Asfaltin kestävyys koetteilla

Transkriptio

1 LIIKENNEVIRASTON T&K -LEHTI 2/2012 Muut Asfaltin kestävyys koetteilla Kevät t alvet 2009 ja 2010 koet t elivat rajust i Suomen maant eit ä. Erilaiset reiät ja purkaumat yleist yivät asfalt t ipäällyst eisillä t eillä pakkaskauden jälkeen. Ongelmat olivat läht ökoht ana VT T :n johdolla perust et ulle Asfadur-projekt ille, jossa kehit et t iin uusia t est imenet elmiä reikiint ymisalt t iuden selvit t ämiseksi. Asfadur-projektin tavoite oli kehittää kaksi laboratoriokoemenetelmää, joilla voidaan tutkia asfalttimassan jäätymis-sulamiskestävyys sekä veden ja kuormituksen yhteisvaikutus asfalttimassan kestävyyteen. Tutkimus paljasti, että asfalttimassan vedelläkyllästysaste vaikuttaa merkittävästi asfaltin halkaisuvetolujuuteen. Varhaisemmat menetelmät ovat tuottaneet systemaattisesti virheellisiä tuloksia asfaltin vedenkestävyydestä ja jäätymis-sulamiskestävyydestä. Tutkimuksen rahoittivat Liikennevirasto, seitsemän kaupunkia, PANK ry, Infra ry, Nynas Oy, Nordkalk Oyj ja VTT. VTT suunnitteli tutkimuksen, teki valittujen asfalttimassojen laboratoriokokeet ja laati tutkimusraportin. Destia Oy ja Lemminkäinen Infra Oy suhteittivat tutkimuksen asfalttimassat sekä valmistivat näytteet. Projektin ulkopuolelle rajattiin rahoittajien reunaehtona päällysteen säänkestävyyden parantaminen koostumusteknisin keinoin, esimerkiksi lisäaineilla, koska vastuu päällysteiden teknisestä kehittämisestä oli uuden rakentamiskäytännön mukaisesti siirretty alan urakoitsijoille. Asfadur-projektin alkaessa käytössä olevien sään- ja vedenkestävyyden tutkimusmenetelmien (esimerkiksi eurooppalaisen standardi SFS-EN , menetelmä B) toistettavuus ja erotuskyky oli todettu epätyydyttäväksi. Päällysteen säänkestävyyden parantamistarpeen toivat selkeästi esiin tie- ja katuverkon päällysteillä erityisesti leutoina talvina yleistyneet säänkestävyysongelmat, jotka näkyivät aiempaa yleisemmin päällysteiden purkautumina ja reikiintymisenä erityisesti pakkasjakson jälkeen kevättalvella. Tällaisista vaurioista on esimerkkejä kuvissa 1 ja 2. 1/6 1

2 Kuva 1. Reikä asfaltin sauman vieressä. Kuva 2. Päällysteen pintakerros irronnut laajalta alueelta. Tulokset Halkaisuvet olujuus Asfaltin vedellä kyllästysaste oli projektin tulosten perusteella erittäin merkittävä vettä sisältävän asfalttinäytteen halkaisuvetolujuuteen vaikuttava tekijä. Jos asfalttinäytteen tyhjätila on täynnä vettä, näytteen vedellä kyllästysaste on 100 prosenttia. Kuvassa 3 on havainnollistettu asfalttibetoninäytteiden halkaisuvetolujuuden riippuvuutta näytteiden esikäsittelytavasta ja vedellä kyllästysasteesta. TEST-näytteet esikäsiteltiin ja halkaistiin märkinä, kuten asfaltin vedenkestävyyden menetelmästandardi edellyttää. REF-näytteet olivat edellisten vertailunäytteitä, jotka säilytettiin ja halkaistiin kuivina. 2/6 2

3 Kolmas pylväs edustaa näytteitä, jotka säilytettiin kuivina ja imeytettiin täyteen vettä välittömästi ennen halkaisua. Näiden näytteiden vedellä kyllästysasteen nousu (0 % 100 %) lisäsi niiden halkaisuvetolujuutta 26 prosenttia REF-sarjan näytteisiin verrattuna. Tyhjätilan imeyttäminen vedellä lisäsi asfalttinäytteiden lujuutta hetkellisesti lyhytaikaisessa kokeessa veden kokoonpuristumattomuuden vuoksi. Asfaltin säilytys vesiupotuksessa saattaa heikentää kiviaineksen ja bitumin välistä tartuntalujuutta, mikä heikentäisi asfaltin halkaisuvetolujuutta. Kuva 3. Asfalttibetoninäytteen halkaisuvetolujuustuloksen riippuvuus näytteen esikäsittelytavasta ja vedellä kyllästysasteesta. (5 rinnakkaisnäytettä). Jäät ymis-sulamiskest ävyys Jäätymis-sulamiskokeissa käytettiin pääosin VTT:n automaattista tutkimuslaitetta, joka pystyttiin ohjelmoimaan siten, että asfalttinäytteiden jäätymis-sulamissyklit ja lämpötilojen muutokset toteutuivat automaattisesti suunnitellulla tavalla. Laitteella voidaan suorittaa jäätymis-sulamistutkimuksia kahdella eri menetelmällä: Menetelmä A: Jäätyminen ilmassa ja sulaminen vedessä Menetelmä B: Jäätyminen ja sulaminen vedessä tai suolaliuoksessa. Jäätymis-sulamiskokeessa koestettiin viisi tutkimusnäytettä jäädytys-sulatuslaitteessa ja toiset viisi vertailunäytettä säilytettiin syklien ajan vapaasti ritilän päällä lämpötilassa C (viimeisissä kokeissa +5 C:ssa). Ennen jäätymis-sulamissyklien aloitusta tutkimusnäytteiden huokostila imeytettiin alipaineen avulla täyteen vettä. Tutkimusten perusteella valittiin tarvittavaksi jäätymissulamissyklimääräksi 10 kpl. Jäätymis-sulamissyklien päättyessä tutkimusnäytteet olivat märkiä sulamissyklien jälkeen ja siksi kuivien vertailunäytteiden huokostila imeytettiin täyteen vettä syklien päättyessä. Sen jälkeen kaikille näytteille tehtiin halkaisuvetolujuuskoe (+10 C:ssa). Tutkimus- ja vertailunäytteiden halkaisuvetolujuuksien 3/6 3

4 keskiarvojen suhde (%) kuvasi jäätymis-sulamiskestävyyttä. Jäätymis-sulamiskokeet erottivat toisistaan säänkestävyyden kannalta hyvää ja vähän heikompaa kiviainesta sisältäneet asfalttimassat. Kun poikettiin enintään 0,2 % -yksikköä optimikoostumuksen mukaisesta bitumipitoisuudesta, se ei näkynyt jäätymis-sulamiskestävyyseroina. Tältä osin projektin jäätymis-sulamiskokeissa käytetyn menetelmäversion erotuskyky ei riittänyt suhteituskokeiden perusteeksi. Suuremmilla sideainepitoisuuspoikkeamilla jäätymis-sulamiskestävyysmenetelmien erottelukykyä ei tutkittu. Vedenkestävyysstandardin mukainen menetelmä tuotti eri massakoostumusten vertailussa saman tuloksen kuin jäätymis-sulamiskoe, joka kesti lisäksi kauemmin. Molempien menetelmien erottelukyky oli yhtä heikko. Jäätymis-sulamiskokeen koestuksen jälkeen kuivat näytteet oli kuitenkin imeytetty täyteen vettä ennen halkaisua, jotta ne olisivat olleet samassa kosteustilassa kuin märät näytteet. Tutkimuksen loppuvaiheessa todettiin, että 100 % vedellä kyllästysaste aiheuttaa systemaattisen virheen tutkimustuloksiin. Veden täyttämän huokostilan vaikutus lujuustulokseen saattoi siksi osittain peittää vähäisen bitumipitoisuuden muutoksen vaikutuksen lujuuteen. Projektin tulosten perusteella laadittiin asfalttimassan jäätymis-sulamiskestävyystestin menetelmäkuvaus PANK Sen mukaan tehtävässä jäätymis-sulamiskokeessa näytteet halkaistaan alhaisemmassa vedellä kyllästysasteessa ja tästä syystä tämän PANK-menetelmän mukainen testi antoi luotettavamman tuloksen kuin tutkimusvaiheessa käytössä ollut menetelmäversio. Veden ja kuormit uksen yht eisvaikut us VTT suunnitteli ja toteutti koejärjestelyn, jolla asfaltin vesipaineiskujen kestävyys tutkittiin. Erityistä mielenkiintoa herätti paineiskukokeen tulos, jonka mukaan vesiupotuksessa tällä menetelmällä koestettu SMA- tai AB-näyte, jonka huokostila oli täynnä vettä, kesti enemmän nopeita syklisiä paineiskuja kuin kuiva näyte. Tulos oli tässä suhteessa samanlainen kaikissa paineiskukokeissa, kaikissa tutkituissa lämpötiloissa ( C) ja kaikilla tutkimuksessa käytetyillä asfaltin pintapaineilla ( kpa). Todellisuudessa myös tässäkin kokeessa asfalttinäytteen huokosissa olevan veden kokoonpuristumattomuus ja veden virtausvastus asfaltin huokostilassa lisäsivät merkittävästi veden kyllästämän asfalttirakenteen hetkellistä kuormankantokykyä lyhytaikaisten syklisten kuormitusten aikana. Kuvassa 4 on esimerkki vesipaineiskukokeen tuloksista, joiden mukaan jäätymis-sulamiskoe heikensi asfaltin kykyä kestää toistuvia dynaamisia vesipaineiskuja. 4/6 4

5 Kuva 4. AB 22-näytteiden vesipaineiskunkestävyys, kun näytteitä oli ensin rasitettu jäätymissulamissykleillä sekä vesipaineiskunkestävyyden riippuvuus asfaltin vedellä kyllästysasteesta (bit. 50/70). Vedenkest ävyys Asfaltin vedenkestävyyskoe, joka perustuu vesisäilytyksessä olleiden märkien näytteiden ja niiden kuivien vertailunäytteiden halkaisuvetolujuuksien suhteeseen, on eräs asfalttimassan toiminnallisen suhteituksen perusmenetelmä (standardi SFS-EN , menetelmä B). Edellä kuvattujen veden vaikutusmekanismien perusteella voidaan todeta, että vettä sisältävien ns. märkien asfalttinäytteiden lujuudenmittaustulokseen vaikuttaa aina asfaltin vedellä kyllästysaste ja se tulisi siksi ottaa huomioon. Jos kyllästysaste on 100 %, veden täyttämä tyhjätila lisää näennäisesti asfaltin halkaisuvetolujuutta (nesteen kokoonpuristumattomuuden vuoksi). Asfalttimassan vedenkestävyyden määrittämiseen käytettävä eurooppalainen standardi sisältää edellä kuvatuista syistä johtuvan systemaattisen virheen eikä anna siksi luotettavaa tietoa asfaltin vedenkestävyydestä. Joht opäät öksiä Asfadur-projektissa kehitettiin ja ohjeistettiin asfaltin jäätymis-sulamiskestävyyden tutkimusmenetelmä ja menetelmä, jolla voitiin tutkia asfaltin kestävyys veden ja kuormitusten yhteisvaikutuksia vastaan. Tutkimuksen keskeinen tulos oli, että asfaltin vedellä kyllästysasteella on erittäin suuri merkitys jäätymissulamismenetelmän ja vedenkestävyysstandardin yhteydessä tehtävissä halkaisuvetolujuuskokeissa. Tämä oli uutta tietoa asfalttialalle. Tuloksen merkitystä kuvaa se, että vedellä kyllästysasteen vaikutusta tutkimustuloksiin ei ole lainkaan otettu huomioon vedenkestävyyden eurooppalaisessa standardissa (SFS-EN , menetelmä B) 5/6 5

6 eikä ennen Asfadur-projektia laadituissa halkaisuvetolujuuteen perustuvissa asfaltin jäätymissulamiskoemenetelmissä. Ne antavat siksi asfaltin vedenkestävyydestä tai jäätymissulamiskestävyydestä systemaattisesti virheellisiä tuloksia. Useiden Euroopan maiden asfalttinormien vedenkestävyysvaatimukset perustuvat edellä mainittuun virheelliseen vedenkestävyysstandardiin. Suomen asfalttinormeissa oli voimassa vuosina tähän standardiin tai sitä aiemmin vastanneeseen menetelmään PANK-4301 perustuvia vedenkestävyysvaatimuksia. Asfadur-projekti päätyi esittämään menettelytapaa vedelläkyllästysasteen huomioon ottamiseksi. Tutkimusryhmä myös ehdotti jatkotutkimusta, jolla selvitetään vedelläkyllästysasteen tavoitearvot ja tarkistetaan asfalttinormien vedenkestävyysvaatimukset korjatun menetelmän mukaisiksi. Teksti: DI Kyösti Laukkanen, VTT, Kuva: Kyösti Laukkanen; Olli Penttinen, Liikennevirasto Tämä Kyösti Laukkasen artikkeli julkaistaan uudelleen numeron 1/2012 kohdalla tapahtuneen painoteknisen virheen vuoksi. Toimitus pahoittelee virhettä ja kiittää lukijoita aktiivisesta palautteesta. Aiheeseen liit t yvää: Liikenneviraston tutkimuksia ja selvityksiä: Asfalttimassan kestävyys jäätymis-sulamista sekä veden ja kuormien yhteisvaikutusta vastaan. Päällystealan neuvottelukunta PANK ry: Menetelmäkuvaus PANK-4306: Asfalttimassan jäätymissulamiskestävyys. 6/6 6