Vanadium werden in der neuen Ersatzbaustoffverordnung Eluatgrenzwerte für die Verwertung festgelegt. Aschen und Schlacken werden aus der Abfallverbrennungsanlage nass ausgetragen und vor einer Verwertung in der Regel mehrere Wochen gelagert. Dabei finden hydraulische Reaktionen statt und enthaltenes CaO wird zu einem Großteil in Calciumcarbonat umgewandelt. Während wässrige Eluate von frischen Aschen pH-Werte von 12 und höher aufweisen, sind die Eluate nach einigen Wochen weniger stark alkalisch. Die gemessenen Schwermetallkonzentrationen sind daher dann auch deutlich niedriger, mit Ausnahme von Antimon (Sb) und Vanadium (V). Hier steigen die Konzentration mit der Lagerungsdauer. Grund sind sinkende Konzentrationen von Ca-Ionen, die sonst zu einer Ausfällung von Antimonaten und Vanadaten führen. Zu hohe Eluatwerte von Sb und V können durch Sorption an Eisenoxidverbindungen gemindert werden. Als besonders wirkungsvoll hat sich Schwertmannit (Eisen-Oxyhydroxysulfat) erwiesen. Es entsteht durch Oxidation von pyrithaltigem Material durch Mikroorganismen und wird deshalb in Gebieten gefunden, in denen Braunkohle abgebaut wurde, z.B. in der Lausitz. Weitere untersuchte Eisenoxidverbindungen waren Hämatit und Schlämme aus der Abtrennung von Eisen und Mangan in Wasserwerken.
Das Recycling von gemischten Baustoffen führt neben der Herstellung von Gesteinskörnungen parallel zu einem stärker schadstoffbelasteten Stoffstrom, der circa ein Drittel der ursprünglichen Masse ausmacht. Dieser sogenannte Brechsand endet derzeit in der Deponierung und wird somit der Kreislaufwirtschaft entzogen. Der vorliegende Beitrag untersucht nun die Aufbereitung dieses Materials unter Verwendung einer Setzmaschine im Pilotmaßstab. Hierbei wird die Eignung dieser Technik evaluiert und das Aufbereitungsprodukt als möglicher Ersatzbaustoff untersucht.
Solid wastewater-based fertilizers were screened for per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) by the extractable organic fluorine (EOF) sum parameter method. The EOF values for ten sewage sludges from Germany and Switzerland range from 154 to 7209 mg kg−1. For thermal treated sewage sludge and struvite the EOF were lower with values up to 121 mg kg−1. Moreover, the application of PFAS targeted
and suspect screening analysis of selected sewage sludge samples showed that only a small part of the EOF sum parameter values can be explained by the usually screened legacy PFAS. The hitherto unknown part of EOF sum parameter contains also fluorinated pesticides, pharmaceutical and aromatic compounds. Because these partly fluorinated compounds can degrade to (ultra-)short PFAS in wastewater treatment plants they should be considered as significant sources of organic fluorine in the environment. The combined results of sum parameter analysis and suspect screening reveal the need to update current regulations, such as the German fertilizer ordinance, to focus not solely on a few selected PFAS such as perfluorooctane sulfonic acid (PFOS) and perfluorooctanoic acid (PFOA) but
consider an additional sum parameter approach as a more holistic alternative. Moreover, diffusion gradient in thin-films (DGT) passive samplers were utilized as an alternative simplified extraction method for PFAS in solid wastewater-based fertilizers and subsequently quantified via combustion ion chromatography. However, the DGT method was less sensitive and only comparable to the EOF values
of the fertilizers in samples with >150 mg kg−1, because of different diffusion properties for various PFAS, but also kinetic exchange limitations.
Sustainability has become the conscientious and future-oriented principle of modern resource management and environmental protection because caring for the future is tantamount to providing manageable and healthy surroundings for ourselves. For the foreseeable future, geotechnical and environmental engineers must therefore be concerned with ensuring a healthy balance between extraction, processing, manufacturing, utilization, recycling, and disposal of materials and products.
Half of global material consumption involves mineral material. The circularity is still low so that the enhanced use of secondary building material is required to close loops. Three different secondary building materials are discussed based on exemplary research results: construction and demolition waste (C&D waste), soil-like material, and incineration bottom ash (IBA). Focus was placed on the environmental compatibility of the materials examined mainly by standardized leaching tests. C&D waste was investigated after a wet treatment using a jigging machine, and soil-like material and IBA were characterized with respect to their material composition. Their environmental compatibilities in particular were studied using standard leaching tests (batch tests and column tests).
It was concluded that soil-like material can mostly be utilized even when the precautionary limit values set are exceeded by a factor of less than two. For C&D waste, the fine fraction below 2 mm and the content of brick material is problematic. IBA fulfills quality level “HMVA-2” following German regulations. Improved levels of utilization might be achievable with better treatment technologies.
Wie können industriell synthetisierte Schadstoffe aus einer Stoffklasse quantifiziert werden, deren genauer Umfang unbekannt ist und auf mehrere tausend Verbindungen geschätzt wird? Im Falle der per- und polyfluorierten alkylierten Substanzen (PFAS) stellen sich Wissenschaftler*innen weltweit seit über zehn Jahren diese Frage. Neben der etablierten Methodik der Einzelstoffanalytik (engl. target analytic) existieren Summenparameteranalysen zur Quantifizierung
organisch gebundener fluorierter Verbindungen in Umweltmedien und Konsumprodukten. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) beschäftigen wir uns mit der Weiterentwicklung von Summenparametermethoden am Beispiel von PFAS-belasteten Umweltkompartimenten wie Böden, Klärschlämmen und Gewässerproben sowie PFAS-haltigen Konsumgütern. In diesem Beitrag stellen wir zwei ausgewählte Fallbeispiele vor und diskutieren die Vor- und Nachteile der Methoden im Vergleich zur Einzelstoffanalytik.
For the first time, µ-X-ray fluorescence (µ-XRF) mapping combined with fluorine K-edge µ-X-ray absorption near-edge structure (µ-XANES) spectroscopy was applied to depict per- and polyfluoroalkyl substances (PFAS) contamination and inorganic fluoride in samples concentrations down to 100 µg/kg fluoride. To demonstrate the matrix tolerance of the method, several PFAS contaminated soil and sludge samples as well as selected consumer product samples (textiles, food contact paper and permanent baking sheet) were investigated. µ-XRF mapping allows for a unique element-specific visualisation at the sample surface and enables localisation of fluorine containing compounds to a depth of 1 µm. Manually selected fluorine rich spots were subsequently analysed via fluorine K-edge µ-XANES spectroscopy. To support spectral interpretation with respect to inorganic and organic chemical distribution and compound class determination, linear combination (LC) fitting was applied to all recorded µ-XANES spectra. Complementarily, solvent extracts of all samples were target-analysed via LC-MS/MS spectrometry. The detected PFAS sum values range from 20 to 1136 µg/kg dry weight (dw). All environmentally exposed samples revealed higher concentration of PFAS with a chain length >C8 (e.g. 580 µg/kg dw PFOS for Soil1), whereas the consumer product samples showed a more uniform distribution with regard to chain lengths from C4 to C8. Independent from quantified PFAS amounts via target analysis, µ-XRF mapping combined with µ-XANES spectroscopy was successfully applied to detect both point-specific concentration maxima and evenly distributed surface coatings of fluorinated organic contaminants in the corresponding samples.
In Deutschland fallen aktuell pro Jahr über 5 Mio. Tonnen Hausmüllverbrennungs-aschen (HMVA) an. Eine Verwertung dieser Aschen und Schlacken ist in Deutschland möglich und findet überwiegend im Deponiebau statt. Für die Verwertung sind in der Ersatzbaustoffverordnung Eluatgrenzwerte für Schwermetalle und einige andere Parameter vorgesehen.
Der Umgang mit HMVA könnte durch eine Einstufung als gefährlicher Abfall erschwert werden. Maßgeblich für die Einstufung eines Abfalls als gefährlich oder ungefährlich sind die gefahrenrelevanten Eigenschaften HP 1 bis HP 15 nach Anhang III der Richtlinie 2008/98/EG über Abfälle mit dort festgelegten Konzentrationsgrenzen. Für HMVA ist im Wesentlichen nur der Parameter HP 14 (Ökotoxizität) von Bedeutung. Dafür sind entscheidend die Gehalte an chemischen Verbindungen mit den Gefahrenhinweiscodes (hazard statement code, HSC) H400, H410, H411, H412 und H413. Eine detaillierte Diskussion zu den übrigen Gefahreneigenschaften bei HMVA findet sich in der Literatur. Die Einstufung als gefährlicher Abfall erfolgt nach festgelegten Rechenregeln.
Die BAM bearbeitet ein durch das UBA gefördertes Forschungsprojekt zur Erfassung und Bewertung von Analysedaten zu Aschen und Schlacken aus Abfallverbrennungsanlagen. Die Ergebnisse des Vorhabens sollen bei der Weiterentwicklung des vorhandenen Konzeptes für eine bundeseinheitlichen Untersuchung und abfallrechtlichen Einordnung von Aschen und Schlacken aus deutschen Abfallverbrennungsanlagen unterstützend herangezogen werden. Im Vortrag werden Verfahren zur quantitativen Bestimmung der einstufungsrelevanten Verbindungen vorgestellt: 1.) der Praxisleitfaden von ITAD und IGAM, 2.) Methode basierend auf der Bioverfügbarkeit und 3.) Methode basierend auf Speziierungsanalyse.
The chemical state of antimony and vanadium species in municipal solid waste incineration bottom ash
(2023)
Due to the large quantity as residual mineral waste, municipal solid waste incineration - bottom ash (MSWI-BA) is an interesting secondary raw material that can be utilized for road construction. However, leaching of chloride, sulfate and potentially hazardous heavy metals from MSWSI-BA into the environment may cause problems in utilization of it in civil engineering. In a previous study, we performed a long-term leaching test of MSWI-BA in a lysimeter for almost six years to investigate the efficiency of the treatment process on the release of hazardous substances. While concentrations of chloride, sulfate and the majority of the heavy metals started to decrease rapidly with progressive liquid-to-solid ratio (L/S), the ecotoxic hazardous elements antimony (Sb) and vanadium (V) behaved differently. To unravel these unusual release behaviors and the oxyanion-formation of Sb and V we will apply HERFD-XANES spectroscopy to analyze their chemical state.
The most massive design on the Baltic shore used geosynthetic materials, the landslide protection construction in Svetlogorsk (1300 m long, 90,000 m2 area, South-Eastern Baltic, Kaliningrad Oblast, Russian Federation) comprises the geotextile and the erosion control geomat coating the open-air cliff slopes. Due to changes in elastic properties during long-term use in the open air, as well as due to its huge size, this structure can become a non-negligible source of microplastic pollution in the Baltic Sea. Weather conditions affected the functioning of the structure, so it was assessed that geosynthetic materials used in this outdoor (open-air) operation in coastal protection structures degraded over time. Samples taken at points with different ambient conditions (groundwater outlet; arid places; exposure to the direct sun; grass cover; under landslide) were tested on crystallinity and strain at break. Tests showed a 39–85% loss of elasticity of the polymer filaments after 3 years of use under natural conditions. Specimens exposed to sunlight are less elastic and more prone to fail, but not as much as samples taken from shaded areas in the grass and under the landslide, which were the most brittle.