'VP TIEHALLI NTO Nuutti Vuorimies, Pauli Kolisoja, Timo Saarenketo ja Hannu Peltoniemi Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 2 -- - - - - - LilIby 0-20 mm imeytetty) cii' 1.8 -t LilIby 0-20 mm jäädytys -sulatus).2 - LilIby 0-32 mm imevtetty) 1.6 LiIIbyO-32 mm jääd'ytys-sulatus) E - LilIby 0-20 mm + D ((imeytetty) 1.4 LilIby 0-20 mm + D (jäädytys -sulatus) 1.2 E 1- c 0.6 > 02 0.4 --- a =21 kpa a3 =36 kpa =69 kpa Q3k - 0 - -.- --- 0 300 600 900 1200 1500 Kuormituspuissien määrä
Nuutti Vuorimies, Pauli Kolisoja, Timo Saarenketo ja Hannu Peltoniemi Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 Tiehallinnon selvityksiä 4/2004 TIEHALLINTO Helsinki 2004
puh. ISSN 1457-9871 ISBN 951-803-191-6 3200852 TIEH Verkkoversio (www.tiehallinto.fi/julkaisut) pdf ISSN 1459-1553 ISBN 951-803-192-4 3200852-v TIEH Edita Prima Oy Helsinki 2004 Julkaisua myy: asiakaspalvelu.primaedita.fi 020450011 fax. 020 450 2470 cstöm, 441 057 P&noluote TIEHALLINTO Opastinsilta 12 A PL 33 00521 HELSINKI Puhelinvaihde 0204 22 11
muutosten lopulta mitattiin Nuutti Vuorimies, Pauli Kolisoja, Timo Saarenketo ja Hannu Peltoniemi: Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003. Helsinki 2004. Tiehallinto, Tiehallinnon selvityksiä 4/2004. 32 s.+ 1 lute. ISSN 1457-9871, ISBN 951-803- 191-6, TIEH 3200852. Asiasanat: Geofysikaaliset menetelmät, dielektnsyys, kosteuspitoisuus, muodonmuutokset, kivialnekset, tierakenne, routanousu, sulamispehmeneminen, vuodenajat, vedenkestävyys Aiheluokka: 32, 56 TIIVISTELMÄ Tämä tutkimus jatkaa tierakenteessa tapahtuvien dielektrisyysarvojen ja rakenteen kuormituskestävyyden välistä riippuvuutta koskevan tiedon hankintaa. Tutkimukseen on sisältynyt sekä Tampereen teknillisen yliopiston Pohja- ja maarakenteiden laboratorion hankkimalla Percoasemalla vedenherkkyysominaisuuksia mittaavia tehtyjä mittauksia että materiaalien laboratoriokokeita. Percoasema on reaaliaikainen tierakenteiden kosteus- ja kantavuustilaa seuraava mittausjärjestelmä, jolla voidaan mitata kerrosten sekä lämpätilaa. Dielektrisyys kuvaa dielektrisyyttä, sähkönjohtokykyä materiaalin huokostilassa olevan vapaan veden määrää ja siten sen alttiutta kohoamiselle ja dynaamisista kuormituksista johtuvalle huokosvedenpaineen tierakenteen pysyville muodonmuutoksille VTT: n kevytpäällysteisten teiden tutkimusohjelman koetiekonekuormitusten Percoasemalla mitattiin luiskaamattomasta ja luiskatusta yhteydessä koerakenteesta dielektrisyyden ja sähkönjohtavuuden muutoksia. Erityisesti koerakenteiden sorakerroksista mitattujen sähkönjohtavuuksien Luiskaamattomassa koerakenteessa käyttäytyminen erosi toisistaan. sähkärijohtavuudet pysyivät kuormitusten aikana samalla tasolla, kun taas nousivat 40 ja 50 kn luiskatussa koerakenteessa sähkönjohtavuudet pyöräkuormalla tehtyjen kuormitusten yhteydessä. Sähkönjohtavuuden nousu johtunee leikkausmuodonmuutosten aiheuttaman maapartikkelien vaikutuksesta maapartikkelien pinnoilta irtautuvien välisen hankauksen kolloidien määrän lisääntymisestä huokosvedessä. Percoaseman vapauduttua kevytpäällysteisten teiden koekuormituksista se 2001 Tampereen lounaispuolelle Säijään. Säijässä sijoitettiin marraskuussa peltoaukealla sijaitsevan matalapenkereisen vähäliikenteisen 2002 asti. Paikan valintaan päällystetyn tien käyttäytymistä elokuuhun vaikutti ensisijaisesti tarve saada Percoasemalla mittaustuloksia erilaisesta verrattuna ensimmäisen Percoaseman sijoituspaikkaan tierakenteesta Koskenkylässä. Tiellä tehdyissä mittauksissa havaittiin Rovaniemen ongelmien liittyvän lähinnä pohjamaan heikkoon kantavuuteen tierakenteen sekä erityisesti pohjamaassa ja vanhan tierakenteen alaosassa tapahtuviin routanousuihin. Vähäisen ja pääosin kevyen moottoriliikenteen ansiosta tie vaurioitunut tien keskilinjalla esiintyvää pitkittäishalkeamaa ei ole kuitenkaan lukuun ottamatta. Lillbyn ja Emetin ongelmallisilla kalliomurskeilla tutkittiin hienoainespitoisuuden ja muutamien vedenherkkyyteen vaikuttavien vaikutusta niiden vedenimukykyyn Tube Suction kokeilla. käsittelyaineiden Vuodenaikaisvaihtelua simuloivalla syklisellä kolmiaksiaalikoemenetelmällä lupaavimman käsittelyaineen vaikutusta Lillbyn tutkittiin lisäksi kalliomurskeen mekaanisiin ominaisuuksiin. Parhaimmillaan jonkin vaikutus ongelmalliseen kalliomurskeeseen voi olla käsittelyaineen erinomainen kun taas toisella käsittelyaineella ei näyttäisi juurikaan olevan parantavaa vaikutusta.
Nuutti VUORIMIES, Pauli KOLISOJA, Timo SAARENKETO ja Hannu PELTONIEMI. Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003. [Studies of Seasonal Behaviour of Road materials in 2001-2003]. Helsinki 2004. Finnish Road Administration. Finnra Reports 4/2004. 32 P. + app. 1 p. ISSN 1457-9871, ISBN 951-803- 191-6, TIEH 3200852. Index terms: Dielectncity, moisture content, deformation, aggregates, road structure, frost heave, thaw weakening, seasonal variation, susceptibility to water ABSTRACT This research has continued accumulating knowledge on the interdependency between changes of dielectric value in a road structure and bearing capacity of the structure. The research has involved moisture susceptibility measurements of pavement materials done in the laboratory and also in-situ with the Percostation purchased by the Laboratory of Foundation and Earth Structures at the Tampere University of Technology. The Percostation is a real-time monitoring system, which utilises dielectricity, electrical conductivity and temperature measurements in the monitoring of the moisture content and bearing capacity of a road structure. Generally speaking the dielectric value represents the volume of free water contained in the material, which correlates to the propensity for the development of excess pore water pressure in the material when it is exposed to a dynamic load, which in turn relates to the potential for the development of permanent deformations of the road structure. The Percostation has been used to measure changes of the dielectric value and electrical conductivity in test structures with and without slope loaded using a Heavy Vehicle Simulator (HVS) in connection with a research project on low-volume roads at \1T (Technical Research Centre of Finland). During the HVS loading especially the behaviour of electrical conductivity in the gravel sub-base layer was different between the two test structures. ln the test structure without slope electrical conductivity stayed at a constant level during the loading while in the test structure with a slope electrical conductivity values increased during the loading with 40 and 50 kn wheel loads. Most likely the increase of electrical conductivity arised from the chafing of soil particles against each other due to shear deformations and thus the increasing amount of colloids breaking away from the surfaces of soil particles into the pore water. After the Percostation was released from the low-volume road HVS tests it was placed at Säijä, South-West from Tampere, in November 2001. Behaviour of a low traffic paved road with a low embankment on a field area at Säijä was monitored until October 2002. The principal reason in choosing the new location for the Percostation was the need to obtain measurements from a different type of site so as to enable comparisons with the results obtained from the Percostation at Koskenkylä, Rovaniemi. The problems with the road structure at Säijä were related mostly to the poor bearing capacity of subsoil and especially to the frost heave taking place in the subsoil and the lowest part of the old road structure. The road had, however, not been damaged, apart from a longitudinal crack in the middle of the road, because of low volume and mainly the light weight of the traffic. Tube Suction tests were used to study the effect of fines content and some treatment agents on the water susceptibility of problematic crushed rock aggregates of LilIby and Emet. ln addition, a cyclic loading triaxial test procedure simulating the effect of seasonal variation was used to study the effect of the most promising treatment agent on the mechanical behaviour of the crushed rock from Lillby. At best the effect of some treatment agents on
a problematic crushed rock aggregate can be excellent while some other treatment agents seem to have no improving effect at all.
Tekijät ESIPUHE Tampereen teknillisen yliopiston Pohja- ja maarakenteiden laboratorio aloitti Vaasan ja Lapin tiepiirien sekä Roadscanners Oy:n kanssa 1990-luvun puolivälissä sarjan erillisiä tutkimusprojekteja, joissa tarkoituksena on ollut tutkia sitomattomien ja sidottujen kantavan kerroksen murskeiden vuodenaikaiskäyttäytymiseen vaikuttavia mekaanisia, sähkäisiä ja 2001-2002 termodynaamisia tekijöitä. Tutkimusta oli tarkoitus jatkaa vuosina jota jouduttiin kuitenkin sekä sisällöllisesti laajalla yhtenäisellä tutkimuksella, karsimaan että aikataulullisesti venyttämään tutkimusohjelman rahoituksen jäätyä merkittävästi alunperin aiottua pienemmäksi. Tämän tutkimuksen toteutus ei olisi ollut mandollista ilman Tiehallinnon, Tieliikelaitoksen ja Roadscanners Oy:n tukea ja rahoitusta. Lisäksi haluamme kiittää Hämeen tiepiiristä Heikki Koskea, Matti Kylmäkoskea ja Pentti Karhua saamastamme avusta Percoaseman sijoittamisessa Säijään sekä mittausavusta kohteella. VTT:n Pekka Halosta kiitämme lisäksi hyvin hoidetuista mittauksista kevytpäällysteisten teiden koerakenteista. Tämän tiivistetyn yhteenvedon kirjoittamisesta ovat pääosin vastanneet Nuutti Vuorimies ja Pauli Kolisoja Tampereen teknillisen yliopiston Pohja- ja maarakenteiden laboratoriosta yhteistyössä Roadscanners Oy:n Timo Saarenkedon ja Tieliikelaitoksen Hannu Peltoniemen kanssa. Lisäksi Aarno Valkeisenmäki on osallistunut projektin johtoryhmän työskentelyyn antaen arvokkaita kommentteja. Tampereella marraskuussa 2003 Tiehallinto
10 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 Sisältö 1 JOHDANTO 11 2 PERCOASEMAMITTAU KSET KEVYTPÄÄLLYSTE ISTEN TEl DEN KOERAKENTEISTA OTAN IEMESSÄ 2001 12 3 PERCOASEMAMITTAUKSET SAIJASSA 21 4 LILLBYN JA EMETIN KALLIOMURSKEIDEN KOESARJA 26 5 JOHTOPMJÖKSET 32 6 VIITTEET 34
ja Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 11 JOHDANTO I JOHDANTO Tien sitomattomien rakennekerrosmateriaalien dielektrisyysarvon ja materiaalin kuormituskestävyyden sekä muun mekaanisen käyttäytymisen välistä riippuvuutta on tutkittu Suomessa pian vuosikymmenen ajan. Timo Saarenkedon aloittamista tutkimushankkeissa (Saarenketo and Scullion 1995 ja Saarenketo et al. 2000 ja 2001) on kertynyt laajalti tutkimusaineistoa materiaalien Tube Suction -kokeissa mitatuista dielektrisyysarvoista sekä materiaalien yleisestä käyttäytymisestä tien rakennusmateriaaleina. Viime vuosina on myös pyritty mittaamaan minkälaisia muutoksia materiaalin dielektrisyydessä tapahtuu liikenteen ja ympäristöolosuhteiden vaikutuksesta säännöllisin väliajoin tehtävissä pitkäaikaisissa mittauksissa sekä yksittäisen raskaan ajoneuvon ylityksen aikana lyhyt aikaisena jatkuvana mittauksena erityisesti keväällä tien ollessa heikoimmillaan roudan sulamispehmenemisen aikana (Saarenketo 2001 ja Vuorimies et al. 2002). Tämä tutkimusprojektin tarkoituksena oli jatkaa aiempia tutkimuksia lisäten tietoutta kuormitusten ja olosuhteiden vaikutuksesta sekä Percoasemalla tehtävissä mittauksissa että väylämateriaalien laboratoriotutkimuksissa. Tutkimusprojekti jakautui kolmeen selkeästi erilliseen osaan, joita yhdisti väylämateriaaleista mitattavina suureina dielektrisyys ja sähkönjohtavuus. Ensimmäisessä osassa mitattiin Percoasemalla dielektrisyyden ja sähkönjohtavuuden muutoksia kandesta kevytpäällysteisten teiden koerakenteesta, joita kuormitettiin koetiekoneella (HVS). Toisessa osassa Percoasemalla mitattiin lähes vuoden ajan vähäliikenteisen päällystetyn tien ominaisuuksien muutoksia. Viimeisessä osassa tutkittiin hienoaineksen määrän sekä erilaisten käsittelyaineiden vaikutusta kanden erilaisen kalliomurskeen ominaisuuksiin pääosin Tube Suction kokeilla. Tämä selvitys tiivistää kuvapainotteisesti tutkimusprojektin keskeisiä tuloksia havaintoja, jotka on esitelty yksityiskohtaisemmin TTY:n Pohja- ja laboratorion julkaisusarjassa. Lisäksi liitteessä 1 on erittäin maarakenteiden lyhyesti selitetty keskeiset termit dielektrisyys, sähkönjohtavuus, Tube Suction -koe ja Percoasema helpottamaan tämän tiivistetyn raportin lukemista.
VTT:n Tätä esitetty alussa. 12 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 PERCOASEMAMITTAUKSET KEVYTPAALLYSTEISTEN TEIDEN KOERAKENTEISTA OTANIEMESSÄ 2001 2 PERCOASEMAMITTAUKSET KEVYTPAALLYSTEISTEN TEIDEN KOERAKENTEISTA OTANIEMESSÄ 2001 'ITT teki HVS-koetiekoneen avulla tutkimuksia kevytpäällysteisten teiden Otaniemessä loppukesällä ja syksyllä 2001. Kuvassa 1 koerakenteista koerakenteisiin 1 ja 3 asennettiin Tampereen teknillisen esitettyihin yliopiston (TTY) Pohja- ja maarakenteiden laboratorion tutkimuksia varten omaan tutkimukseen liittyvän instrumentoinnin lisäksi kaksi ja sähkänjohtavuutta mittaavaa anturia. Koerakennetta dielektrisyyttä kuormitettiin seuraavilla pyöräkuormilla ja kuormituskertamäärillä: 1. 250 kpl esikuormitus 20 kn pyöräkuormalla 2. 270 kpl alkumittauksia 30, 40 ja 50 kn pyöräkuormilla 3. 5380 kpl 30 kn pyöräkuormalla 4. 5400 kpl 40 kn pyöräkuormalla 5. 3600 kpl 50 kn pyöräkuormalla 6. 1800 kpl 50 kn pyöräkuormalla vedenpinnan ollessa tasolla w2 (kuva 1) 7. 1800 kpl 50 kn pyöräkuormalla vedenpinnan ollessa tasolla w3 (luiskattu rakenne). Kuvissa 2-5 on esitetty koerakenteista mitatut dielektrisyydet, sähkönjohtavuudet, kuormituskerrat ja rakenteisiin muodostuneet ajan suhteen. Koerakenteen 1 kuormitusten yhteydessä urasyvyydet aiheuttama veden lisääntyminen murskekerroksessa näkyi rankkasateen erittäin hyvin kuvan 2 dielektrisyysarvoissa. Luiskatun koerakenteen 3 mitatut dielektrisyydet ja sähkönjohtavuudet poikkesivat sorakerroksesta 1 mitatuista arvoista. Luiskatussa käyttäytymiseltään koerakenteesta koerakenteessa 3 sorakerrokseen syntyi todennäköisesti kuormituksen suuruuden ollessa 40-50 kn. leikkausmuodonmuutoksia puoltaisi dielektrisyyden kohoaminen 29. lokakuuta alkumittausten 40 ja 50 kn aikana sekä erityisesti sähkönjohtavuuden asteittainen kasvu kuormitusten aikana 5.-14. marraskuuta. Koerakenteiden murske- ja soramateriaalille tehtiin TTY:n Pohja- ja maarakenteiden laboratoriossa vuodenaikaisvaihtelua simuloivat sykliset kolmiaksiaalikokeet, joiden aikana näytteeseen upotetusta sondista mitattiin avulla pääasiassa dielektrisyyden muutoksia. Kuvissa 6 ja 7 on Percometrin kuormitusten aikana materiaaleihin syntyneet pysyvät Jäädytys-sulamissykiin jälkeen soramatenaalin pysyvät muodonmuutokset. muodostuivat huomattavan suuriksi jo resilient muodonmuutokset aikana ja näyte murtui nopeasti varsinaisen -moduulimääritysten pitkän kuormitussarjan palautumattomia muodonmuutoksia mittaavan Kuvat 8 ja 9 esittävät soramateriaalista näytteen keskikorkeudelta mitatuissa dielektrisyyksissä tapahtuneita muutoksia pitkän kuormitussarjan aikana.
asteen Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 13 PERCOASEMAMITTAUKSET KEVYTPÄÄLLYSTEISTEN TEIDEN KOERAKENTEISTA OTANIEMESSÄ 2001 2000 4000 Crushed rock 400 mm o W2 0 0 Gravel 200 mm wi V Oayi350mm 4:0 o o 3000 2000 4000 A(flmm Crushed rock 400mm 0 Gravel 200 mm W3 W2 wi V joi I / / \O I loi I ol \ O\ Clay 1350 mm / / I O\, / loi loi \ o\ \ o\ Sand600mm loi I \ 0 \oo c I 0/ I I loi loi 0 3000 'I. Kuva 1. VTT:n Otaniemessä koetiekoneella kuormittamat koerakenteet 1 (ylempi) ja 3 (aiempi), joihin oli asennettu dielektrisyyttä ja (H VS-weekly report 2001). WI, sähkönjohtavuutta mittaavat sondit w2 ja w3 ovat pohjavedenpinnan tavoitetasoja kuormituksen eri vaiheissa. Anturit asennettiin kummassakin koerakenteessa kalliomurskekerroksen puoliväliin 0,25 metrin syvyyteen ja sorakerroksen puolwäliin 0,55 metrin syvyyteen. Anturit asennettiin päällysteen pinnalta 24 asteen kulmassa kalliomurskeeseen ja 45 kulmassa soraan. Sora- ja savikerroksen välissä oli suodatinkan gas.
Tällöin veden 14 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 PERCOASEMAMITTAUKSET KEVYTPAALLYSTEISTEN TEIDEN OTANIEMESSÄ 2001 KOERAKENTEISTA HVS -koerakenne 1,testi 16 E E > a >,.- >, I-..0 40 30 i5 10 - -x- Murske, dielektrisyys å - Sora, dielektrisyys K uorm it us k errat*0. 002 Urasyvyys 51YN 5DcN I: JN_T2jT - LI 15.8.01 18.8.01 21.8.01 24.8.01 27.8.01 30.8.01 2.9.01 5.9.01 Päivä määrä Kuva 2. Koerakenteen I dielektrisyydetja kuormituskerrat kerrottuna 0,002:/la sekä mitatut keskimääräiset urasyvyydet ajan suhteen. Käytetty pyöräkuorma on esitetty kuormituskertojen kohdalla ja w2 tarkoittaa korotettua pohjavedenpinnantasoa. Vedellä kyllästyneestä sora kerro ksesta 0,55 metrin syvyydestä mitattu dielektrisyys pienentyi hitaasti alkutilanteesta, mikä johtunee sora kerro ksen pienestä tiivistymisestä anturin läheisyydessä ja sitä myöten vapaan määrän pienentymisestä. Murskekerroksesta 0,25 metrin syvyydestä mitattu dielektrisyys nousi 28. elokuuta hetkellisesti yli arvon 20, koska rankkasateet nostivat pohjavedenpinnan tason hetkellisesti tarkoitettua korkeammalle (Korkiala-Tanttu et al. 2002). 40 kn kuormituksen aikana muodostui myös hieman suurempia palautumattomia muodonmuutoksia kuin aiemmin 23-24. 40 kn kuormitusten aikana. Murskekerroksen elokuuta tehtyjen dielektrisyys nousi uudestaan korkealle, kun pohjavedenpinta nostettiin tasolle w2. Täten koerakenteessa 1 kuormitus ei vaikuttanut mainittavasti mitattuihin dielektrisyysarvoihin.
Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 15 PERCOASEMAMITTAUKSET KEVYTPAALLYSTEI STEN TEIDEN KOERAKENTEISTA OTANIEMESSÄ 2001 160 M)140 0 0 E120 11 00 > o 80 o F E 60 - - HVS -koerakenne 1, testi 16 Murske, sähkönjohtavuus Sora, sähkönjohtavuus - -x- - Kuormituskerrat*0.005 Urasyvyys I 5OkN w2' I I I I I_ - - _ - - _ I 50TcN 20 I P N 15.8.01 18.8.01 21.8.01 24.8.01 27.8.01 30.8.01 2.9.01 5.9.01 Päivä määrä Kuva 3. Koerakenteen I sähkönjohtavuudet ja kuormituskerrat kerrottuna 0,005:/la sekä mitatut keskimääräiset urasyvyydet ajan suhteen. Käytetty pyöräkuorma on esitetty kuormituskertojen kohdalla ja w2 tarkoittaa korotettua pohjavedenpinnantasoa. Murskekermksen sähkönjohtavuudessa 0,25 metrin syvyydessä näkyi pohjavedenpinnan tason vathtelu saman kaltaisesti kuin dielektrisyysarvoissa. Alkumittausten aikana 16.-i 7.8. sorakerroksen 30 ps/cm sähkönjohtavuus pieneni selkeästi jääden tämän jälkeen paikkeille.
25, ja 16 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 PERCOASEMAMITTAUKSET KEVYTPAALLYSTEISTEN TEIDEN OTANIEMESSÄ 2001 KOERAKENTEISTA HVS -koerakenne 3, testi 18 E E (00 >'0 >-. Murske, dieiektris å Sora, dielektrisyys - - -x- - Kuormituskerrat*0. 002 I Urasyvyys 50 -. - (0 4- (fl'- 20.! 10 0 20kN 50W1 Li 23.10.01 26.10.01 29.10.01 1.11.01 4.11.01 7.11.01 10.11.01 13.11.01 Päivä määrä Kuva 4. Luiskatun koerakenteen 3 dielektrisyydet ja kuormituskerrat kerrottuna 0,002:/la sekä mitat ut keskimääräiset urasyvyydet ajan suhteen. Käytetty pyörä kuorma on esitetty kuormituskertojen kohdalla w2 sekä w3 tarkoittavat korotettuja pohjavedenpinnantasoja. ja Murskekerroksesta mitattu dielektrisyys käyttäytyi hyvin saman kaltaisesti kuin koerakenteesta 1 mitattu dielektrisyys. Sorakerroksessa 0,55 metrin syvyydessä dielektrisyys nousi aivoon kun rakennetta kuormitettiin 30-50 kn pyöräkuormilla 29./okakUuta. Dielektrisyyden nousun selittänee raskaamman kuormituksen yhteydessä tapahtuneet kerroksen muodonmuutokset materiaalien löyhtyminen, jolloin veden volumetrinen osuus on suurentunut kyllästyneessä sorakerroksessa. Kun kuormitusta jatkettiin 30 kn pyöräkuormilla sora kerros tiivistyi uudelleen ja pieneni arvoon 21. dielektrisyys
Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 17 PERCOASEMAMITTAUKSET KEVYTPÄÄLLYSTEISTEN TEIDEN KOERAKENTEISTA OTANIEMESSÄ 2001 160 140 - E 120 1 100 80 HVS -koerakenne 3, testi 18 Murske, sähkönjohtavuui Sora, sähkönjohtamus --*- K uorml tus k errat*0. 005 I Urasyvyys 50k 5OX o EE 60d 0kN' U, ci, > 40 U, CU 30 '3Ok4 _20kN: 5Ok. 23.10. 26.10. 29.10. 1.11. 4.11. 7.11. 10.11. 13.11. Päivämäärä Kuva 5. Koerakenteen 3 sähkönjohtavuudet ja kuormituskerrat kerrottuna 0,005:/la sekä mitatut keskimääräiset urasyvyydet ajan suhteen. on esitetty kuormituskertojen kohdalla ja w2 Kâytetty pyöräkuorma w3 tarkoittavat korotettuja pohja veden pinnantasoja. sekä Sorakerroksessa sähkönjohtavuus oli alussa noin 70 1uS/cm nousten elokuuta 30 50 kn kuormitusten yhteydessä arvoon 110 ps/cm. 29. se pieneni hieman kuormitusten vâlipäivänä ja 30 kn Tämän jälkeen kuormitusten aikana. Myöhempien 40 ja 50 kn kuormitusten ollen toiseksi viimeisen yhteydessä sähkönjohtavuus nousi jälleen kuormituksen (50 kn ja pvp-taso w2) jälkeen 150 ps/cm. Syynä asteittaisen kohoamisen sorakerroksessa 40 ja sâhkönjohtavuuden yhteydessä voisivat olla 50 kn kuormitusten aihe utuvan maa partikkelien välisten leikkausmuodonmuutoksista yhteydessä huokosveteen vapautuvat kolloidit, jotka hankausten nostavat maapartikkelien pinnoilta huokosveteen siirtyessäân mitattua sähkönjohtavuutta. sorakerroksesta
18 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 PERCOASEMAMITTAUKSET KEVYTPAALLYSTEISTEN TEIDEN KOERAKENTEISTA OTANIEMESSÄ 2001.2 1.6 1.4 1.2 SHRP- sarja, HVS -materiaalit I - HVS-murske (imeytetty) HVS-murske (jäädytet - HVS -sora(imeytetty) o HVS -sora (jäädytetty) _J E C 0.8 a3 2lkPa a3 =36kPa 0 E 0.6 Di 0 300 600 900 1200 1500 Kuormituspulssit, kpl Kuva 6. Koerakenteiden soran ja kalliomurskeen resilient-moduulimäöritysten yhteydessä syntyneet pysyvät muodonmuutokset vettä imeytetyillä ja jäädytys-sulamissyklin läpikäyneilä näytteillä. Soranäytteen palautumattomat muodonmuutokset muodostuivat huomattavan suuriksi jäädytys-sulamissykiin jälkeen jo suhteellisen pienillä kuormituspuissin ja sellipaineen suhteila. 0). 2 1.8 1.6 1.4 1.2 7 ---------- HVS-koeraken ne o HVS-sora (300 kpa) -- / -.- HVS-murske (300 kpa) iii - --------------------.f 0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 200 400 600 800 1000 KuormituspuIsen määrä Kuva 7. Koerakenteen materiaaleista pitkässä kuormitussarjassa mitatut pysyvät muodonmuutokset jäädytys-sulamissykiin läpi kâyneillä materiaaleilla. Kuormituspulssin deviatonnen jännitys oli 300 kpa ja vakiosellipaine oli 50 kpa. Murs keen pysyväksi aksiaaliseksi muodonmuutokseksi kertyi 0,4 % 100 000 kuormituspulssin jälkeen.
Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 19 PERCOASEMAMITTAUKSET KEVYTPÄÄLLYSTEISTEN TEIDEN KOERAKENTEISTA OTANIEMESSÄ 2001 0) 12.9 12.8 12.7 12.6 12.5 'fl S 12.4 12.3 6 12.2 12.1 12.0 11.9 Pitkä kuormitussarja, HVS-sora 0 200 400 600 800 1000 Kuormitussyklejä, kpl Kuva 8. Pitkässä kuormitussarjassa soranaytteen keskikorkeudelta mitatut keskimääräiset dielektrisyydet nousivat aluksi muutaman kymmenen aikana kääntyen nopeasti jyrkkään dielektrisyyden kuormituspuissiin pienenemiseen näytteen murtuessa. Kokeen alussa kuormituspuissin ollen tavoitesuuruudessa 300 kpa todellinen arvo kasvoi hitaasti kuormituspulssin jälkeen. TâllÖin näyte pienen neljänkymmenen murtui 300 kpa:n kuormituksella ja näyte löyhtyi tllvistymisen jâlkeen (dilataatio), jolloin ilman suhteellinen osuus tila vuudesta suureni osuuden pienentyessä. veden
20 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 PERCOASEMAMITTAUKSET KEVYTPAALLYSTEISTEN TEIDEN KOERAKENTEISTA OTANIEMESSÄ 2001 12.8 HVS-sora, pitkä kuormitussarja 12.6 -' - - - (fl 12.4 II.' V' '- - -. "S. - - - - - - - (fl 0 12.2 12.0 11.8 11.6 1-10 31-40.61-70 - - - - 91-100 141-150 191-200 0.2 0.4 0.6 0.8 Mittausaika, s Kuva 9. Pitkan kuormitussarjan eri vaiheissa sora sta mitattuja dielektrisyysar'oja. Kuormituspuissien numerot on esitetty selitteessä. Dielektrisyys on mitattu sekunnin kestä ylen kymmenen kuormituspuissin pituisten jaksojen ajalta pitkän kuormitussarjan en vaiheissa. Dielektrisyys pieneni toistokuormituksen aikana yksittäisien kuormituspuissien jopa erottuessa mitatuissa dielektrisyysarvoissa. Viimeisen mitatun kuormituspuissisarjan aikainen suurempi dielektrisyyden vaihtelu voisi johtua naytteen löyhtymisen loppumisesta, jolloin näytteessä veden tila vuussuhteet eivät enää juurikaan muutu. Tällöin vesimolekyylit hakeutuvat tasa painotilaan partikkelien pinnoila osan kiinnittyessä välillä adsorptioveteen ja ollen vâlillä osana vapaata vettä.
0,42 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 21 PERCOASEMAMITTAUKSET SAIJASSA 3 PERCOASEMAMITTAUKSET SAIJASSA Percoasema asennettiin vähäliikenteiselle päällystetylle tielle Tampereen marraskuun lopulla 2001. Percoaseman kohdalla lounaispuolelle matalapenkereinen tie oli peltoaukealla. Kuvassa 10 on esitetty maatutkalla määritetty tien poikkileikkaus Percoaseman antureiden asennuskohdan läheltä. Kuvassa 11 on esitetty tierakenteesta mitatut lämpötilat, joista havaittiin lämpötilan olleen 1,0 metrin syvyydessä pienemmillään 4 C ja +24 C. suurimmillaan Kuvassa 12 on esitetty Percoasemalla mitatut dielektrisyys-, sähkönjohtavuus- ja lämpötila-arvot keväällä 2002 tierakenteen roudan sulaessa. Sorarekalla tehtyjen kuormitusten aikana vähäliikenteisen tien sulaneet kerrokset tiivistyivät ja veden volumetrinen osuus kerroksissa väheni raskaan kuormituksen ajaessa vettä pois rakenteesta. Tätä ilmiötä ei oltu havaittu aiemmin tehdyissä mittauksissa raskaasti kuormitetulla tiellä Rovaniemen Koskenkylän Percoasemalla. Kuvat 13 ja 14 kuvaavat tienrakenteessa tapahtuneita roudan sulamispainumia keväällä 2002 Percoaseman kohdalla. Kuvan 14 perusteella routanousua todetaan tapahtuneen pääosin pohjamaassa sekä myös vanhassa tierakenteessa. Kuvassa 15 on esitetty dielektrisyyden muutokset ensimmäisessä mittauksessa sorarekan ylittäessä anturit. Dielektrisyyden pieneneminen metrin syvyydessä johtui rakenteen tiivistymisestä anturin ympäristössä sekä sorarekan aikaansaamasta veden virtauksesta, joka poisti vettä anturin ympäristöstä. Tiivistyminen on pääosin johtunut marraskuussa 2001 jäätyneeseen tiekerrokseen asennetun anturin jäämisestä löyhään kontaktiin maapartikkelien kanssa. Tämän jälkeisissä mittauksissa ei havaittu selkeitä muutoksia dielektrisyydessä sorarekan ylittäessä mittauskohdan. Päivän kuluessa dielektrisyys pieneni 0,42 metrin syvyydessä arvosta 17 arvoon 15.
22 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 PERCOASEMAMITTAUKSET SAIJASSA 00 2 4 11... Pohjam 12 1.3 1.4-3.0-2.0-1.0 0.0 1.0 2 0 3.0 Kuva 10. Maat utkalla määritetyt tien poikkileikkauksen kerrosrajat Sätjän Percoaseman antureiden lähellä. Vanhan tierakenteen ja jakavan kerroksen välissä oli suodatinkan gas. Anturit asennettiin kanden metrin etäisyydelle tien keskilinjasta 0,26, 0,42, 0,68, 0,78 ja 1,0 metrin syvyyteen tien pinnasta. 0 il 28 24 20 o 16 12 ej : 8 : -J o -4-8 1).O,26m1-0,42m,------------------ O,62m O,78m -- -'- H - ;1-11=L1H 111E1111E 27.11. 25.12. 22.1. 19.2. 19.3. 16.4. 14.5. 11.6. 9.7. 6.8. Kuva 11. Percoasemalla tierakenteesta mitatut lämpötilat Säjässä. Tierakenteen alla pohjamaassa 1,0 metrin syvyydessä lämpötila oli pienimmillään -4 CC ja suurimmillaan +24 CC.
I 60 tn 60 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytym isen tutkimukset 2001-2003 23 PERCOASEMAMITTAUKSET SAIJÄSSA > 28 23-0,26m 1 0,42m 0,62m å.0,78m -1,0m 28.3.-02 44.4.O2 1 /, ---.-- _a, f.', 7.4.02 ;. J 8 - --h - - 3 E 250 200 0,26rn 0,42m 28.3.02 44.O2 0,62 m 0,78 m t17.4.2 > 150 100 -tom :0 ei - :C5 U) 0 15 0 10 I - 0,26 m 0,42 m L 0,62 m 0,78 m r -. - - - - - - 1,Om ---- L, -5 4-6.3. 13.3. 20.3. 27.3. 3.4. 10.4. 17.4. 24.4. Kuva 12. Saijän Percoaseman mittaustulokset tierakenteen roudan sulamisajalta keväällä 2002. Nuo/ilja on merkitty ajankohdat, jolloin sora re kalla ajettiin mittausten yhteydessä edestakaisin mittauskohteen yli. Dielektrisyys pienen! 0,42 ja 0,62 metrin syvyyksissä harp pauksen omaisesti, kun tierakennetta kuormitettiin tonnin perävaunullisella sorarekalla, jolloin kerrokset antureiden kohdalla tiivisty! vät routanousujen jäljiltä. 0,78 metrin syvyydessä anturin ympäristö oli juuri sulamassa kuormitusten aikana, jo/loin siitä ei tapahtunut samankaltaista dielektrisyyden pienenemistä. 0,78 11.4.2002. Pohjamaassa ei viimeisen metrin anturi rikkoutui kuormituksen yhteydessä tapahtunut d!e/ektrisyyden pienenemistä. Sähkönjohtavuudessa tapahtui vastaavat arvojen pienenemiset kuormitusten aikana. Tiessä lämpötilojen vuoro kausivaihtelu oli aurinkoisina päivinä 0,26 metrin syvyydessä noin 5 'C ja 0,62 metrin syvyydessä. lämpötila vaihtelu erottui hyvin jopa
20 24 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 PERCOASEMAMITTAUKSET SAIJASSA 40-2.4.2002 : 30-. 11.42002 -.. - 0 025 0 Kuva 13. Säijän Percoasemalla keväällä 2002 mitatut sulamispainumat Mitat on esitetty millimetreinä ja ko rkeusmuut osten nolla-arvoina on 20. 11.2001. Mittaukset on tehty käytetty ensimmäisiä routamittauksia metrin pituudelta. 70-60 mm routanousuista huolimatta tiehen ei ole syntynyt keskilinjan pituushalkeamaa lukuun ottamatta muita vaurioita sulamispainuman tapahtuessa suhteellisen tasaisesti. (I) 70.. - -- Dielektrisyys...Routanousut 026m I Cl 60 0,42m Dl 0,62m I C2 50 0,78m D2 1 0 m >< 40 - s--- 30 - j 0-6 3. 13.3. 20.3. 27.3. 3.4. 10.4. 174. 24.4 Kuva 14. Säijässä keväällä 2002 mit at ut dielektrisyydet eri syvyyksiltä ja neljästä pisteestä mitatut tien routanousut verrattuna 20.11.2001 mitattuun tasoon. Dielektrisyydet on mitattu näiden pisteiden välistä. Routanousumittausfen ja dielektrisyysarvojen nousun perusteella routanousut ovat syntyneet pääosin pohjamaahan sekä vanhaan tierakenteeseen, joissa dielektrisyysaniot pysyivät korkeina.
Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 25 PERCOASEMAMITTAUKSET SAIJASSA 0.10 Säijä 28.3.2002 0 0.05 0.00-0.05 >, (fl I- 4-. -0.10-0.15-0.20 T ' 5 10 15 20 25 30 35 40 Sorarekan kulkema matka linjalta G-G, m Kuva 15. Sään Percoasemalla mitatut dielektrisyyden muutokset syvyyksiltä 0,26 ja 0,42 m seitsemän akselisen sorarekan ajaessa mittauskohdan ylitse 28.3.2002 nopeudella 5 km/h. Mittaus aloitettiin sorarekan ylittäessä linjan G 8,7 metrin etäisyydellä mittausantureista. Dielektrisyyden pieneneminen 0,42 metrin syvyydessä johtui rakenteen tiivistymisestä anturin ympäristössä sekä sorarekan aikaansaamasta veden virtauksesta, joka poisti vettä anturin ympäristöstä. Tiivistyminen on pääosin johtunut marraskuussa 2001 jäätyneeseen tiekerrokseen asennetun anturin jäämisestä löyhään kontaktlln maa partikkelien kanssa. 0,26 metrin syvyyteen asennettu anturi on hyvin karkeassa kerroksessa. Mittausten alkaessa dielektrisyysarvot olivat 0,26 metrin syvyydessä 5 ja 0,42 metrin syvyydessä 17.
26 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 LILLBYN JA EMETIN KALLIOMURSKEIDEN KOESARJA 4 LILLBYN JA EMETIN KALLIOMURSKEIDEN KOESARJA Happamalla Lillbyn ja emäksisellä Emetin kalliomurskeilla haluttiin tutkia kanden erityyppisen kalliomurskeen hienoaineksen sekä muutamien käsittelyaineiden vaikutusta pääasiassa Tube suction -kokeiden dielektrisyysarvoihin. Lillbyn kalliomurske on luokiteltu käytettäväksi vähäliikenteisien teiden kantavassa kerroksessa ja päällysteessä, joissa se on toiminut toistaiseksi suunnitellusti. Kohtuullisen hyvälaatuisen Emetin kalliomurskeen rakeisuuskäyrä on roikkuva. Emetin kalliomurskeen tiivistämisessä on kuitenkin varottava murskeen hienontumista sekä sen ja graflitin määrää, jotka vähentävät laatua paikoitellen heikentävien kiisujen laajempaa käyttää. Kumpaakin mursketta haluttaisiin käyttää sen laajemmalti. Tube Suction kokeen perusteella sitomattomat murskeet voidaan luokitella sopimattomaksi kantavaan kerrokseen sen dielektrisyysarvon olleessa suurempi kuin 16 sekä kyseenalaiseksi dielektrisyysarvon ollessa 10-16. Tosin Suomessa hyvälaatuisen kantavan kerroksen kalliomurskeen rajana suositellaan dielektrisyysarvoa 9 (Saarenketo 2000). Lillbyn kalliomurskeella kokeiltiin lisäksi tehokkaimman käsittelyaineen vaikutusta vuodenaikaisvaihtelua simuloivassa syklisessä kolmiaksiaalikoesarjassa. Kuvissa 16 ja 17 on esitetty Tube Suction kokeen dielektrisyyskuvaajilla hienoainesmäärän vaikutusta Lillbyn ja Emetin (0-20 mm) kalliomurskeissa. Kalliomurskeet soveltuisivat mittausten perusteella kantavaan kerrokseen ainoastaan hienoainespitoisuuden ollessa riittävän pieni. Kuvissa 18 ja 19 on ja Emetin kalliomurskeisiin. esitetty neljän käsittelyaineen vaikutusta Lillbyn 1,5 % lisäys käsittelyaine D:tä paransi näiden kanden Kokeiden perusteella kalliomurskeen vedenherkkyysongelman. Emetin kalliomurskeella kaksi prosenttia käsittelyainetta B oli myös riittävä määrä parantamaan vedenherkkyysominaisuudet. Muilla käsittelyaineilla käytetyt määrät eivät olleet alentaneet riittävästi Tube Suction kokeissa mitattavaa dielektrisyyttä. Vuodenaikaisvaihtelua simuloivat sykliset kolmiaksiaalikokeet tehtiin Lillbyn kalliomurskeen rakeisuuksilla 0-20 mm ja 0-32 mm sekä 0-20 mm, johon oli lisätty käsittelyainetta 0. Kuvat 20 ja 21 osoittavat selkeästi käsittelyaineen D toimineen tehokkaasti estäen jäädytyssyklin aikana veden ja sitä kautta pysyvien aksiaalisten lisääntymisen näytteessä muodonmuutosten syntymisen jäädytys-sulamissyklin jälkeisissä kuormituksissa. Kokeiden perusteella käsittelyaineet kuten myös murskeen tiivistystapa saattavat vaikuttaa huomattavasti kalliomurskeen tiivistyvyyteen. Tube Suction näytteet tiivistettiin ICT -kiertotiivistimellä, jolloin käsittelyaineella 0 3 kn/m 3 alhaisemmiksi. käsiteltyjen näytteiden kuivatilavuuspainot jäivät noin Kolmiaksiaalikokeiden näytteet tiivistettiin kerroksittain tärytiivistyksellä, jolloin käsittelyaineella D käsitellyn Lillbyn kalliomurskenäytteen kuivatilavuuspaino oli enää 0,5 kn/m 3 pienempi kuin vastaavalla tavalla tiivistetyn käsittelemättömän Lillbyn kalliomurskeen tilavuuspaino.
Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 27 LILLBYN JA EMETIN KALLIOMURSKEIDEN KOESARJA Liliby Hienoaunes _ 22 (fl - -. - - - 216.-.--- 4_..-;-..-- - 4 I P I I 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Aika (vrk) Kuva 16. Lillbyn kalliomurskeen Tube Suction -kokeiden dielektrisyyskuvaajat. Hienoainespitoisuus (<0,063 mm) määritettiin näytteiden yläosasta. Korkeat dielektrisyysariot sekä niiden nopea nousu osoittavat Lilibyn kalliomurskeen olevan altis veden imeytymiselle. Emet...... 2,7%... 02468101214 16 18 Aika (vrk) Kuva 17. Emetin kalliomurskeen Tube Suction -kokeiden die!ektrisyyskuvaajat. Hienoainespitoisuus (<0,063 mm) määritettiin näytteiden yläosasta. Riittävän alhaisella hienoainespitoisuudella Emetin kaiiomurske soveltuu vielä käytettäväksi kantavassa kerroksessa.
28 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 LILLBYN JA EMETIN KALLIOMURSKEIDEN KOESARJA Liliby ja käsittelyaineet 28 22 U) >' >' U). U, 0 16 lo 4 0 2 4 6 8 10 12 14 Aika, vrk Kuva 18. Lillbyn kalliomurs keen Tube Suction -kokeen dielektrisyyskuvaajan vertailu erilaisilla käsittelyaineilla käsiteltyihin näytteisiin. Ainoastaan käsittelyaine D pienensi riittävän tehokkaasti Lilibyn kalliomurskeen vedenherkkyyttä. Muista Tube Suction koenäytteistä poiketen käsittelyaineella 0 käsitellyn näytteen kuivatilavuuspaino, 19,3 kn/m3, jäi selkeästi alhaisemmaksi muiden näytteiden yli 22 knim 3:iin verrattuna.
Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 29 LILLBYN JA EMETIN KALLIOM(JRSKEIDEN KOESARJA Emetja käsittelyaineet 28 22 U, >, >, U, a 16 10 4 0 2 4 6 8 10 12 14 Aika, vrk Kuva 19. Emetin kalliomurskeen Tube Suction -kokeen dielektrisyyskuvaajan vertailu erilaisilla käsittelyaineilla käsiteltyihin näytteisiin. Käsittelyaineet B ja 0 paransivat riittävästi Emetin kalliomurskeen ominaisuuksia Tube Suction -ko keen perusteella. Myös Emetin kalliomurskeella käsittelyainetta 0 sisältäneen näytteen kuivatilavuuspaino, 19,9 kn/m 3, jäi selkeästi alhaisemmaksi muiden näytteiden yli 22 kn/m3:iin verrattuna. Suositusmäärään nähden kaksinkertainen määrä käsittelyainetta C (kuvaaja C*2) ei vielä vähentänyt riittävästi Emetin vedenherkkyysominaisuutta.
30 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 LILLBYN JA EMETIN KALLIOMURSKEIDEN KOESARJA 2 1.8 1.6 1.4 o (5. (5= (5= E 1 (SC :(5 0 >. > 0 0.6 LiIIby,SHRP P46 ELiIIby 0-20 mm (imeytetty) LilIby 0-20 mm (jäädytys-sulatus) - LilIby 0-32 mm (imeytetty) o LilIby 0-32 mm (jäädytys -sulatus) - LilIby 0-20 mm + D ((imeytetty) - o LilIby 0-20 mm + 0 (jäädytys -sulatus) a3 =2 1 kpa =36kPa _=69kPa I 0.4 0.2 0 -'--.-1 0 300 600 900 1200 1500 Kuormituspuissien määrä Kuva 20. SHRP P46:n (AASHTO 1992) mukaisten resilient - moduulimääritysten yhteydessä näytteistä mitatut palautumattomat muodonmuutokset imeytyksen ja jäädytys-sulamissykiin jälkeen. Ennen jäädytyssykliä näytteisiln ei ollut syntynyt juurikaan pysyviä muodonmuutoksia. Käsittelyaine D esti jäädytyksen aikana vesipitoisuuden kasvun, jolloin näytteen sulamisen jälkeen tehdyssä kuormituksessa siinä ei havaittu myöskään pysyviä muodonmuutoksia. Rakeisuudeltaan karkeammassa Lillbyn näytteessä pysyvät muodonmuutokset olivat odotetusti pienemmät kuin 0-20 mm rakeisuudella. Silti Lillbyn 0-32 mm näytteen pysyvät muodonmuutokset olivat liian suuria kokeessa käyttäviin kuormituspulssien ja sellipaineiden suhteisiin nähden. Näytteiden kuivatilavuuspainot olwat käsittelemättömällä murskeilla noin 21,5 kn/m3 ja käsittelyaineella D käsitellyllä murskeella 20,9 knim3.
Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 31 LILLBYN JA EMETIN KALLIOMURSKEIDEN KOESARJA C 0 C U) :C5 > >' U) > 0 0) 0 E C 0 0 2 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Liliby 20mm?L I -' ------- -1 -------- I- ------- 4 ------- o _o - -... - - _ I LilIby 0-20 mm + D (355 kpa) 0 20000 40000 60000 80000 100000 Kuormituspuissien määrä Kuva 21. Jäädytys-sulamissyklin jälkeisten resilient moduulimääritysten jälkeen tehdyistä pitkistä kuormitussarjoista mitatut palautumattomat muodonmuutokset. Kuormitussarjoissa sellipaine oli 50 kpa ja kuormituspuissin keskimääräinen deviatorinen jännitys on esitetty suluissa näytteen nimen jälkeen. Käsittelyaineelia D käsitelty Lillbyn kesti erinomaisesti pitkässä kuormitussarjassa. 0-20 mm kalliomurske Käsittelemätön Lillbyn 0-20 mm näyte murtui lopullisesti heti kuormituksen alkaessa. Karkeampi Lillbyn 0-32 mm kalliomurske ei murtunut kuormituksessa, mutta 100 000 kuormituspulssin aikana näytteeseen muodostui huomattavat pysyvät aksiaaliset muodonmuutokset.
32 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 JOHTOPÄÄTÖKSET 5 JOHTOPÄÄTÖKSET Kevytpäällysteisten teiden tutkimusohjelman koetiekonekuormitusten yhteydessä luiskatun koerakenteen 3 sorakerroksesta mitattujen dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusarvojen pitkäaikainen käyttäytyminen poikkesi selkeästi luiskaamattoman koerakenteen 1 mittaustuloksista. Koerakenteen 3 jakavan kerroksesta sorasta mitatut arvot voisivat indikoida sitä, että 40-50 kn pyöräkuormilla tehdyistä kuormituksista aiheutui leikkausmuodonmuutoksia sorakerrokseen. Tätä on tukenut erityisesti sähkönjohtavuuden kasvaminen aina 40-50 kn pyöräkuormilla tehtyjen kuormitusten aikana, jolloin sorakerroksessa syntyneet leikkausmuodonmuutokset lienevät aiheuttaneet maapartikkelien välisen hankauksen vaikutuksesta maapartikkelien pinnoilta irtautuvien kolloidien määrän lisääntymistä huokosvedessä. Vuodenaikaisvaihtelua simuloivassa syklisessä kolmiaksiaalikokeessa kevytpäällystetutkimuksen koerakenteiden soraan muodostui suhteellisen suuret pysyvät muodonmuutokset jo jäädytys-sulamissyklin jälkeisen -moduulimäärityksen aikana soran kyllästysasteen ollessa korkea. resilient Pitkässä kuormituspulssisarjassa soranäytteen dielektrisyys kasvoi ensin muutaman kymmenen kuormituspulssin ajan, jonka jälkeen dielektrisyys pieneni nopeasti näytteen murtuessa. Kyseinen dielektrisyyden nousu ja nopea pieneneminen lienee johtunut pääasiassa näytteen murtumisen yhteydessä aluksi tapahtuvasta vähäisestä tiivistymisestä ja sen jälkeisestä dilataatiosta, mikä vahvistaa aiempia havaintoja dielektnsyyden käyttäytymisestä näytteen murtuessa. Ensimmäistä kertaa laboratoriokokeessa pitkän kuormituspulssisarjan mittauksissa kuitenkin erottuivat yksittäiset kuormituspuissit myös mitatuissa dielektrisyysarvoissa. Säijässä Percoaseman kohdalla tierakenne vaikutti toimivan riittävän hyvin suhteessa tiellä kulkevaan liikennemäärään ja -jakautumaan. M ittausten perusteella tierakenteen mandolliset ongelmat näyttäisivät johtuvan pohjamaan ja vanhan tierakenteen alaosan routanousuista. Säijän Percoasemalla tehdyissä mittauksissa tierakenteen tiivistymisen vaikutus roudan sulamispainuman aikana antureiden ympäristössä näkyi dielektrisyys- ja sähkönjohtavuusarvojen selkeänä pienenemisenä sorarekan kuormittaessa tierakennetta, mitä ei oltu aiemmin Koskenkylän Percoasemalla tehdyissä mittauksissa havaittu. Säijässä tierakenteesta mitatuista lämpötiloista huomattiin vuorokautisen lämpötilavaihtelun olevan aurinkoisina päivinä huomattavan suurta vaihtelun ollessa 0,42 metrin syvyydellä vielä 2-3 C. Huomattavaa oli myös, että lämpimänä kesänä yhden metrin syvyydessä peltoaukealla sijaitsevan tien lämpötila nousi korkeaksi ollen jopa 20-24 LIC yli alla pohjamaan kuukauden ajan. Lillbyn ja Emetin kalliomurskeiden laboratoriotutkimus osoitti selvästi käsittelyaineissa olevan potentiaalin parantaa heikkolaatuisten murskeiden ominaisuuksia. Samalla paljastui kuitenkin se, etteivät kaikki käsittelyaineet täytä odotuksia tai että ne soveltuvat mandollisesti vain tietyille materiaaleille. Vuodenaikaisvaihtelua simuloivan syklisen kolmiaksiaalikoesarjan perusteella karkeampi rakeisuus ei poistanut ongelmallisen Lillbyn
sen Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 33 JOHTOPAATÖKSET kalliomurskeen routanousua ja huomattavien palautumattomien muodonmuutoksien syntymistä vaikkakin selkeästi pienensi niitä. Käsittelyaineen 0 lisääminen Lillbyn hienorakeisempaan kalliomurskeeseen sijaan esti routanousun ja palautumattomien muodonmuutosten syntymisen näytteeseen. Koesarjan tulos tuki osaltaan aikaisemmin saatuja kantavan kerroksen murskeelle asetettuja dielektrisyyden raja-arvoja
34 Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 VIITTEET 6 VIITTEET AASHTO T 294-92 I. 1992. Interim method of test for resilient modulus of unbound granular base/subbase materials and subgrade soils - SHRP protocol P46. American Association of State Highway and Transportation Officials. HVS-weekly report. 2001. Excel-sheets send by Pekka Halonen. Korkiala-Tanttu, L., Jauhiainen, P., Halonen, P., Laaksonen, R., Juvankoski, M., Kangas, H., ja Sikiä, J. 2002. Luiskatun tierakenteen urautuminen. Helsinki 2002. Tiehallinnon selvityksiä 33/2002. 65 s. + liitt. (luonnos) Saarenketo 2000. Tube Suction Test - Sitomattomilla murskeilla rengastestien tulokset. Tielaitos, Lapin tiepiiri. Tielaitoksen suoritettujen 20/2000. 33 s + liitt. selvityksiä Saarenketo, Timo 2001. Percoaseman tutkimukset 1999-2001 Mt 9241 Koskekylä, Rovaniemen maalaiskunta. Tutkimusraportti. Roadscanners, 57s + 4 lutes. Saarenketo, Timo and Scullion, Tom 1995. Using Electrical Poperties to Classify the Strength properties of Base Course Aggregates. Research Report 1341-2. Texas Transport Institute, College station, Texas. Saarenketo, T., Kolisoja, P., Vuonmies, N., Yliheikkilä, T. ja Ylitapio, S. 2000. Kantavan kerroksen murskeen imupaine- ja osat I ja II. Tampereen teknillinen muodonmuutosominaisuudet: korkeakoulu, Geotekniikan laboratorio, Julkaisu 51. 71 s. + 37 lutes, ja 42 s. +20 lutes. Saarenketo, Kolisoja, Vuorimies ja Ylitapio, 2001. Kantavan kerroksen ja muodonmuutosominaisuudet. Tiehallinto, Helsinki. murskeen imupaine- Tiehallinnon selvityksiä 9/2001. 20 s. Vuorimies, N., Kolisoja, P. ja Saarenketo, T. 2002. Rovaniemen Koskenkylän Percoaseman tutkimukset 2001. Tiehallinto, Lapintiepiiri. Tiehallinnon selvityksiä 9/2002.
10, Väylämateriaalien vuodenaikaiskäyttäytymisen tutkimukset 2001-2003 Lute I KÄSITTEITÄ Dielektrisyys Dielektrisyysarvo on materiaalin kompleksisen dielektrisen permittiviteetin suhde tyhjiön dielektriseen permittiviteettiin. Dielektrisyysarvon reaaliosa voi vaihdella ilman arvosta yksi vapaan polaarisen veden arvoon 81. Käytännön mittauksissa dielektrisyys kuvaa materiaalin huokostilassa olevan vapaan volymetristä määrää. veden Sähkönjohtavuus Materiaalien sähkönjohtavuus on elektronien ja ionien vapaata liikettä tai rajoitettua siirtymistä. Sähkönjohtavuus maamateriaalissa mittaa lähinnä huokosvedessä olevien liuenneiden suolojen tai hiukkasten eli kolloidien määrä, jotka pääosin siirtävät sähköistä varausta kiinteän maan omatessa useimmiten huonon sähkönjohtavuuden. Tube Suction koe (TS -koe) Tube Suction kokeella testataan laboratoriossa materiaalin vedenherkkyysominaisuutta. Varsinaisessa mittauksessa putkessa oleva korkea kuiva näyte asetetaan pohjaltaan 10 mm tislattuun tai 180-200 mm veteen. Näytteen yläpinnasta mitataan pinta-anturilla deior,isoituun dielektrisyyttä ja sähkönjohtavuutta tietyin aikavälein. Testin loppuvaiheessa mitattujen dielektrisyysarvojen perusteella voidaan kantavan kerroksen sitomattomat murskeet luokitella hyvälaatuiseksi dielektrisyyden ollessa alle kyseenalaiseksi dielektrisyyden ollessa 10-16 ja sekä sopimattomaksi dielektrisyyden ollessa yli 16. Suomessa myös dielektrisyysarvoa 9 on raja-arvona hyvälaatuiselle sitomattomalle kantavan kerroksen käytetty murskeelle (Saarenketo 2000). Percoasema Percoasema on reaaliaikainen tierakenteiden kosteus- ja kantavuustilaa seuraava mittausjärjestelmä. Percoasemalla mitataan halutuilla aikaväleillä tien rakennekerroksiin asennetuista antureista dielektrisyyttä, sähkönjohtavuutta ja lämpötilaa. Percoaseman mittausten avulla voidaan muun muassa optimoida painorajoitusten asettamisen poistamisen ajankohtia.
ISSN 1457-9871 ISBN 951-803-191-6 TIEH 3200852