LÄMMÖNJOHTAVUUDEN MÄÄRITTÄMINEN

TIEN POHJA- JA PÄÄLLYSRAKENTEET TUTKIMUSOHJELMA 1994-2001 Menetelmäkuvaus TPPT 8 Espoo, 3.12.2001 LÄMMÖNJOHTAVUUDEN MÄÄRITTÄMINEN - Mittaus lämmönjohtosondilla - Arviointi maalajitiedoista - Routaeristemateriaalien lämmönjohtavuudet Tarkkuuslämpömittari / -kalibraattori Vakiovirtageneraattori Tiedonkeruuyksikkö Sondi Näyte Harri Kivikoski, Seppo Saarelainen VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka Mika Ahonen, Eero Huttunen, Kauko Kujala Oulun yliopisto, geotekniikan laboratorio

1 Alkusanat Tien pohja- ja päällysrakenteet tutkimusohjelman (TPPT) lopputulosten tavoitteena on entistä kestävämpien uusien ja perusparannettavien kestopäällystettyjen teiden rakentaminen siten, että myös rakenteiden vuosikustannukset alenevat. TPPT-ohjelmassa kehitettiin tierakenteiden mitoitusta (TPPT-suunnittelujärjestelmä). Suunnittelujärjestelmään kuuluvissa mitoitusohjeissa ja menetelmäkuvauksissa esitetään ne menettelytavat ja keinot, joita käyttäen tierakenne voidaan kohdekohtaisesti suunnitella ja mitoittaa. TPPT-suunnittelujärjestelmään sisältyy myös päällysrakenteen elinkaarikustannustarkastelu, jonka suorittamiseksi esitetään menettelytapa. Suunnittelujärjestelmälle on ominaista, että tierakenteen mitoitus tapahtuu paikkakohtaisilla tiedoilla ja parametreilla (liikenne, ilmasto, pohjamaa, käytettävät rakennemateriaalit, vanhat rakenteet). Mitoituksessa käytettävien pohjamaata ja rakennemateriaaleja koskevien parametrien määritys tapahtuu ensisijaisesti laboratoriokokeilla tai maastossa tehtävin mittauksin ja tutkimuksin. Myös muiden mitoituksessa tarpeellisten lähtötietojen hankinnassa ja ongelmakohtien tai muutoskohtien paikannuksessa käytetään maastossa ja tiellä tehtäviä havaintoja ja mittauksia. Suunnittelujärjestelmään kuuluvat oleellisena osana sitä täydentävät suunnittelun ja mitoituksen lähtötietojen hankintaa käsittelevät menetelmäkuvaukset. Esitettävät menetelmät ja menettelytavat on todettu käyttökelpoisiksi käytännön havaintojen ja kokeiden perusteella. TPPT-ohjelman tuloksena laaditaan myös yhteenveto ohjelmaan sisältyneistä, mitoitusohjeiden laadinnassa hyväksikäytetyistä koerakenteista sekä yhteenveto tien rakennekerrosten materiaaleista ja niiden valintaan vaikuttavista tekijöistä. Tämän Lämmönjohtavuuden määrittäminen menetelmäkuvauksen ovat laatineet Harri Kivikoski ja Seppo Saarelainen VTT Rkennus- jay hdyskuntatekniikasta. Menetelmäkuvauksen pohjana on käytetty Oulun yliopiston geotekniikan laboratorion tutkijoiden Mika Ahosen, Eero Huttusen ja Kauko Kujalan laatimaa Oulun yliopistossa käytössä olevan määrittämismenetelmän ohjetta. Menetelmäkuvauksen sisältö on käyty läpi yhdessä tielaitoksen asiantuntijoiden kanssa. Joulukuussa 2001 Markku Tammirinne

2 Sisällysluettelo 1 JOHDANTO... 3 2 MITTAUS LÄMMÖNJOHTOSONDILLA... 3 2.1 Menetelmän tarkoitus... 3 2.2 Menetelmän soveltamisala... 3 2.3 Koemenetelmä... 3 2.3.1 Menetelmän periaate...3 2.3.2 Laitteet ja tarvikkeet...4 2.3.3 Näytteen valmistus ja esikäsittely...4 2.3.4 Sondin kalibrointi...5 2.3.5 Kokeen suorittaminen...5 2.4 Koetulosten esittäminen... 7 2.4.1 Laskentayhtälöt...7 2.4.2 Tulokset ja graafiset kuvaajat...7 2.4.3 Tarkkuus ja toistettavuus...7 2.4.4 Materiaalin mitoituslämmönjohtavuuden määrittäminen laboratoriossa... 8 2.4.5 Materiaalin lämmönjohtavuuden määrittäminen kenttähavainnoista... 8 3 LÄMMÖNJOHTAVUUDEN ARVIOINTI MAALAJITIEDOISTA... 8 4 ROUTAERISTEMATERIAALIEN LÄMMÖNJOHTAVUUDET... 9 4.1 Routaeristemateriaalien yleisvaatimukset... 9 4.2 Routaeristemateriaalit... 9 4.2.1 Tavallisimmat routaeristeet...9 4.2.2 Muut routaeristeet...9 4.3 Käyttöolosuhteet... 10 4.4 Routaeristeiden mitoituslämmönjohtavuudet... 10 5 KIRJALLISUUS... 11

3 1 JOHDANTO Tierakenteen routimisen hallinta, lämpötekninen mallintaminen ja mitoittaminen edellyttää tietoja rakennekerrosten, pohjamaan ja mahdollisten routaeristeiden lämmönjohtavuuksista sulana ja jäätyneenä (Menetelmäkuvaus TPPT 18 Tierakenteen routamitoitus). Tässä menetelmäkuvauksessa esitetään määritysmenetelmä lämmönjohtavuuden mittamiseksi laboratoriossa tai kentällä, kivennäismaalajien lämmönjohtavuuden arviointi laskemalla sekä eräiden routaeristeinä käytettyjen materiaalien mitoituslämmönjohtavuusarvot. 2 MITTAUS LÄMMÖNJOHTOSONDILLA 2.1 Menetelmän tarkoitus Lämmönjohtosondilla määritetään materiaalin lämmönjohtavuus laboratoriossa /1/ tai maastossa esim. koekuopan pohjalta. Menetelmä noudattelee pääasiassa ASTM standardia D5334-92 /2/. 2.2 Menetelmän soveltamisala Menetelmä soveltuu häiriintymättömien ja häiriintyneiden maanäytteiden lämmönjohtavuuden määrittämiseen. Näytteiden otaksutaan olevan isotroopisia, ts. näytteiden ominaisuuksien kaikkiin suuntiin oletetaan ovat samat. Menetelmää voidaan käyttää mitattavan materiaalin lämpötila-alueella -30 C...-7,5 C ja +1 C...50 C. Määrityksen aikana sondin lämpötila-anturista havaittu lämpötilan nousu saa olla enintään 2,5 C. Näytettä ympäröivän ilman tai muun aineen lämpötila ei saa kokeen aikana muuttua enempää kuin ± 0,2 C. Maamateriaalin sisältämän veden jäätymisen ja sulamisen faasimuutokset tapahtuvat pääosin lämpötila-alueella 0...-5 C. Koska nämä veden faasimuutokset varastoivat tai luovuttavat energiaa, ei tässä esitettyä menetelmää voida luotettavasti käyttää tällä lämpötila-alueella. Tämä lämpötilamittausalue asettaa rajoituksia materiaalin jäätyneen tilan lämmönjohtavuuden määrittämiseksi in situ, koska talven ankaruudesta riippuu, kuinka alhaisia ovat mittaushetkellä tutkittavien materiaalien lämpötilat esim. tien rakennekerroksissa ja pohjamaassa. 2.3 Koemenetelmä 2.3.1 Menetelmän periaate Materiaalin kyky johtaa lämpötilagradientin vallitessa lämpöä riippuu materiaalin lämmönjohtavuudesta. Tässä esitetyssä koemenetelmässä maamateriaalin lämmönjohtavuus määritetään asettamalla tutkittavan materiaalin sisään sauvamainen lämmönjohtosondi, jonka pituus verrattuna halkaisijaan on suuri (pituus 25 x halkaisija). Sondissa on lämmitysvastus ja lämpötilan mittaukseen tarkoitettu anturi. Mittauksen aikana lämmönjohtosondi on lineaarinen lämpölähde tutkittavassa materiaalissa. Kokeessa vakiovirta syötetään sondin lämmitysvastukseen ja sondissa olevalla lämpötila-anturilla seurataan lämmityksen seurauksena näytteessä syntyvää lämpötilan nousua ajan suhteen.

4 2.3.2 Laitteet ja tarvikkeet Lämmönjohtosondi, joka sisältää lämmitykseen tarvittavan lämpövastuksen sekä lämpötilan mittaamiseen käytettävän lämpötila-anturin (termoparilanka tai platinavastusanturi). Lämmönjohtosondin rakenne on esitetty liitteessä 1. Vakiovirtalähde, jolla tuotetaan suuruudeltaan muuttumaton tasavirta. Lämpötilamittari, jolla mitataan lämpötilat sondin lämpötila-anturista kokeen aikana 0,05 C:n lukematarkkuudella. Jännite-, virta- ja vastusmittari, jolla voidaan mitata jännite 0,01 V:n, virta 0,002 A:n ja vastus 0,1 Ω:n tarkkuudella. Tiedonkeruulaite, johon kerätään mittauksen aikana lämpötilatiedot ajan funktiona. Tähän tarkoitukseen soveltuu esim. mikrotietokone tai muu tiedonkeruulaite. Kalibrointiaineet, joiden lämmönjohtavuudet tunnetaan (vähintään 2 ainetta). Kalibrointiaineina voidaan käyttää esim. kuivaa kvartsihiekkaa, mineraalivillaa ja vettä, johon on lisätty 0,25 paino-% hyytelöintiainetta konvektion estämiseksi. 2.3.3 Näytteen valmistus ja esikäsittely 2.3.3.1 Häiriintymättömät näytteet Näytteen on oltava sylinterin muotoisessa muotissa, jonka sisähalkaisijan on vähintään 100 mm. Näytteen päät tasataan, näyte punnitaan ja sen tilavuus määritetään. Näyte asetetaan vaakasuoralle alustalle pystyasentoon. Lämmönjohtosondi asetetaan pystysuoraan asentoon sondia varten näytteen keskelle porattuun reikään (tiiviit näytteet) tai työntämällä sondi varovasti näytteeseen (löyhät näytteet). Poratun reiän halkaisija on sama kuin sondin läpimitta ja syvyys on yhtäsuuri kuin sondin pituus. Sondin kärjen alapuolelle on jäätävä tutkittavaa materiaalia vähintään 10 mm paksu kerros. Erityishuomiota on kiinnitettävä siihen, että sondin ja tutkittavan materiaalin välille muodostuu tiivis kontakti ja että sondi asettuu koko pituudeltaan tutkittavan materiaalin sisään. Kosteuden haihtumisen estämiseksi näyte sondeineen ympäröidään tiiviisti muovikalvolla odottamaan mittausta. 2.3.3.2 Häiriintyneet näytteet Tutkittava materiaali tiivistetään haluttuun tiiviyteen sylinterin muotoiseen astiaan, joka punnitaan. Sylinterin sisähalkaisijan on oltava vähintään 100 mm (vähintään 5 kertaa suurempi kuin tutkittavan näytteen maksimiraekoko). Näytteen tilavuus ja massa määritetään. Sondi asetetaan näytteeseen kuten luvussa 2.3.3.1 on kuvattu. Jos näytteen sisältämien kivien tms. vuoksi sondin työntäminen tai reiän poraaminen ei onnistu, voidaan tutkittavan materiaalin tiivistys suorittaa kerroksittain niin, että sondi jää vähitellen tutkittavan kerroksen sisälle. Tiivistyksen aikana sondia pidetään pystysuorassa asennossa. Sondin kärjen alapuolelle on jäätävä tutkittavaa materiaalia vähintään 10 mm paksu kerros. Näytteen tilavuus ja massa määritetään. Näyte sondeineen ympäröidään tiiviisti muovikalvolla kosteuden haihtumisen estämiseksi.

5 2.3.4 Sondin kalibrointi Lämmönjohtosondi on kalibroitava ennen käyttöönottoa. Kalibrointi suoritetaan vähintään kahdella eri materiaalilla, joiden lämmönjohtavuus tunnetaan. Kalibroinnissa käytettävien materiaalien lämmönjohtavuuksien eron on oltava vähintään 0,30 W/mK. Kalibroinnissa käytettävien materiaalien lämmönjohtavuuksien tulisi vaihdella sillä alueella, jolla myös tutkittavien materiaalien lämmönjohtavuudet vaihtelevat. Kalibroinnissa suoritetaan luvun 2.3.5 mukainen koe kalibrointiaineilla. Sondille ominainen kalibrointisuora saadaan piirtämällä koordinaatistoon kalibroinnin mukaiset pisteet (kuva 1), jossa x-akselina on mitatut arvot ja y-akselina oikeat arvot. Kalibrointisuoran yhtälö on tällöin pisteiden kautta kulkevan suoran yhtälö. Mikäli kalibrointitulosten pisteet eivät asetu samalle suoralle, voidaan kalibrointisuoran määrittämiseksi käyttää esimerkiksi ns. pienimmän neliösumman menetelmää. 0.8 Lämmönjohtavuus (W/Km) 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 kalibrointisuoran yhtälö y = 1.0234x + 0.0048 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Mitattu λ (W/Km) Kuva 1. Esimerkki kalibrointisuoran määrittämisestä kalibroinnissa mitattujen ja todellisten lämmönjohtavuuksien avulla. 2.3.5 Kokeen suorittaminen Näytteen lämpötilan annetaan ennen mittauksen suorittamista tasaantua määrityslämpötilaan. Lämpötilan tasaantumista seurataan lämmönjohtosondissa olevalla lämpötilaanturilla. Sondin lämpövastuksen kaapelit kytketään virtalähteeseen ja lämpötila-anturin johtimet lämpötilamittariin. Halutun suuruinen vakiovirta kytketään päälle ja samalla tehdään ensimmäinen lämpötilamittaus. Kokeen aikana mitataan lämpötiloja 5...30 s välein 10...30 minuutin ajan. Lämpötilan mittaustulokset tallennetaan tiedonkeruuyksikköön. Lämpötila-anturilla mitattu lämpötilan nousu kokeen aikana saa olla enintään 2,5 C. Mittausjärjestely on esitetty kuvassa 2.

6 Mittaustulokset piirretään koordinaatistoon, jossa x-akselina on ajan logaritmi log(t) ja y- akselina T (lämpötila). Pistejoukosta valitaan osuus (aikaväli t 1...t 2 ), jossa lämpötilan nousu on lineaarinen ajan logaritmin suhteen. Aikavälille t 1...t 2 sovitetaan pienimmän neliösumman menetelmällä pistejoukkoon suora. Suoralta lasketaan ajanhetkiä t 1 ja t 2 vastaavat lämpötilat T 1 ja T 2 (kuva 3). Kuva 2. VTT:n lämmönjohtavuuslaitteen mittausjärjestelmä: vakiovirtalähde, lämpötilaloggeri ja lämmönjohtosondi. Vasemmassa kuvassa lämmönjohtosondi on pöydällä ja oikeassa kuvassa asennettuna mitattavaan näytteeseen. Lämmönjohtosondin valmistaja on Soilmetric ky. Näyte poistetaan muotista ja määritetään sen vesipitoisuus. Häiriintymättömien näytteiden muotti punnitaan. kokeen aikana tehdyt lämpötilahavainnot lämpötilahavaintojen perusteella lineaariselle osalle sovitettu suora T2 T1 T o C log t t1 t2 Kuva 3. Mittaustulokset log t- T-koordinaatistossa.

7 2.4 Koetulosten esittäminen 2.4.1 Laskentayhtälöt Lämmönjohtavuus lasketaan yhtälön (1) /4/ avulla λ = 23. q 4π q = 4π ( T T ) ( ) ( log t ) 2 log t1 T T 2 1 2 1 ( ln t ln t ) 2 1 (1) missä 2 I R q = = l UI l λ = lämmönjohtavuus, W/mK U = jännite, V I = sondin lämpövastuksen kautta kulkeva virta, A l = sondin pituus, m q = lämmitysteho sondin pituusyksikköä kohti, W/m R = sondin lämpövastuksen resistanssi, Ω T 1 = alkulämpötila, K T 2 = loppulämpötila, K t 1 = alkuaika, s t 2 = loppuaika, s 2.4.2 Tulokset ja graafiset kuvaajat Jokaisesta lämmönjohtavuuden määrityksestä esitetään ainakin seuraavat asiat: - näytetiedot: häiriintymätön / häiriintynyt näyte, näytteen korkeus ja halkaisija, näytteenottopaikka ja -taso, maalaji sekä liittyminen muihin tutkimuksiin, - näytteen vesipitoisuus ja kuivatilavuuspaino määrityshetkellä, - sondin pituus, lämmitysvastuksen resistanssi, määrityksessä käytetyn vakiovirran suuruus ja sondin kalibrointiyhtälö, - määrityksen aikaiset lämpötilat log t - T koordinaatistossa, - ajanhetket t 1 ja t 2 sekä lämpötilat T 1 ja T 2, - lämmönjohtavuus, - materiaalin erikoispiirteet, - määrityksen suorittamispäivämäärä. Lämmönjohtavuus ilmoitetaan yksikkönä W/mK kahden desimaalin tarkkuudella. Esimerkki lämmönjohtavuusmäärityksen tulosten esittämisestä on esitetty liitteessä 2. 2.4.3 Tarkkuus ja toistettavuus Lämmönjohtavuuden määrittämisessä on suositeltavaa käyttää vähintään kahta rinnakkaisnäytettä ja tulokset ilmoitetaan näiden keskiarvona. Menetelmällä tehtyjen akaisempien määritysten perusteella, jossa materiaalin lämmönjohtavuus on ollut ennalta tunnettu, tällä määritysmenetelmällä on saavutettu 5...10 %:n tarkkuus.

8 2.4.4 Materiaalin mitoituslämmönjohtavuuden määrittäminen laboratoriossa Materiaalin mitoituslämmönjohtavuusarvon määrittämisessä tulee huomioida kappaleen 4.4 mukaisesti mm. materiaalin kokoonpuristumasta ja muista arvaamattomista olosuhde- ym. tekijöistä aiheutuvaa laskennallista varmuutta. Mitoituslämmönjohtavuuden määrittämiseen tarkoitetut materiaalin lämmönjohtavuusmittaukset laboratoriossa tulee tehdä tiiviydeltään ja vesipitoisuudeltaan käyttöolosuhteita vastaavissa olosuhteissa sulana ja jäätyneenä. 2.4.5 Materiaalin lämmönjohtavuuden määrittäminen kenttähavainnoista Materiaalin jäätyneen tilan lämmönjohtavuuden takaisinlaskenta kenttähavainnoista edellyttää lähtötietoina paikkakunnan havaintotalven lämpötilatietoja, roudansyvyys- ja routanousuhavaintoja sekä rakennekerrosmateriaalien vesipitoisuus-, tiheystietoja ja kerroksen paksuustietoja. Pohjamaasta tarvitaan vesipitoisuus- ja tiheystietojen lisäksi routimiskerroin SP. Kerstenin (luku 3) yhtälöillä määritetään rakennekerros- ja pohjamaamateriaalien sulan ja jäätyneen tilan lämmönjohtavuudet. Päällysteen ominaisuuksina käytetään kirjallisuudesta saatavia tietoja. Routanousun mitoitusohjelmalla (SSR-malli, menetelmäkuvaus TPPT 18 Tierakenteen routamitoitus) mallinnetaan havaintotalven roudansyvyys ja routanousu vastaamaan havaintoja. Tutkittavan materiaalin sulan ja jäätyneen tilan lämmönjohtavuusarvoja muutetaan, kunnes roudansyvyys-routanousumalli saadaan sovitettua havaintoihin. 3 LÄMMÖNJOHTAVUUDEN ARVIOINTI MAALAJITIEDOISTA Kersten (1949) on määrittänyt kokeellisesti hienorakeisten ja karkearakeisten mineraalimaalajien lämmönjohtavuusarvoja sulassa ja jäätyneessä tilassa ja laatinut tulosten perusteella kaavat lämmönjohtavuuden laskemiseksi näiden tietojen perusteella. Lämmönjohtavuus (W/Km) lasketaan kaavoilla (2) ja (3): Sula maa λ = t 0,62 ρd ( α Log w + β ) 10 (2) Savi ja siltti: α=0,13 β=-0,029 Hiekka: α=0,10 β=-0,058 Jäätynyt maa b ρd d ρd λ = a 10 + c 10 w (3) f Savi ja siltti: Hiekka: a=0,0014; b=1,4; c=0,012; d=0,50 a=0,011; b=0,81; c=0,0046; d=0,91 joissä λ t = sulan maan lämmönjohtavuus, W/Km λ f = jäätyneen maan lämmönjohtavuus, W/Km ρ d = kuivairtotiheys, 10 3 kg/m 3 w = vesipitoisuus, paino-% α, β, a, b, c ja d ovat vakioita. Tielaitoksella käytössä olevassa Fulgeo-ohjelmassa on esitetty suuntaa-antavia maalajien ja päällysteen jäätyneen tilan lämmönjohtavuusarvoja.

9 4 ROUTAERISTEMATERIAALIEN LÄMMÖNJOHTAVUUDET 4.1 Routaeristemateriaalien yleisvaatimukset Routaeristerakenne mitoitetaan niin, ettei pohjamaan routaantuminen ja routanousu ylitä päällysteen vaurioitumisrajaa tai tien tasaisuusvaatimuksia. Routaeristerakenne koostuu eristekerroksesta, joka on yläpuolelta suojattu lämpötiloja tasaavalla kerroksella ja mahdollisesti jännityksiä jakavalla kerroksella. Alapuolelta rakenne on suojattu kuivatuskerroksella, joka estää kosteuden pääsyä eristemateriaaliin altapäin samalla viivyttäen roudan tunkeutumista routivaan pohjamaahan. Routaeristerakenteen tulee säilyttää ominaisuutensa tien koko käyttöiän. Tärkeimmät ominaisuudet ovat - lämmönjohtavuus jäätyneenä, - kestoikä, - kosteuden pääsy ja vaikutus eristeeseen, - kuormituskestävyys (staattinen ja dynaaminen kuormitus) ja - pakkasenkestävyys. Routaeristemateriaaleja on käsitelty yksityiskohtaisemmin menetelmäkuvauksessa TPPT 18 Tierakenteen routamitoitus. 4.2 Routaeristemateriaalit 4.2.1 Tavallisimmat routaeristeet Tierakenteen routaeristeenä käytetään nykyisin yleisimmin suulakepuristettua polystyreeniä (XPS). Routaeristeenä käytettävien XPS-eristeiden puristuslujuus (puristusjännitys 2 %:n kokoonpuristumalla) vaihtelee laadusta riippuen 200...500 kpa välillä (taulukon 1 XPStuotenimikkeistö puristusjännityksen mukainen). Pitkäaikainen, 50 vuoden mitoitusikään perustuva puristuslujuus noin 1 % sallitulla kokoonpuristumalla on 90...225 kpa. Routaeristeenä käytettävien muottipaisutettujen polystyreenieristeiden (EPS) lyhytaikainen puristuslujuus (10 %:n kokoonpuristumaa vastaava puristusjännitys) vaihtelee laadusta riippuen 120...400 kpa välillä (taulukon 1 EPS-tuotenimikkeistö puristusjännityksen mukainen). Pitkäaikainen, 50 vuoden mitoitusikään perustuva puristuslujuus (2 % sallitulla kokoonpuristumalla) on 35 120 kpa. Kevytsoralajitteista käytetään routasuojauksena yleensä lajitetta KS432, jonka raekoko on välillä 4...32 mm ja kuivairtotiheys 320 kg/m 3. Routaeristeissä, joissa tarvitaan erityisen suurta kuormituskestävyyttä, käytetään sementillä sidottua kevytsoraa (kevytsorabetonia), jonka kuivatiheys on 400...600 kg/m 3. 4.2.2 Muut routaeristeet Tierakenteen routaeristeenä voidaan käyttää mitä tahansa materiaalia, joka - voidaan luotettavasti asentaa tierakenteeseen, - kestää käyttötilan kuormitukset ja jonka - routaeristyskyky voidaan pitkäaikaisesti varmistaa. TPPT-ohjelman koerakenteissa on käytetty palaturvetta, masuunihiekkaa ja LD-teräskuonaa. Muiden koerakenteiden yhteydessä on testattu routaeristeenä mm. ferrokromikuonasta valmistettua OKTO-eristettä ja lämpökäsitellystä sahanpurusta valmistettua termopurua /9/. Tärkeitä mitoitettavuuteen vaikuttavia ominaisuuksia ovat kostuminen, mittansa pitävyys, ja pysyvyys. Uusiomateriaaleista on varmistettava myös materiaalin ympäristökel-

10 poisuus. Käytön kannalta hyvin merkittäväksi muodostuvia ominaisuuksia ovat myös materiaalin saatavuus ja hinta. 4.3 Käyttöolosuhteet Tienrakennuksessa käytettävien routasuojausmateriaalien käyttöolosuhteet voidaan jakaa - normaaleihin käyttöolosuhteisiin, - vaikeisiin käyttöolosuhteisiin ja - ankariin käyttöolosuhteisiin. Routaeristeitä ei suositella käytettäväksi ankarissa käyttöolosuhteissa, joissa eriste voi joutua olemaan pidempiä aikoja pohjavedenpinnan alapuolella. Seuraavassa on esitetty tyypillisiä kuvauksia normaaleista ja vaikeista käyttöolosuhteista, joissa eristeet joutuvat toimimaan. Kaikkien seikkojen ei tarvitse olla voimassa samanaikaisesti. Normaalit käyttöolosuhteet - Routaeriste ei ole kosketuksissa pohjaveteen. - Routaeristyksen alapuolinen maakerros on kuivatettu asianmukaisesti. - Tierakenne on päällystetty asfaltilla tai betonilla tai eristys on kallistettu ja suojattu yläpuolelta esim. muovikalvolla. Vaikeat käyttöolosuhteet - Routaeriste on pohjavedenpinnan yläpuolella, mutta hyvin märkänä aikana pohjavesi voi lyhytaikaisesti nousta routaeristeeseen asti. - Pintavettä voi ajoittain valua routaeristeen päälle. Tierakennuksen routasuojauksessa käytettävien materiaalien mitoittavia lämmönjohtavuusja kuormituskestävyysarvoja määritettäessä on edellytetty, että ne säilyttävät asetetut ominaisuutensa 50 vuoden ajan. Tämän 50 vuoden kuluessa eristeiden lämmöneristysominaisuudet heikkenevät erityisesti kosteuden vaikutuksesta. 4.4 Routaeristeiden mitoituslämmönjohtavuudet Mitoituslämmönjohtavuusarvojen valintaperusteina ovat seuraavat lähtökohdat: - routaeristeen oletettu kosteuspitoisuus 20 vuoden kuluttua asentamishetkestä, - sallittu kokoonpuristuma ja sen vaikutus lämmönjohtavuuteen, - lämmönjohtavuusarvojen määritys jäätyneestä routaeristeestä, - routaeristeen mahdollinen vanhenemisilmiö, - muut lämmönjohtavuusarvoa lisäävät tekijät, jotka otetaan huomioon mm. tyyppihyväksyntämenettelyssä. Tyyppihyväksyntää on tehty talonrakennuksessa käytetyille peruseristeille, ja niissä on määrätty sovellettavat tuotteen mitoituslämmönjohtavuudet. Taulukossa 1 esitetyt levyeristeiden mitoitusarvot normaaleissa käyttöolosuhteissa vastaavat molemmin puolin maahan rajoittuvan eristelevyn tyyppihyväksyttyjä mitoitusarvoja. Mitoituslämmönjohtavuusarvoihin on sisällytetty mm. asennustavasta, routaeristeen kokoonpuristumasta ja muista ennalta arvaamattomista olosuhde- ym. tekijöistä aiheutuvaa laskennallista varmuutta 10 %. Em. syistä johtuen mitoituslämmönjohtavuudet saattavat poiketa merkittävästi kuivissa käyttöolo-suhteissa sovellettavaksi tarkoitetuista lämmönjohtavuuk-

11 sista. Materiaalin tuoteselosteissa ilmoitetaan yleensä kuivien käyttöolosuhteiden mitoitusarvot. Levyeristeiden minimipaksuudeksi suositellaan 50 mm. Ohuempien levyjen käyttöä ei suositella niiden murtumisvaaran vuoksi. Siirtymäkiilarakenteiden yhteydessä voidaan kuitenkin käyttää ohuempia levyeristeitä niiden epätasaista routimista pienentävän vaikutuksen takia. Taulukossa 1 on esitetty yleisimpien routaeristemateriaalien mitoituslämmönjohtavuudet λ mit. ja taulukossa 2 muiden routaeristemateriaalien mitoituslämmönjohtavuudet λ mit.. Taulukko 1. Yleisimpien routaeristemateriaalien mitoituslämmönjohtavuudet λ mit. /8/. Tuote Tyyppihyväksytty tuotenimi Suulakepuristettu polystyreeni XPS XPS 200 ja XPS 300 XPS 400 ja XPS 500 Muottipaisutettu polystyreeni EPS EPS 120 Routa λ mit, W/Km Normaalit käyttöolosuhteet 0,041 0,045 0,050 0,041*) λ mit, W/Km Vaikeat käyttöolosuhteet 0,045 0,050 0,060 0,050*) EPS 200, EPS 300 ja EPS 400 Routa Kevytsora KS 432 0,17 0,20 *) Tyyppihyväksyntä koskee EPS-tuotteita Isora Super 200, 300 ja 400. EPS-tuotteille, joilla ei ole tyyppihyväksyntää, sovelletaan tuoteluokan EPS 120 Routa arvoja. Levyeristeiden mitoituslämmönjohtavuus on määritetty testausmenetelmällä EN 12667, ja tulosta on korjattu maahan asennetun tuotteen kostumisen ja kokoonpuristumisen suhteen edellä kuvatulla menettelyllä. Taulukko 2. Eräiden muiden routaeristemateriaalien mitoituslämmönjohtavuudet λ mit.. Tuote λ mit, W/Km Normaalit käyttöolosuhteet λ mit, W/Km Viite no. Vaikeat käyttöolosuhteet Masuunihiekka 0,45 0,70 5,6 Palaturve 0,60 1,00 7,10 5 KIRJALLISUUS /1/ Ahonen, M., Huttunen, E., Kujala, K., Menetelmäehdotus lämmönjohtavuuden määrittämisestä lämmönjohtosondilla laboratoriossa. Väliraportti nro M10b. Espoo, joulukuu 1997. 7s. + liitt. 2s. /2/ ASTM standard D5334-92. Standard Test of Method for Determination of Thermal Conductivity of Soil and Soft Rock by Thermal Needle Probe Procedure. 1992. /3/ GLO-85. Geotekniset laboratorio-ohjeet. 1. Luokituskokeet. Rakentajain Kustannus Oy & Suomen geoteknillinen yhdistys r.y. Helsinki 1985.

12 /4/ McGaw, R., Full-cycle heating and cooling probe method for measuring thermal conductivity. Journal of heat transfer, No. 84-WA/HT-109. 1984. /5/ Viljas, P., Masuunihiekan lämpötekniset ominaisuudet. Diplomityö. Oulu 1993. 74 s. +liitt. 3. /6/ Masuunihiekan käyttö päällysrakennekerroksissa. Tielaitoksen selvityksiä 23/1997.Konsultointi. Oulun kehitysyksikkö. Oulu. 36 s. TIEL 3200470. /7/ Palaturpeen käyttö tierakenteessa., Tielaitoksen selvityksiä 35/1997. Konsultointi, Oulun kehitysyksikkö. Oulu 1997. 46 s. /8/ Saarelainen S., Katujen routasuojaus. Työraportti koerakentamisesta 1995-97. /9/ Termopurun käyttö tie- ja maarakennuksessa. Osa 2. Pilot-tuotanto ja koerakentaminen. VTT Yhdyskuntatekniikka ja VTT Rakennustekniikka. Tutkimusraportti No. 529. Espoo 2000. 93 s. + liitt. 5. /10/ Tien Pohja- ja Päällysrakenteet Tutkimusohjelma. RA3 koerakenteiden rakentaminen, seuranta ja tulokset. Kohderaportit Kt 83 Pello, Kt 78 Ranua ja Pt 18564 Rantsila. Espoo 2000.

LIITE 1 Lämmönjohtosondin rakenne Liitin tarkkuuslämpömittariin + Liitin vakiovirtalähteeseen - 1 Haponkestävä teräsputki A A 2 Lämmitysvastus 3 Lämpötila-anturi > 25d 4 Lämpöä hyvin johtava täyteaine A - A 1 3 2 d 4

LIITE 2 LÄMMÖNJOHTAVUUDEN MÄÄRITYS Päivämäärä: 17.9.1996 Projekti: Näytetiedot: häiriintymätön häiriintynyt ottopaikka: Nurkankangas taso: 0.9 m maanpinnasta maalaji: sihkmr näytekorkeus: 0.7 m näytteen halkaisija: 0.3 m vesipitoisuus w: 9.8 (%) kuivatilavuuspaino γ d : 16.8 kn/m 3 Huom: Sondi: pituus l: 0.5 m resistanssi R: 20 Ω kalibrointisuora: kerroin a: 0.798 vakio b: 0.048 Mittaus: virta I: 0.308 A t 1 : 200 s t 2 : 890 s T 1 : 22.13 o C T 2 : 22.56 o C λ (kalibroimaton): 1.05 W/mK λ (kalibroitu): 0.88 W/mK 23 Lämpötila ( o C) 22 21 20 1 10 100 1000 log t (s)

TPPT Nro Tierakenteen suunnittelu ja mitoitus TPPT Menetelmäkuvaukset Tierakenteen suunnittelu ja mitoitus 17 Kuormituskestävyysmitoitus. Päällysrakenteen väsyminen 18 Tierakenteen routamitoitus 19 Tien jatkuvan painumaprofiilin laskenta pixelimallilla 20 Päällysrakenteen elinkaarikustannusanalyysi 21 Mitoituksen lähtötietojen hankkiminen (työnimi) TPPT Menetelmäkuvaukset Nro 1 Pudotuspainolaitemittaus (PPL-mittaus) 2 Rakennekerrosmoduulien takaisinlaskenta sekä jännitysten ja muodonmuutosten laskenta 3 Liikennerasituksen laskeminen 4 Ilmastorasitus. Pakkasmäärän ja sulamiskauden pituuden määritys 5 Roudan syvyyden määritys 6 Routanousukoe. Routimiskertoimen (SP) kokeellinen määritys 7 Routimiskertoimen määritys 8 Lämmönjohtavuuden määrittäminen Sähköinen vastusluotaus tien painumalaskennan lähtötietojen hankkimisessa 9 10 Radiometrinen reikämittaus 11 CPTU - kairaus 12 Läpäisevän kerroksen määrittäminen painumalaskennan tarpeisiin 13 Tien rakennekerrostutkimukset 14 Routanousun ja painuman mittaus 15 Tien vauriokartoitus ja vaurioiden kuvaus 16 Palvelutasomittaus (PTM) tien rakenteen parantamisen suunnittelussa