FOSFOKIPSISTABILOINTI Kohde: KT87, tieosa 14, plv , Rautavaara, Savo-karjalan tiepiiri

Transkriptio

1 S14 - Vähäliikenteisten teiden taloudellinen ylläpito Tuotantotekniikat ja koerakentaminen FOSFOKIPSISTABILOINTI Kohde: KT87, tieosa 14, plv , Rautavaara, Savo-karjalan tiepiiri LOPPURAPORTTI Pentti Lahtinen, Elina Ahlqvist

2 SISÄLLYSLUETTELO 1. LÄHTÖKOHDAT JA TAVOITTEET YLEISTÄ FOSFOKIPSISTABILOINNISTA RAKENTAMISEN OSAPUOLET JA KALUSTO RAKENTEET JA MATERIAALIT RAKENNUSKOHDE JA -AIKATAULU SEKÄ SÄÄTILA LÄHTÖTIEDOT SEKOITUS... 7 Yleistä... 7 Laadunvalvonta sekoitustyön osalta... 8 Huomioita sekoitustyössä VANHAN RAKENTEEN STABILOINTI... 8 Työn kulku... 8 Laadunvalvonta PÄÄLLYSRAKENTEET VERTAILURAKENTEET KUSTANNUKSET SEURANTA JOHTOPÄÄTÖKSET AIKAISEMMAT KOEKOHTEET LIITE: TIIVISTELMÄ JOHTOPÄÄTÖKSISTÄ (1 s.)

3 1 1. LÄHTÖKOHDAT JA TAVOITTEET Tässä raportissa on esitelty koetiehanke, jolla pyrittiin selvittämään fosfokipsi-sideaine -stabiloinnin käytön potentiaalisuutta huonokuntoisten päällystettyjen teiden kunnostamisessa. Koetiehanke on osa Tiehallinnon S14-projektia eli vähäliikenteisten teiden taloudellinen ylläpito -tutkimusohjelmaa, jonka tavoitteena on mm. kehittää alempiasteisten teiden hoitoon, ylläpitoon ja parantamiseen nykyistä taloudellisempia toimenpiteitä, toimintamuotoja ja menetelmiä. Lisätietoja projektista löytyy osoitteesta Koekohteena olevalla tiellä KT 87 on ollut sekä kantavuus- että routaongelmia. Tieliikelaitoksen vuonna 2001 tekemän tieanalyysiraportin perusteella pelkkä tien päällystäminen ei olisi riittänyt kelvollisen lopputuloksen saavuttamiseksi, sillä tiellä on ollut mm. reunapainaumia, uria, verkko- ja keskihalkeamia, ylösnousevia kiviä sekä painumia rumpujen kohdilla. Alueilla, missä on esiintynyt pituushalkeamia, oli suunniteltu asennettavaksi kantavan kerroksen sisään tai tasauskerroksen päälle teräsverkko ja maksimissaan 150 mm murskekerros. Koeosuudella teräsverkkorakenne on korvattu fosfokipsi-tuhka-masuunisementti -stabiloinnilla. Stabiloinnilla pyritään saavuttamaan seuraavanlaisia hyötyjä: Stabilointi antaa hyvän kantavuuden ja tasaa routaliikkeitä eli siten lähtökohdat päällysteen ehjänä pysymiselle paranevat. Stabiloinnin päälle tuleva 0 tai 50 mm murskekerros on selvästi teräsverkko-osuuksille suunniteltua (maks.) 150 mm ohuempi. Tarvittavan murskeen määrä pienenee ja lisäksi tien tasausviiva nousee vähemmän kuin teräsverkkoratkaisussa. Teollisuuden sivutuotteiden käyttö stabiloinnissa pienentää kustannuksia verrattuna pelkästään kaupallisten sideaineiden käyttöön. Kipsituhka-stabilointiratkaisua ei ole ennen sovellettu päällystetyille rakenteille. Savo-Karjalan tiepiirissä aiemmin toteutetuilta päällystämättömiltä referenssikohteilta saatujen tietojen perusteella voidaan kuitenkin olettaa, että ratkaisu tulee toimimaan hyvin. Stabiloinnin lisäksi kohteella pyrittiin selvittämään myös mitä vaatimuksia työtekniikoille ja lisäkustannuksia/säästöjä aiheutuu tasausmurskeen pois jättämisestä pehmeän asfalttibetonin alta. Tämä raportti on täydennetty versio päivätylle koerakentamisraportille. Täydennystyössä on tekstiin lisätty seurantatutkimuksien tulokset ja aikaisempien koekohteiden analysoinnit sekä pohdittu kipsistabilointitekniikan laajempaan käyttöönottoon vaikuttavia tekijöitä. 2. YLEISTÄ FOSFOKIPSISTABILOINNISTA Rautavaaran KT87 koetiehankkeessa stabiloinnin sideaineena käytetty fosfokipsi-lentotuhkamasuunisementti -sideaineseos on optimoitu ja testattu vuosina laajassa laboratoriotutkimusohjelmassa, joka liittyi osana EU Life-projektiin Teollisen fosfokipsin ja lentotuhkan hyötykäyttö. Life 98ENV/FIN/ EU-hankkeessa rakennemateriaalien pääasiallisina tutkimuskriteereinä olivat pitkäaikaiskestävyysominaisuudet tierakenteessa. Fosfokipsi ja lentotuhka ovat teollisuuden sivutuotteita, joiden hyödyntäminen stabiloinnissa sekä pienentää kaatopaikkakuormitusta että tuottaa monilta ominaisuuksiltaan laadukkaamman lopputuloksen kuin esimerkiksi sementtistabilointia käyttämällä. Koetiehankkeella käytetyllä sideaineseoksella on sementtistabilointiin verrattuna parempi kemiallinen ja jäätymis-sulamiskestävyys sekä muodonmuutoskestävyys (mm. ei kuivumiskutistumista, hiushalkeamat lujittuvat takaisin).

4 2 Kipsituhkastabiloinnissa materiaalien varastointi, sekoittaminen ja tiivistäminen voidaan tehdä tavanomaisella kalustolla ja tavanomaisia työtekniikoita käyttämällä. Sementtistabilointiin verrattuna kipsituhkassa kustannuksia lisää sideaineseoksen valmistaminen, mutta toisaalta säästöä syntyy ilmaisia sideainekomponentteja käyttämällä. Sivutuotteiden saatavuus ja kuljetusmatkat vaikuttavat merkittävästi siihen, onko niiden käyttö taloudellisesti järkevää. Kipsi-tuhka-masuunisementti -seos on koeteiltä saatujen kokemusten perusteella erinomainen sideaineseos vanhan tierakenteen stabilointiin. 5-6 vuotta sitten tehdyt stabiloidut koeosuudet ovat kestäneet erinomaisesti jäätymistä ja sulamista sekä rakenteen alapuolisten kerrosten aiheuttamaan routaliikettä. Seurantatulokset osoittavat myös, että rakenteen lujittuminen jatkui siellä yli kaksi vuotta. Kipsi-tuhka-masuunisementti stabilointia on aikaisemmin kokeiltu kahdella laajalla pilottikohteella, jotka toteutettiin osana laajempaa EU-Life projektia. Kipsi-sementti stabilointeja on tehty myös kaksi, joissa toisessa stabiloinnin yläpinta on toiminut myös kulutuskerroksena. Näiden neljän stabiloinnin onnistumista eri kriteereillä mitattuna on nähtävillä alla olevassa taulukossa (++= erittäin hyvin, -- = erittäin huonosti). Taulukko 1. Aikaisemmat kipsistabilointikohteet. MENETELMÄ Tasaisuus, pinnan laatu Kantavuus Routivuus Kuivatus, veden vaikutus-riippuvuus Pintalujuus, mekaanisen rasituksen kesto Vaurioituminen Ylläpidettävyys Rakentamisen onnistuminen Riskit Kokemus (toimii/ei toimi) Kipsi-YSe -stabilointi Juuka, Ruvaslahti, 1991** Kipsi-YSe -kerrosstabilointi (ei pintamursketta) Juankoski, 1999 Kipsi-tuhka-MaSe -kerrosstabilointi (2 kpl) Maaninka, 1999 / /+ 0/ (kalusto) +/ /+ 0 -/-- 0/ /- +/0 + 0(+) 0 0(+) + 0/ **Juukan kohteella käytettiin muista projekteista poiketen jousiäestä, mikä heikensi työn laatua oleellisesti Kipsituhkien käyttö on osoittautunut ympäristöystävälliseksi teknologiaksi sekä laboratoriotestien että seurantatutkimusten perusteella. Aikaisemmilla koekohteilla tehdyssä ympäristöseurannassa kipsituhkasta ei ole havaittu liukenevan merkittäviä määriä ympäristölle haitallisia aineita tai yhdisteitä. Osin näihin tuloksiin perustuen Nilsiän kaupungin ympäristölautakunta ei velvoittanut tässä raportissa esitellyllä Rautavaaran kohteella tehtäväksi ympäristöseurantaa. Teollisuuden sivutuotteita käytettäessä on muistettava ennakkoon tehtävien laboratoriotutkimusten tärkeys, sillä sivutuotteiden laatu ja tiekohteiden runkomateriaalit vaihtelevat vaikuttaen lopputulokseen. Lisäksi stabilointityötä vaikeuttaa mm. kivisyys, joten tierakenteen kartoitus esim. maatutkaluotauksella ja koekuoppatutkimuksilla ennen lopullista menetelmävalintaa on tärkeätä stabiloinnin käyttöpotentiaalia arvioitaessa.

5 3 3. RAKENTAMISEN OSAPUOLET JA KALUSTO Tämän koehankkeen hankevastaavana on toiminut TkT Pentti Lahtinen Ramboll Finland Oy:stä ja projektipäällikkönä Elina Ahlqvist. Materiaalien laboratoriotestauksesta ja työnaikaisesta laadunvalvonnasta on vastannut Ramboll Finland Oy:n Tero Jokinen. Kohde toteutettiin Savo-Karjalan tiepiirin alueella ja sen yhdyshenkilönä toimivat Asko Pöyhönen ja Jukka Kirjavainen. Pääurakoitsijana työssä oli Tieliikelaitos, jonka yhdyshenkilöinä toimivat Toivo Mönkkönen ja Jarkko Puhkala. Fosfokipsi tuli Kemira Growhow Oy:ltä (Asko Särkkä) ja lentotuhka Kuopion Energialta (Matti Voutilainen). Tieliikelaitos vastasi materiaalien kuljetuksista sekoituspaikalle, asemasekoituksesta sekä edelleen sekoitettujen massojen kuljettamisesta rakennuskohteelle. Kuljetusmatka sekoituspaikalta rakennuskohteelle oli noin 5 kilometriä ja kuljetukset hoidettiin 4 kuorma-autolla. Stabilointityössä käytettiin Tieliikelaitoksen asfaltinlevitintä, tiehöylää ja 8 tonnin valssijyrää. Stabilointijyrsinnän sekä tiiveydentarkkailun troxlerilla teki Andament Oy. Lopullinen tiivistystyö tehtiin aliurakoitsijan n. 10 t valssijyrällä. 4. RAKENTEET JA MATERIAALIT Koeosuudelle (to 14/ ) tehtiin 4 koerakennetta, jotka eroavat toisistaan stabilointisyvyyden ja tasausmurskeen käytön osalta (kuva 1 ja taulukko 2). Ennen koeosuuden stabilointia tien vanha päällystekerros jyrsinsekoitettiin kantavaan kerrokseen ja tasattiin tiehöylällä. Stabilointijyrsintä (200/250 mm) tehtiin sideaineseoksella, joka sisälsi kosteaa kipsiä, kosteaa lentotuhkaa ja kuivaa masuunisementtiä. Rakenne tiivistettiin ja päälle tuotiin rakenteissa 3. ja 4. mursketta noin 50 mm kerros. Päällysteeksi tuli pehmeä asfalttibetoni (PAB-B16/100). Sideaineen resepti oli: kostea kipsi 56 %, kostutettu lentotuhka 8,5 % ja masuunisementti 35,5 %. Sideainetta käytettiin 12 % vanhan tierakennekerroksen (murskeen) kuivamassasta eli stabilointisyvyydestä riippuen 50 tai 62 kg/tie-m 2. Tien leveys oli 6,5 m. Taulukko 2. Koerakenteet Rakenne 1 Kerrosstabilointi 200 mm, ei tasauskerrosta murskeesta 2 Kerrosstabilointi 250 mm, ei tasauskerrosta murskeesta 3 Kerrosstabilointi 250 mm ja 50 mm murskekerros 4 Kerrosstabilointi 200 mm ja 50 mm murskekerros PLV (vasen kaista) (oikea kaista)

6 4 Rakenne 1. Rakenne 2. Rakenne 3. Rakenne 4. PAB MURSKE 50 mm STABILOINTI 200 mm STABILOINTI 250 mm STABILOINTI 200 mm PL 9500 PL 9700 PL 9950 PL PL Kuva 1. Koerakenteiden periaatekuva Kantavuus rakenteen päältä E=290 MN/m 2 PAB-B16/100 Fosfokipsi-tuhkamasuunisementti stabilointi SrM öljysora E=1500 MN/m 2 E=700 MN/m 2 E=200 MN/m 2 40 mm 200 mm ~100 mm E=270 MN/m 2 E=150 MN/m 2 E=140 MN/m 2 kantava+jakava muut >1500 mm Kuva 2. Mitoitusesimerkki 200 mm stabiloinnista ilman tasausmursketta. Koerakentamisessa käytetty kipsi oli Kemira Growhow Oy:n Siilinjärven tuotantolaitokselta fosforihappotuotannon sivutuotteena syntyvää dihydraattikipsiä (myös: fosfokipsi tai kipsi). Sitä muodostuu vuodessa 1,3 miljoonaa tonnia, jotka pääosin varastoidaan kasalla tehtaan läheisyydessä. Kipsi tuotiin sekoituspaikalle kosteana pari päivää aikaisemmin ja se varastoitiin sekoitinaseman vieressä kasalla pressulla peitettynä. Tuhka oli Kuopion Energia Oy:n turpeenpoltossa muodostuvaa lentotuhkaa, jota syntyy lämmön- ja sähköntuotannon sivutuotteena noin tonnia vuosittain. Tuhka kostutettiin tehtaalla siilosta purettaessa keskimäärin 25 % vesipitoisuuteen ja varastoitiin kosteana muutaman päivän ajan sekoitinaseman vieressä kasalla pressulla peitettynä.

7 5 Tieliikelaitos tilasi sideaineina käytetyn masuunisementin (kuonajauhe KJ400 : rapidsementti; 7:3) valmiiksi sekoitettuna Rautaruukin Raahen tehtailta. Sideaine säilytettiin sekoitusaseman sideainesiilossa. Alkuperäisen suunnitelman mukaan masuunisementissä oli tarkoitus käyttää yleissementtiä, ja siksi laboratoriossa tehdyissä ennakkokokeissa on käytetty kuonajauhetta ja yleissementtiä. Taulukko 3. Materiaalimenekit. Käytetyt määrät [t] Osuus seoksessa [%] Ominaisuudet Kipsi vesipit.= 13,7-23,5 %, ka 15,5 % Pehmeätä, ei kovia paakkuja Lentotuhka 30,5 8,5 Kostutettu vesipit.= %, ka 25,2 % Masuunisementti: -KJ400 (kuona) -Rapidsementti 127,5 n. 89 n. 38 Huom! vesipitoisuus = veden massa/kuivamassa 35,5 Seossuhde: KJ400 : Rapidsementti = 7 : 3 Kuivaa 5. RAKENNUSKOHDE JA -AIKATAULU SEKÄ SÄÄTILA Kohde sijaitsee Savo-Karjalan tiepiirissä Rautavaaran kunnassa kantatiellä 87, tieosalla 14. Koeosuuden alkuun (PL 9500) on Rautavaaran keskustasta 14,5 km Nurmekseen päin ajettaessa. Tien aikaisempana kulutuskerroksena on ollut pehmeä asfalttibetoni (päällystysvuosi 1989). Koerakenteet on tehty paaluvälille , jossa stabiloinnilla on korvattu tälle osuudelle rakennettavaksi suunniteltu teräsverkkorakenne. Stabilointi tehtiin ja päällystäminen KOEOSUUS Kuva 3. Koeosuuden sijainti, KT 87 (Rautavaara).

8 6 Ilmatieteen laitoksen mukaan heinäkuun lopulla 2004 syntyi uusia sekä vuorokausi- että kuukausisateen paikkakuntakohtaisia ennätyksiä Uudeltamaalta Kainuuseen ulottuvalla vyöhykkeellä. Koerakentamista edeltävänä päivänä satoi koko päivän. Illalla sade muuttui voimakkaaksi myrskyksi, joka taukosi yön aikana aamupäivällä sade oli tasaista, taukosi noin tunniksi klo 13 aikoihin ja jatkui kevyempänä klo asti, jonka jälkeen rankkeni. Lämpötila on noin 16 C. Aamupäivällä koerakentamisen keskeyttämistä harkittiin sateen vuoksi, mutta stabiloinnin sujuessa hyvin töitä jatkettiin. Kosteat ilmat jatkuivat jonkin aikaa rakentamisen jälkeen. Elokuussa alkoivat helteet, jotka jatkuivat muutaman viikon. Koerakentamista ennen sekä koerakentamisen aikana olivat poikkeuksellisen sateiset ilmat, mutta tierunko ei ollut vesipitoisuusmääritysten ja rakentamisen aikaisen havainnoinnin perusteella liian märkä. Koerakentaminen tehtiin heinäkuun puolella, joten lämpösumman arvioitiin varmasti riittävän rakenteen lujittumiseen ensimmäistä talvea ajatellen. 6. LÄHTÖTIEDOT Kipsituhka -stabiloinnin suunnittelussa käytettiin hyödyksi Savo-Karjalan tiepiirissä vuosina 1999 ja 2001 toteutettujen Life-projektien kokemuksia. Ennen stabilointityötä otettiin koeosuudelta ennakkotesteissä tarvittavat runkomateriaalinäytteet ja tehtiin silmämääräinen vauriokartoitus. Tiellä oli tehty aiemmin maatutkaus. Laboratoriossa optimoitiin stabiloinnissa käytettävän sideaineen määrä suppealla tutkimusohjelmalla. Sideaineseosta on tutkittu aiemmin laajoin laboratoriokokein Life-projekteja varten v ja tämän projektin varsinainen sideaineseoksen reseptointityö pohjautuu tuolloin tehtyihin tutkimuksiin. Vauriokartoituksen ja maatutkauskuvien perusteella huonoin osuus oli PLV , jossa sekä reunoissa että tien keskilinjan molemmin puolin oli selviä tai pahoja verkko- ja pituushalkeamia. PLV oli reunoissa verkkohalkeamia ja keskilinjalla yli 200 m pitkä paha pitkittäishalkeama. Paremmilla osuuksilla eli PLV oli useita poikkihalkeamia ja reunapainumia sekä PLV muutamia pitkittäishalkeamia ja oikeassa reunassa verkkohalkeamaa. Tulosten perusteella valittiin raskaampi kunnostustapa eli 250 mm stabilointi huonoimmille osuuksille (PLV ). Kuva 4. Kevät 2004 ennen koerakentamista. Reunapainauma ja verkkohalkeamia. Pituus- ja poikkihalkeamia.

9 7 Koeosuuden paikka pyrittiin valitsemaan siten, että pystyttäisiin mahdollisimman luotettavasti vertailemaan eri stabilointipaksuuksien sekä päällysteen ja stabiloinnin välissä olevan murskekerroksen vaikutusta tien kunnossa pysymiseen (verrattuna teräsverkoilla kunnostettuihin tieosuuksiin). Koerakentamista varten laskettiin tarvittavien sideaineiden määrät sekä annettiin Tieliikelaitokselle ohjeet sideaineiden hankinnasta ja varastoinnista. Stabilointia varten kirjoitettiin työohjeet ja rakennusaikainen laadunvarmistussuunnitelma. Kuva 5. Näytteenottoa laboratoriotutkimuksia varten sekä koekappaleen puristuslujuuden testaus Rambollin laboratoriossa. 7. SEKOITUS Yleistä Sekoitus tehtiin Tieliikelaitoksen asemasekoittimella, tyyppi Mx 45E. Kipsi ja tuhka annosteltiin hihnakuljettimilla ja sideaine fillerisiilosta. Annoskokona oli 1 t ja sekoitusaikana n. 50 s, josta n. 15 s ajan koko annos oli sekoittimessa. Yhden annoksen kokonaistekoaika oli noin yksi minuutti. Sekoitin oli käytössä 12 h ja sillä tehtiin 359 sekoitusta (=359 t sideaineseosta). Kuorma-auton lavalle mahtui 10 t seosta eli kuormasta tuli huomattavasti kevyempi kuin mitä kiviainesta lastattaessa. Ensimmäinen masuunisementtierä (1 säiliöautollinen) oli tuotu paikalle edellisenä päivänä, toinen erä tuli rakentamispäivänä n. klo Kipsin ja tuhkan syöttö hihnakuljettimilla sujui odotuksia paremmin, mutta työllisti koko ajan 1-2 henkeä pyöräkuormaajan lisäksi. Kuva 6. Kipsi-tuhka-masuunisementti -seosta asfalttilevittimellä levitettynä.

10 8 Laadunvalvonta sekoitustyön osalta Sekoituksen aikana otettiin sekoitetusta massasta yhteensä 10 seurantanäytettä, joista määritettiin vesipitoisuus mikroaaltouunissa kuivattamalla. Kuivatusaika oli määritelty ennakkokokeilla sellaiseksi, että tuloksena oli todellinen vesipitoisuus. Kipsi sisältää kidevettä, joka haihtuu yli 60 C lämpötilassa, joten kipsiä sisältävän sekoituksen kuivattaminen täysin kuivaksi mikroaaltouunissa tai uunissa 105 C lämpötilassa antaisi tulokseksi liian suuren vesipitoisuuden. Sekoitetusta massasta mitatut vesipitoisuudet vaihtelivat välillä 10,6 15,5 %. Vaihtelu johtui lähinnä kipsin vesipitoisuuden vaihtelusta. Alussa massat olivat kosteampia ja ne tarttuivat selvästi enemmän kuorma-autojen lavoille. Silmämääräisesti katsottuna sekoitus onnistui hyvin, seos oli tasaväristä ja siinä oli vain vähän pienehköjä, n. 1 cm halkaisijaltaan olevia kipsipaakkuja. Huomioita sekoitustyössä Sekoitusprosessissa ei havaittu ongelmia, materiaalit kulkeutuivat hyvin sekoittimeen. Sekoittimeen olisi mahtunut suurempi, n. 1,5 t annos, mutta tällä asemalla fillerivaa an maksimikuorman pienuus rajoitti annoskokoa. Jatkuvatoiminen sekoitin olisi ollut annossekoitinta tehokkaampi vaihtoehto. 8. VANHAN RAKENTEEN STABILOINTI Työn kulku Ennen rakentamista huonokuntoinen päällyste jyrsittiin koko osuudella vanhan tierakenteen sekaan. Työkoneiden järjestys oli: kuorma-auto asfalttilevitin stabilointijyrsin jyrä tiehöylä 2. jyrä. Levitin, jyrsin ja ensimmäinen jyrä kulkivat mahdollisimman lähellä toisiaan, ettei jatkuvasta sateesta aiheutuisi mitään haittaa stabiloinnille. Stabilointi tehtiin kaista kerrallaan, ensiksi vasen kaista PLV ja sitten oikea kaista PLV Stabiloinnit menivät keskeltä limittäin noin puolen metrin leveydeltä. Sideainetta levitettiin asfalttilevittimellä 50 tai 62 kg/tie-m 2 tasaiseksi kerrokseksi jyrsityn päällysrakenteen päälle. Sideainekerroksen paksuudeksi tuli noin 6-9 cm. Sideaine ja vanha tienpinta sekoitettiin keskenään stabilointijyrsimellä 200 mm (rakenteet 1 ja 2) tai 250 mm syvyyteen (rakenteet 3 ja 4) saakka. Sekoitettu kerros tiivistettiin välittömästi sekoituksen jälkeen 8 tonnin 1-valssisella täryjyrällä. Ensimmäinen tiivistäminen tehtiin ilman täryä, jonka jälkeen tie muotoiltiin höylällä. Lopullinen tiivistäminen tehtiin 4 yliajolla täryä käyttämällä. Lisävettä ei tarvittu. Työt aloitettiin tiellä noin klo 8.30, kääntöpaikalla eli paalulla oltiin noin klo ja paalulla klo Jyrsintä saatiin päätökseen noin klo 20, jonka jälkeen töihin jäivät vielä tiehöylä ja toinen jyrä. Asfalttilevittimen ajonopeus oli noin 5 m/min, ja nopeutta olisi pystyt hieman kasvattamaan, mikäli sideaineseosta olisi saatu nopeammin sekoitettua. Levitin oli töissä 13 h, samoin kuin jyräyskalustokin. Sideaineseos alkoi tarttua kuorma-autojen lavoihin kiinni haitaten purkamista, kun sideaineseoksen vesipitoisuus nousi yli 14 %.

11 9 Kuva 7. Stabilointityötä vasemmalla kaistalla. Edellä kuormaauto ja asfalttilevitin, perässä tulevat stabilointijyrsin ja 1. jyrä Kuva 8. Stabilointityötä vasemmalla kaistalla. Stabilointijyrsin, 1. jyrä, tiehöylä ja ylämäessä 2. jyrä. Kuva 10. Laadunvalvonta Sideaineen määrä Stabilointityön alussa jouduttiin asfalttilevittimen perän korkeutta säätämään useampaan kertaan, että saatiin haluttu määrä sideainetta levittymään. Aloituksessa eli vasemmalla kaistalla PLV 9500 alkaen noin sadan metrin matkalla sideaineen määrä on pienempi kuin tavoiteltu 50 kg/m 2. Lopussa kipsin loppuessa kesken stabilointi päätettiin oikealla kaistalla paalulle 9518.

12 10 Taulukko 4. Sideaineseoksen menekit. PLV Stab. syvyys [mm] Pituus [m] Sideaine [kg] Tie [m 2 ] Menekki [kg/m 2 ] Tavoite [kg/m 2 ] 9500(9518)-9700, n , ,85 62 YHT. n Tiiveydet ja vesipitoisuudet Rakenteiden tiiveyksiä ja vesipitoisuuksia seurattiin Troxlerilla. Mittaukset tehtiin kaista kerrallaan vuorotellen kaistan oikealta ja vasemmalta reunalta (reuna + 0,5 m) 50 m välein, jolloin koeosuus saatiin mahdollisimman kattavasti mitattua (katso kuva 9). Mittauksista vastasi Andament Oy:n Jouni Juurikkala. Troxler-mittaukset varmistettiin rinnalla tehdyillä vesivolymetrimittauksilla ja uunikuivatuksilla. pl 9800 pl 9700 pl 9600 pl 9500 Kuva 9. Periaatekuva troxler-mittauksista. Jyräysmäärän vaikutusta tiiveyden kehittymiseen tutkittiin paalulla 9655, jossa 3. ja 4. jyrän ylityskerran jälkeen mitattiin tiiveys sekä vesivolymetrillä että Troxlerilla 10 cm syvyydeltä. Tiiveydet olivat (volymetri/troxler) 94,8/95,7 % ja 96,5/96,9 % eli mittausten mukaan tavoitetiiveys 95 % saavutettiin jo kolmannella jyräyskerralla. Tulosten perusteella valittiin käytettäväksi tiivistystyömääräksi 4 ylityskertaa, koska 3 ylityskerralla rakenteen tiivistyminen syvempää olisi ollut epävarmaa. Tiivistystyömäärien kasvattaminen taas olisi saattanut heikentää lopputulosta, vettä olisi voinut pumppaantua tiivistettävään kerrokseen alhaalta päin tai tiivistettävä rakenne muodostaa aallon jyrän eteen. Tiiveysasteita laskettaessa käytettiin vertailuarvona pl 9655 otetusta tiivistämättömästä massasta tehdyn Proctor-sarjan mukaan arvioitua maksimikuivairtotiheyttä. Tuloksia tarkasteltaessa on kuitenkin huomattava, että tiiveysastetuloksia on syytä käsitellä enemmänkin suuntaa-antavana tietona kuin absoluuttisina tuloksina. Tierungon murskeen hienon ja karkean aineksen määrät vaihtelivat, mikä vaikuttaa saavutettavissa olevaan tiiveyteen.

13 11 Taulukko 5. Koerakentamista varten annetut tavoitearvot Koerakentaminen Tiiviystavoite Vesipitoisuus [%] *) [% / kg/m 3 ] tavoite sallittu vaihtelu Rakennepaksuus [mm] Seos (Lab. tutkimukset) Optimivesipitoisuus [ % ] Max. kuivairtotiheys [kg/m 3 ] 95 / 6 % 4,5 edellisen 200/250 5, ,5 % ylittyessä *) Vesipitoisuus laskettu veden massan suhteena runkomateriaalin kuivamassaan. Taulukko 6. Troxler-mittauksien tulokset. Kaistojen oikea/ vasen reuna Vasen kaista (ulkoreuna +0,5 m) (sisäreuna +1,0 m) Paalu (kts. kuva 9) Tiiviys [%] Vesipit. [%] Oikea kaista (ulkoreuna +0,5 m) (sisäreuna +1,0 m) Tiiviys [%] Vesipit. [%] Valvojan arvio/ hylkäys Max.kuivairtotih. (arvio) [kg/m 3 ] 9550 o 95,6 6,5 96,7 5, v 93,7 7,7 93,5 5, o 95,4 6,0 94,5 5, v 98,6 6,8 98,0 6, o 95,8 5,3 98,5 7, v 96,2 6,1 100,3 6, o 94,9 4,8 95,4 7, v 96,7 5,7 97,8 6, o 95,9 5,2 94,1 8, v 92,6 6,1 97,8 6, o 95,3 5,9 96,2 6, v 94,6 5,9 96,2 5, o 95,1 6,2 92,3 6, v 95,4 6,0 93,5 6, o 97,2 6,3 95,2 6, v 96,8 6,7 96,6 6, o 98,0 6,4 95,5 6, v 97,0 6,0 94,3 7, o 97,2 6,2 97,6 6,6 Työmaalla tehtyjen proctorkappaleiden perusteella arvioitu maksimikuivairtotiheys vaihteli arvoissa kg/m 3. Työmaalla käytettäväksi arvoksi valittiin 2220 kg/m 3. Tavoitteena ollut 95 %:n tiiveysaste saavutettiin lähes koko koeosuudella. On kuitenkin huomattava, että esim. 20 kg/m 3 poikkeaman/virheen vaikutus arvioidussa maksimikuivairtotiheyden vertailuarvossa vaikuttaa jo noin 1 %:a laskettavan tiiveysasteen lukuarvoon. Parhaimmat tiiveystulokset on saatu 6-7 %:n vesipitoisuuksilla eli tavoitevesipitoisuudessa (6 %) tai hieman sen yläpuolella. Heikoimpien tiiveystulosten vesipitoisuudet ovat pääsääntöisesti olleet selvästi alle tai yli tavoitteen. Saavutettuun tiiveysasteeseen ovat vaikuttaneet mm. jyrsityn massan ja tierungon vesipitoisuus, runkoaineksen raekokojakauma sekä tiivistyspohjan laatu.

14 12 Vesipitoisuudet pysyivät suhteellisen hyvin tavoitearvojen sisällä ja tiiveysasteet olivat paria poikkeusta lukuun ottamatta tyydyttäviä tai hyviä. Troxler-mittauksilla pystyttiin mittaamaan jyrsityn tien vesipitoisuuksia nopeasti ja säätämään lisättävän veden määrää tarkasti. Kosteasta kesästä ja ennen rakentamista olleista rankoista sateista johtuen lisävettä ei tässä koerakentamisessa tarvittu ollenkaan. Noin 2 tuntia ennen stabilointityön aloittamista tierungon vesipitoisuuksiksi mitattiin arvoja väliltä 4,4-5,8 %. Koekappaleet stabilointiosuudelta Osuuksilta otettiin rakentamisen aikana tien reunalta ja keskilinjalta tiivistämätöntä massaa n. 200 m:n välein ja siitä tiivistettiin mahdollisimman pian koekappaleet työmaalla. Koekappaleita tehtiin kerralla 3 kpl, joista yksi tiivistettiin maksimitiheyden vaihtelun arviointia varten Proctor-kokeen mukaisella tiivistystyömäärällä (5x25 iskua) ja kaksi seurantaa varten tavoitetiheyteen johtavaa vakiotyömäärällä (5x8 iskua). Tavoitetiiveyttä vastaava työmäärä valittiin etukäteen laboratoriossa tehtyjen kokeiden perusteella. Koekappaleita säilytettiin huoneenlämpötilassa ja koestettiin 28 vuorokauden ikäisinä. Lujuustulokset näkyvät taulukosta 7. Taulukko 7. Työmaalla tehdyt seurantakoekappaleet. Huom! Työmaalla käytetty masuunisementissä rapidsementtiä ja laboratoriossa yleissementtiä. Paalu / kaista Kpltunnus* Lujuus [MPa] 28 vrk Kuivairtotih. [kg/m 3 ] Tiiveysaste [%] Vesipitoisuus [%] Max.kuivairtotih. (arvio) [kg/m 3 ] 9655 R 1, ~ (vasen) 6,8 PR ~ R 3, ~94 (oikea) KL 3, ~95 6,9 PR ~ R 3, ~93 (vasen) KL 3, ~91 6,1 PR ~ R 4, ~95 (oikea) KL 4, ~95 6,7 PR ~ R 4, ~94 (vasen) KL 3, ~93 6,5 PR ~ R 4, ~98 (vasen) KL 3, ~93 6,4 PR ~98 Laboratorio 4, ~95 5, (5,6/ 90vrk) *R = reuna+0,5 m, KL = keskilinja+0,5 m, PR = proctorkappale Stabiloinnissa vesipitoisuus oli troxler- ja koekappaletutkimusten mukaan kohtuullisen hyvin hallinnassa. Koekappaleiden lujuudet yhtä poikkeusta lukuun ottamatta olivat noin 4 MPa, kun ennakkotesteissä laboratoriossa saadut lujuudet olivat 4,1 5,2 MPa. Lujuustuloksia ei pysty vertailemaan täysin toisiinsa, sillä laboratoriossa ja työmaalla on ollut käytössä eri sementtilaatu. Koekohteessa käytetty rapidsementti antaa valmistajan mukaan noin 15 % korkeampia lujuuksia (SFS-EN 196-1). Tiivistystulosten ja työmaakoekappaleiden tulosten perusteella on oletettavaa, että rakenne tulee toimimaan jokseenkin suunnitellusti.

15 vrk puristuslujuus (PL 9750) 28 vrk puristuslujuus (PL 10470) Puristuslujuus [KPa] KA puristuslujuus 12 jäädytyssyklin jälkeen (PL 9750) puristuslujuus 12 jäädytyssyklin jälkeen (PL 10470) 90 vrk puristuslujuus (PL 9750) Rautavaaran koekohde 12 % sideainemäärä (sementtilaatu: rapidsementti) Laboratorio 12% sideainemäärä (sementtilaatu: yleissementti) Laboratorio 9% sideainemäärä (sementtilaatu: yleissementti) Kuva 10. Työmaalla tehtyjen koekappaleiden ja laboratoriokoekappaleiden lujuuksien vertailu. 9. PÄÄLLYSRAKENTEET Osuuksilla 3 ja 4 (PLV ) stabiloidun kerroksen päälle levitettiin n. 50 mm kerros mursketta (# 0-32 mm) samana päivänä stabiloinnin jälkeen. Osuudet 1 ja 2 jätettiin ilman mursketta ja ne kestivät urautumatta sateen ja kevyen liikenteen rasitusta. Stabiloinnin jälkeisenä päivänä koko koeosuus päällystettiin pehmeällä asfalttibetonilla (PAB-B16/100). Asfalttibetonin valmistusta vaikeutti murskeen korkea vesipitoisuus. Päällystyksen aikana muutamassa kohdin nousi pinnalle vettä joko asfalttibetonista tai stabiloinnista. Sääoloista huolimatta päällystys onnistui hyvin (TLL kommentti). 10. VERTAILURAKENTEET Referenssirakenteina tullaan käyttämään Savo-Karjalan tiepiirille tehdyn päällystystyön esityösuunnitelman mukaisia teräsverkkorakenteita, jotka sijaitsevat stabiloinnin molemmin puolin (plv ja 9415-n.9490 sekä ja Vertailurakenteiden kohdalla tien vanha päällystekerros on revitty rikki ja sekoitettu rakennettavaan uuteen kantavaan kerrokseen. Kantavan kerroksen sisään on asennettu teräsverkko. Päällyste on sama kuin stabiloinnissakin eli pehmeä asfalttibetoni (PAB-B16/100).

16 14 40 mm Päällyste PAB-B16/ mm (maks.) Teräsverkko Ø6mm, # 150mm Uusi kantava krs Sekoitettu vanha päällyste + SrM/KaM (#0 32) mm) Vanhat tierakenteet Kuva 11. Vertailurakenne (teräsverkkorakenne). 11. KUSTANNUKSET Tässä tiehankkeessa vertailurakenne eli teräsverkkoratkaisu tuli maksamaan n /km ja fosfokipsistabilointi n /km. Varsinaisessa rakentamisessa fosfokipsistabilointi olisi kuitenkin TLL arvion mukaan edullisempi vaihtoehto, kun sen kustannuksista saataisiin pois koerakentamislisä. Stabiloinnin kustannuksia alentaisi: työmenetelmien varmistuminen (työtehon kasvu, työmaan tyhjäkäynnin väheneminen) tehokkaampi, esim. jatkuvatoiminen sekoitinlaitteisto pidemmät tiehankkeet (mm. kaluston kuljettaminen, töiden organisointi) sementti-kuona -seoksen halventuminen määrien kasvaessa sideainemäärän pienentäminen stabiloinnissa Laboratoriotulosten perusteella masuunisementin määrää olisi todennäköisesti voinut hieman pienentää käytetystä, mutta sideaineen tilaamisen aikaan oli vielä epävarmaa, mitä tuhkaa projektissa pystytään käyttämään ja lopputuloksen varmistamiseksi päädyttiin tässä projektissa käyttämään lievästi ylimitoitettua sideainemäärää.

17 SEURANTA Tiehallinto teki koetiellä kantavuusmittaukset Verrattaessa tuloksia v tehtyihin kantavuusmittauksiin näkyy selvästi stabiloinnin tuoma kantavuuden lisäys. 200 mm stabilointi on lisännyt kantavuutta keskimäärin 320 MPa ja 250 mm stabilointi vastaavasti lähes 500 MPa, kun taas teräsverkoilla korjatuilla osuuksilla kantavuuden kasvu on ollut hyvin vähäistä (n. 20 MPa) Verkko Verkko Kt 87/14, Fosfokipsistabilointi 2004 Kantavuudet Stab. Stab. 200 mm 250 mm Stab. 250 mm Stab. 200 mm Verkko Verkko E2 [MPa] Tierekisteripaalutus [m] Kuva 12. Kt 87/14, kantavuudet v ja Taulukko 8. Kantavuusmittausten tulokset. Rakenne Plv Kantavuuden keskiarvo ja vaihteluväli [MPa] Stab. 200 mm ( ) ( ) Kantavuuden muutos [± MPa] +320 Stab. 250 mm ( ) 680 ( ) +497 Teräsverkko ( ) 221 ( ) 241 ( ) 244 ( )

18 16 Toukokuussa 2005 eli vajaa vuosi rakentamisen jälkeen käytiin poraamassa stabiloidusta rakenteesta näytteitä ja luomassa yleissilmäystä tiehen. Stabiloidut kohdat eivät silmämääräisesti eronneet millään tavoin teräsverkoilla tai muuten kunnostetuista kohdista, mikä tulos olikin odotettavissa näin pian rakentamisen jälkeen. Stabiloidusta rakenteesta poratuista kappaleista näkyi, että rakenne oli erittäin kiinteä ja siitä pystyi poralla irrottamaan koko stabiloinnin syvyyden pituisia kappaleita. Aikaisemmissa stabilointikohteissa näin eheitä kappaleita ei ole saatu porattua, mikä kertoo nyt tehdyn stabiloinnin onnistumisesta. Vuosi rakentamisen jälkeen stabiloinnin jälkeen rakenteesta porattujen kappaleiden lujuudet olivat korkeita, reunoilla keskimäärin 3 MPa ja keskiosilla noin 4 MPa. Kuva 13. Stabiloidusta rakenteesta porattu kappale, pituus n. 20 cm. Vasemmassa päässä oleva tumma osuus on PABpäällystettä vrk Puristuslujuus [kpa] KL reuna KL reuna KL reuna KL reuna 1000 LUJUUDET NOIN VUOSI RAKENTAMISEN JÄLKEEN, RAKENTEESTA PORATUT KAPPALEET LUJUUDET 28 VRK (90 VRK) RAKENTAMISEN JÄLKEEN 0 pl 9610 pl 9650 pl 9800 pl 9900 Työmaalla tehdyt kpl:t (12 % rapid) Kuva 14. Puristuslujuudet 28 vrk ja vuosi rakentamisen jälkeen. Laboratoriokpl:t (12 % YSe) Laboratoriokpl:t (9 % YSe)

19 JOHTOPÄÄTÖKSET Yleistä Tulosten perusteella ovat koetiekohteissa testatut laitteet ja työmenetelmät osoittautuneet hyvin toimiviksi. Materiaalien sekoituksessa käytetyt auma- ja asemasekoittimet osoittautuvat menetelmiksi, joilla saadaan sekoituksesta riittävän homogeeninen. Sekoituksen laatuun vaikuttavat merkittävästi lähtömateriaaleissa olevat paakut ja vesipitoisuuden vaihtelut. Alustavan arvioinnin perusteella fosfokipsistabilointi on varsin potentiaalinen vaihtoehto korvaamaan teräsverkoille. Rakenteiden lopullista toimivuustarkastelua ja tulosten luotettavaa arviointia ajatellen yhden vuoden seurantajakso on kuitenkin aivan liian lyhyt ja seurantaa olisi toivottavaa jatkaa useamman vuoden ajan. Materiaalit Rakentamisessa käytettävän fosfokipsin olisi hyvä olla tuoretta, koska pitkä varastointiaika paakkuunnuttaa kipsin ja siten voi huonontaa sekoitustulosta. Kipsiä voi kuljettaa ja varastoida peittämättä. Lentotuhkan ominaisuudet huononevat kostutuksen ja pitkän varastointiajan seurauksena. Kostutus on kuitenkin tehtävä, mikäli tuhkaa käsitellään missään vaiheessa avoimessa tilassa. Lentotuhkan kostutus olisi tehtävä tasaisesti, jotta sekoituksesta tulisi mahdollisimman tasalaatuista. Tuhka on varastoitava mahdollisimman lyhyen aikaa kasalla ja se on peitettävä kuivumisen/kastumisen välttämiseksi. Varastointipaikan tulee olla ojitettu tai läpäisevästä maalajista tehty, etteivät sadevedet pääse imeytymään kasaan alhaalta päin. Stabiloinnin sideaineessa on hyvä käyttää kipsin lisänä tuhkaa, koska laboratoriotutkimusten perusteella tällöin saavutetaan parempi rasituskestävyys ja suurempi pitkäaikaislujuus kuin pelkkää kipsiä seosaineena käytettäessä. Samoissa tutkimuksissa on todettu, että kuona-sementti -seosta käytettäessä rasituskokeiden tulokset ovat lupaavampia ja lujuuden kehittyminen jatkuu pidempään kuin vain yleissementtiä käytettäessä. Teollisuuden sivutuotteita käytettäessä on hyvä tehdä riittävät laboratoriokokeet, jotta voidaan varmistua käytettävien seoksen soveltuvuudesta koerakentamiseen ja optimoida sideaineseoksen komponenttien laatua ja määrää. Laboratoriokokeita varten on varattava aikaa vähintään 3 kk. Sekoitus Kipsituhkan sekoitus tehtiin Rautavaaran projektissa asemasekoittimella, jolla sekoitustuloksesta tuli homogeenista. Aikaisemmassa projektissa käytettiin myös asemasekoitinta, mutta laatu ei ollut aivan yhtä tasaista johtuen ehkä lähtömateriaaleista olleista paakuista. Aumasekoitinta käytettäessä materiaalit sekoittuivat hyvin. Jos lähtömateriaaleissa on kovia kokkareita, ei sekoitin pysty niitä rikkomaan ja valmiiseen rakenteeseen jää lujuutta heikentäviä (kipsi)paakkuja. Sekoitusprosessissa ei Rautavaarassa havaittu ongelmia. Kipsin ja tuhkan syöttö hihnakuljettimilla sujui odotuksia paremmin, mutta työllisti koko ajan 1-2 henkeä pyöräkuormaajan lisäksi. Jatkuvatoiminen sekoitin olisi ollut annossekoitinta tehokkaampi vaihtoehto. Aumasekoitusta käytettäessä olisi hyvä tehdä sekoitusaumoja mahdollisimman valmiiksi jo edellisenä päivänä, jotta rakentaminen saataisiin käyntiin ajoissa. Sekoitusvaiheessa materiaaleihin ei vettä lisätä, sillä stabiloinnissa vedenlisäys tehdään tarvittaessa ennen jyrsintää tai jyrsinnän ohessa. Jos valmis kipsituhka-seos on liian kosteata (>14 %), alkaa se tarttua kuorma-autojen lavoihin kiinni haitaten purkamista.

20 18 Rakentaminen Tässä projektissa kipsituhkan levitykseen käytettiin asfalttilevitintä, jolla saatiin stabilointia varten tehtyä tasainen, esitiivistetty kerros ilman sideaineseoksen leviämistä ojiin. Ensimmäisellä kipsituhkakohteella v käytettiin levittämiseen tiehöylää, joka oli epätarkempi kuin asfaltinlevitin eikä siksi niin suositeltava vaihtoehto. Tiivistys sujui hyvin tavallisella valssijyrällä, pienenä ongelmana oli materiaalin tarttuminen valssiin. Tiivistys on tehtävä huolellisesti koko rakenteen leveydeltä ja erityinen huomio on kiinnitettävä reunoihin. Rautavaaran koekohteella oli sateesta johtuen stabiloinnissa riittävästi vettä ja siellä rakenne tiivistyi hyvin sekä pysyi urautumatta ilman murskesuojausta seuraavan päivän päällystykseen asti. Stabilointityössä tarvitaan normaalisti vedenlisäystä, jotta parhaan tiivistystuloksen antava vesipitoisuusalue saavutettaisiin. Stabilointi ei ole kovinkaan herkkä sateelle, päinvastoin liian kuiva ja lämmin keli aiheuttaa stabiloinnin pinnan pölyämistä. Lisäksi lämmin keli voi kuivattaa jyrsittyä tietä ja aiheuttaa siten ongelmia tiivistämiselle. Osassa stabilointia jätettiin tasausmurske pois pehmeän asfalttibetonin alta. Päällystyksen tehneiden henkilöiden kommenttien mukaan tämä ei vaikuttanut millään tavoin päällystämisen sujuvuuteen. Päällystyksen aikana muutamassa kohdin nousi pinnalle vettä joko asfalttibetonista tai stabiloinnista, mutta jatkuvasta sateesta huolimatta päällystys onnistui hyvin. Rautavaaran kohteella töissä oli kaksi laadunvalvojaa. Tulevissa kipsistabilointiprojekteissa todennäköisesti riittäisi työn aikana vain yksi valvoja, mutta aloituspäivänä olisi hyvä olla töissä kaksi henkilöä sekoitus- ja tiivistyskokeilujen vuoksi. Laadunvalvojana olisi hyvä olla henkilö, joka on aikaisemmin ollut tekemisissä kipsin tai yleensä sivutuotteiden kanssa, jotta stabilointityön saataisiin heti alusta alkaen tehokkaasti käyntiin ja mahdolliset ongelmatilanteet ratkaistua oikein. Työsaavutukset ja käytetty kalusto/henkilöstö Sekoittaminen: Asemasekoitin, pyöräkuormaaja, säiliöauto sementti-kuona -seokselle, 3-4 kuorma-autoa. Sekoittimen henkilökunta, 1-2 miestä hihnakuljettimilla, autojen kuljettajat ja laadunvalvoja. Annoskokona oli 1 t ja sekoitusaikana noin yksi minuutti. Sekoittimeen olisi mahtunut n. 1,5 t annos, mutta fillerivaa an maksimikuorman pienuus rajoitti annoskokoa. Sekoitin oli käytössä 12 h ja sillä tehtiin 359 sekoitusta (=359 t sideaineseosta). Kuorma-auton lavalle mahtui 10 t seosta Rakentaminen: Stabilointijyrsin, tiehöylä, 2 valssijyrää. Koneiden kuljettajat ja laadunvalvoja. Stabilointisyvyydet 20 ja 25 cm ja tien leveys 6,5 m Stabilointijyrsin työskenteli n. 11 h Asfalttilevittimen ajonopeus n. 5 m/min. Nopeutta olisi voinut hieman kasvattaa, mikäli sideainetta olisi saatu sekoitettua nopeammin. Levitin oli töissä 13 h, samoin kuin jyräyskalustokin. 200 mm stabiloinnin pituus oli n. 500 m, sideaineseosta kului 158 t 100 t kipsituhka-seoksesta tulee tietä n. 320 m 100 m stabilointiin tarvitaan n. 32 t kipsituhka-seosta 250 mm stabiloinnin pituus oli 500 m, sideaineseosta kului 201 t 100 t kipsituhka-seoksesta tulee tietä n. 250 m 100 m stabilointiin tarvitaan n. 40 t kipsituhka-seosta

21 AIKAISEMMAT KOEKOHTEET Maaninka, Käänninniementie pt Yleistä Koerakentamisella tutkittiin kipsi-lentotuhka -seoksen käyttömahdollisuuksia tienrakentamisessa ja se oli osa EU Life-projektia Teollisen fosfokipsin ja lentotuhkan hyötykäyttö. Life 98ENV/FIN/ Koekohteen ongelmina olivat heikko kevätkantavuus, epätasainen routiminen sekä tien leviäminen, jolloin ojat ovat tukkeutuneet. Tielaitoksen kelirikkoinventointien mukaan tiellä on ollut 2-3 vaurioluokan kelirikkoa, mutta todella pahalta kelirikolta on vältytty vähäisen raskaan liikenteen ansiosta. Koetiellä tehtiin kantavuusmittaus 40 metrin välein pudotuspainolaitteella toukokuun lopussa ennen koerakentamista. E2-moduulit vaihtelivat MPa (ka. 71 MPa). Routavaaituksella mitatut routanousut vaihtelivat 2 22 cm (ka. 14 cm). Sijainti ja rakenne Koerakennuskohteena oli Maaningalla sijaitseva Käänninniemen pt Stabiloidun koeosuuden pituus oli 1670 m (plv ). Koerakentamisvuotena 1999 loppukevät oli hyvin kuivaa, routa suli hitaasti ja pahalta kelirikolta vältyttiin. Koerakentamisen aikaan oli lämmin ja kuiva keli muutamaa sadekuuroa lukuun ottamatta. Stabiloinnissa lisättiin tien vanhaan rakennekerrokseen 12 % sideaineseosta, jonka resepti oli 56,1 % dihydraattikipsiä + 8,4 % lentotuhkaa + 35,5 % masuunisementtiä. Masuunisementin osuudeksi koko stabiloinnissa tuli noin 4 % ja sivutuotteiden 8 %. Stabilointipaksuus oli 200 mm ja lisäksi tienpintaan tehtiin kulutuskerros 0-16 mm murskeesta. Kuva 15. Käänninniemen pt ja Pulkonrannantie pt stabilointiosuuksien rakenneratkaisut. Koerakentaminen Sekoitus tehtiin stabilointia varten aumasekoittimella 50 t erissä kahteen kertaan, jolla saavutettiin silmämääräisesti hyvä sekoitustulos. Samassa projektissa tehtiin massiivista rakennekerrosta varten reseptiltään hieman poikkeavaa kipsituhka-seosta ja sitä tehdessä 200 t erän annostelu sekä sekoittaminen kestivät noin 2,5 tuntia yhtä etukuormaajaa ja aumasekoitinta käytettäessä.

22 20 Stabilointi tehtiin 3 päivässä ja siinä käytettiin 280 t dihydraattikipsiä, 42 t lentotuhkaa ja 177 t masuunisementtiä, yhteensä 499 t. Parhaimpana työpäivänä stabilointi saatiin tehtyä n. 850 m. Kipsilentotuhka-sideaineseos levitettiin noin 50 kg/m 2 eli noin 5 cm paksuiseksi kerrokseksi tien pinnalle ja sekoitettiin tien runkomateriaaliin stabilointijyrsimellä 200 mm syvyyteen asti. Kulutuskerroksen mursketta ei tarvinnut ajaa heti stabiloidulle osuudelle, koska pinta kovettui hyvin saman päivän aikana. Kulutuskerroksen paksuudeksi tuli n. 7 cm. Seurantaa varten asennettiin tiehen 8 eri kohtaan mittausinstrumentit, joilla tutkittiin lämpötilan vaihteluja ja rakenteen kokonaissiirtymiä. Työsuoritukset 200 t erän annostelu ja sekoittaminen kahdella yliajolla kesti noin 2,5 h yhtä etukuormaajaa ja aumasekoitinta käytettäessä Parhaimpana työpäivänä stabilointi saatiin tehtyä n. 850 m, kun levittimenä oli tiehöylä. Materiaaleja käytettiin: 280 t fosfokipsiä, 42 t lentotuhkaa ja 177 t masuunisementtiä, yhteensä 499 t. Rakennetta tehtiin 1670 m (tien leveys 6 m, stabilointisyvyys 200 mm) 100 t kipsituhka-seoksesta tulee tietä n. 335 m 100 m stabilointiin tarvitaan n. 30 kipsituhka-seosta Kustannukset Taulukko 9. Stabiloinnin kustannukset, pt (Kari Leinonen. Fosfokipsin ja lentotuhkan hyötykäyttö maarakentamisessa. Insinöörityö 1999.) TYÖVAIHE / MATERIAALI MÄÄRÄ MK / YKS. MK YHTEENSÄ (alv. 0 %) YHT. (alv. 0 %) suunnittelu sementti 177 t kipsin kulj. sekoituspaikalle 280 t 28, tuhkan kulj. sekoituspaikalle 42 t 25, siilon vuokra 3 tv aumasekoitus 3 tv kivien haraus, TH / KKH kuormaus, kuljetus, levitys yms. 499 t 174, stabilointi m2 4, mittaustyöt laadunvarmistus instrumentointi kulutuskerros (murske 0-16 mm) t 33, muut kulut yhteensä mk (osuuden pit m) mk / m 2 (tien lev. 6 m) 45 8 mk / tie-m

23 21 Taulukko 10. Vertailurakenteen kustannukset, pt (Kari Leinonen. Fosfokipsin ja lentotuhkan hyötykäyttö maarakentamisessa. Insinöörityö 1999.) Työvaihe / materiaali määrä mk / yks. mk alv. 0 % suunnittelu kantavakerros (murske 0-35 mm) 3600 t 48, kulutuskerros (murske 0-16 mm) 1730 t 33, mittaustyöt instrumentointi yhteensä mk (osuuden pit m) mk / m 2 37 mk / tie-m 223 Lisäksi koko hankkeelle tuli kustannuksia sivuojien kaivusta ja liikenteenhoidosta (pölynsidonta, höyläys, murskeen lisäys yms.). Näitä kustannuksia ei ole jaettu eri koekohteiden kustannuksiin. Seurantatulokset Parannustöiden jälkeen tiellä havaittiin keväisin pituussuuntaista halkeamaa tien stabilointirakenteen kummassakin reunassa. Esiintyvä halkeama on luiskassa lujan stabiloidun rakenteen ja pehmeämmän luiskan rajapinnassa. Sulamisen ja pehmenemisen vaiheessa käyttää pehmeä tieluiska eri tavoin kuin stabiloitu rakenne. Muodostuneella halkeamalla ei ole tien käytön kannalta merkitystä ja kyse on lähinnä esteettisestä ongelmasta. Halkeama osoittaa myös, että stabiloitu rakenne käyttäytyy jäykän laatan tavoin. Kevätkelirikon jälkeen halkeama on painunut kiinni. PPLmittausten perusteella tien kantavuus on noussut stabilointirakenteen kohdalla 71 MPa:ista 122 MPa:iin. Koekuoppatutkimuksissa stabilointirakenteesta otetut lujuuskoekappaleet ovat olleet lujempia kuin ennakkokokeiden perusteella on ollut odotettavissa. Pohjavesiseurannassa analyysituloksia verrattiin talousveden kemiallisiin laatuvaatimuksiin ja laatusuosituksiin. Minkään tutkitun aineen pitoisuudet eivät ylittäneet talousveden vaatimus- ja suositusarvoja. Myöskään eri ajankohtina otettujen näytteiden pitoisuuksissa ei ole tapahtunut ajan myötä merkittäviä muutoksia. Maaninka, Pulkonrannantie pt Yleistä Koerakentaminen oli osa EU Life-projektia Teollisen fosfokipsin ja lentotuhkan hyötykäyttö. LIFE 98ENV/FIN/ Hankkeessa mukana olleet osapuolet olivat samat kuin Käänninniementien koerakennushankkeessa. Sijainti ja rakenne Koerakentaminen tehtiin Maaningan kunnassa Pulkonrannan paikallistiellä (Pt 16177) paaluvälille Stabiloidun koeosuuden pituus oli 1040 m, josta plv käytettiin vastaiskusekoitettua sideaineseosta. Vanhan rakenteen stabiloinnissa sideaineena käytetty seos sisälsi 55,4 % fosfokipsiä, 8,3 % lentotuhkaa, 35,7 % masuunisementtiä ja vettä 0,6 %. Masuunisementti on masuunikuonan ja yleissementin seos 7:3. Rakentaminen kesti 2 päivää.

24 22 Rakentaminen Kohteen esitutkimukset tehtiin keväällä ja kesällä Kantavuudet mitattiin pudotuspainolaitteistolla kevätkelirikkoaikaan. Lisäksi tehtiin maatutkaluotaus ja otettiin näytteitä koekuopista. Stabiloinnissa sideaineena käytetty kipsi-tuhkamateriaali sekoitettiin pääosaltaan Andament Oy:n asemasekoittimella. Pieni osa sideaineesta sekoitettiin Megatrex Oy:n Atrex-vastaiskusekoittimella. Sekoitettavan materiaalin annostelu tapahtui pyöräkuormaajalla, jossa on vaaka. Sekoitettu sideaine kuljetettiin tielle ja levitettiin asfaltinlevittimellä tasaiseksi matoksi. Vanhan tiemateriaalin ja sideaineen sekoittaminen tapahtui stabilointijyrsimellä. Jyrsimisen jälkeen kerros tiivistettiin valssijyrällä, ja päälle levitettiin kulutuskerros murskeesta. Rakentamisen aikana sää oli poutaista ja lämpötila noin + 8 C. Sade alkoi rakentamista seuraavana yönä. Seuranta Kantavuusmittausten perusteella kantavuus on lisääntynyt selvästi stabiloidulla osuudella. Kaivovesinäytteitä otettiin ennen rakentamista 3 kiinteistöltä kohteen läheisyydessä, mutta seurantatutkimustarvetta ei ole ilmennyt. Koekuoppatutkimukset tehtiin noin 9 kk rakentamisen jälkeen keväällä Rakenteesta otettujen koekappaleiden lujuudet ovat olleet noin kolminkertaisia kuin ennakkokokeiden perusteella oli odotettu. Pulkonrannantieltä otettujen näytteiden lujuudet eivät ole kehittyneet aivan samalle tasolle kuin niiden Käänninniementien kokeissa todettiin olevan. Koska rakenteiden materiaaliresepti on sama, ovat tulokset siten vertailukelpoisia. Alhaisempi lujuustaso voi johtua joko erilaisesta sekoituksesta tai materiaalissa käytetyn sideaineen epätasaisesta jakautumisesta seokseen. Volymetrimittausten yhteydessä tehtiin havaintoja kipsipaakuista rakenteessa, mikä saattaa viitata siihen, että sekoitus ei ehkä ole ollut niin tehokasta kuin se Käänninniementiellä on ollut. Käänninniementiellä käytettiin aumasekoitinta. Johtopäätökset ja julkaisut Maaningan projekteista Projektin Fosfokipsin ja lentotuhkan hyötykäyttö tienrakennusmateriaalina tulosten perusteella on voitu osoittaa, että fosfokipsin ja lentotuhkan seoksilla saadaan teknisesti toimivia ja ympäristön kannalta turvallisia tierakennekerroksia, sekä kantavia massiivirakenteita että kerrosstabilointirakenteita. Seuranta-aika on ollut suhteellisen lyhyt lopullisten johtopäätöksien tekemiseksi. Joka tapauksessa etenkin kerrosstabilointiratkaisut ovat olleet tuloksiltaan erinomaiset molemmissa Maaningan pilotkohteissa. Tuloksien perusteella voidaan tehdä seuraavia johtopäätöksiä: Kipsituhkasta saadaan aktivaattorin avulla tehtyä erinomainen sideaineseos vanhan tierakenteen stabilointiin. Stabiloidut rakenteet ovat kestäneet erinomaisesti jäätymistä ja sulamista sekä rakenteen alapuolisten kerrosten aiheuttamaan routaliikettä. Seurantatulokset osoittavat myös, että rakenteen lujittuminen jatkuu varsin pitkään (yli kaksi vuotta). Kipsituhkien aktivaattoreiksi on projektissa löydetty useita vaihtoehtoja, joista masuunikuonan ja sementin seos oli yksi parhaimmista. Aktivaattorin käyttö kiihdyttää lujittumista ja parantaa materiaalin pitkäaikaiskestävyyttä. Kipsituhkien käyttö on osoittautunut myös ympäristöystävälliseksi teknologiaksi, sekä laboratoriotesteissä että seurantatutkimuksissa. Pilotkohteissa testatut ohuet tierakennesovellu-

25 23 tukset ovat osoittautuneet hyvin toimiviksi vähäliikenteisillä teillä. Samalla nämä ratkaisut ovat varsin taloudellisia ja kestävän kehityksen mukaisia, luonnonvaroja säästäviä. Tulosten perusteella ovat pilotkohteissa testatut laitteet ja työmenetelmät osoittautuneet hyvin toimiviksi. Materiaalien valmistuksessa käytetyt auma- ja monitoiminen asemasekoitin osoittautuvat menetelmiksi, joilla saadaan riittävän hyvä sekoituksen laatu sekä stabiloinnin sideaineelle että massiivirakenteen materiaalille. Julkaisut: Kari Leinonen. Fosfokipsin ja lentotuhkan hyötykäyttö maarakentamisessa. Insinöörityö Fosfokipsin ja lentotuhkan hyötykäyttö tienrakennusmateriaalina. Koerakennus, Pt Käänninniemi. SCC Viatek/SGT Fosfokipsin ja lentotuhkan hyötykäyttö tienrakennusmateriaalina. Koerakentaminen Pt 16177, Pulkonrannantie. SCC Viatek/SGT Life 98ENV/FIN/ Teollisen fosfokipsin ja lentotuhkan hyötykäyttö. Materiaalitutkimusraportti. SCC Viatek/SGT Life 98ENV/FIN/ Fosfokipsin ja lentotuhkan hyötykäyttö tienrakennusmateriaalina. Pilotrakenteiden seuranta, PT Käänninniementie ja PT Pulkonrannantie. SCC Viatek/SGT Muita kipsistabilointikohteita Juuka, Ruvaslahti, 1991 Tieosuudella oli aikaisemmin esiintynyt kantavuus- ja reunaongelmia. Koerakenteena tehtiin fosfokipsi-sementti -stabilointi, jossa sideaineena oli fosfokipsin ja yleissementin seosta suhteessa 1:1. Sideaineen kokonaismäärä oli noin 10 % runkomateriaalin kuivapainosta laskettuna. Suunniteltu stabilointisyvyys oli 15 cm, mutta työssä käytetty jousiäes pystyi tekemään vain noin 10 cm paksuisen kerroksen. Seuranta Vuonna 1997 eli kuusi vuotta rakentamisen jälkeen seurantaraportissa todetaan, että toteutettu koerakenne on toiminut, kantavuusongelmat ovat hävinneet ja routaheitot tasaantuneet. Stabiloinnin kohdalla tien kulutuskerros oli jonkin verran halkeillut ja vaatinut sorastusta. Tien pinta oli vaurioitumaton, mutta stabiloidussa kerroksessa oli tapahtunut jonkin verran murentumista ja heikkenemistä. Liian ohuesta rakennepaksuudesta johtuen rakenne ei ole kestänyt pitkäaikaisrasituksia odotetulla tavalla. Stabiloinnilla parannettiin kantavuuden minimitasoa, mutta keskiarvossa ei tapahtunut merkittäviä muutoksia. Käyttökokemukset ovat olleet suoria numeroarvoja positiivisempia. Koekohteesta otetuista pinta- ja pohjavesinäytteissä ei ole ollut todettavissa pitoisuuksien nousuja tai muutakaan muutoksia, jotka johtuisivat koerakentamisessa käytetyistä materiaaleista.