TIERAKENTEEN ROUTAMITOITUS

TIEN POHJA- JA PÄÄLLYSRAKENTEET TUTKIMUSOHJELMA 1994-2001 Menetelmäkuvaus TPPT 18 Espoo, 3.12.2001 TIERAKENTEEN ROUTAMITOITUS Seppo Saarelainen VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikka

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 Tierakenteen routamitoitus menetelmäkuvauksen on laatineet Seppo Saarelainen ja Harri Kivikoski VTT Rakennus- ja yhdyskuntatekniikasta. Menetelmäkuvauksen sisältö on käyty läpi yhdessä tielaitoksen asiantuntijoiden kanssa. Espoo, joulukuussa 2001 Markku Tammirinne

2 Merkinnät a kerroin, MPa -1 d e eristyspaksuus, m E materiaalimoduuli, MPa F pakkasmäärä, Kh, h C F n kerran n:ssä vuodessa toistuva suurin pakkasmäärä, Kh, h C F 10 kerran 10 vuodessa toistuva suurin pakkasmäärä, Kh, h C F -n kerran n:ssä vuodessa toistuva pienin pakkasmäärä, Kh, h C h routanousu, mm h 0 huokosveden jäätymisestä syntyvä routanousu, mm k kerroin ( z = k F ), mm/ Kh L jäätymisvastus, Wh/m 3 L w veden jäätymisvastus, 93000 Wh/m 3 m r vaadittava routaeristeen lämmönvastus, m 2 K/W q lämpövirta, W/(m 2 h) R i jäätyneen maakerroksen I lämmönvastus, m 2 K/W S a savipitoisuus, % SP routimiskerroin (segregaatiopotentiaali), mm 2 /Kh T lämpötila, K, C T a vuoden keskilämpötila (ilma), C T p tienpinnan lämpötila, C T - tienpinnan ja routarajan välinen lämpötilaero, C T f huokosveden jäätymislämpötila, C w vesipitoisuus, paino-% w u sulan maan vesipitoisuus, paino-% w vol tilavuusvesipitoisuus, til-% z roudan syvyys, mm z* tehokas roudan syvyys, mm z o routimattoman rakenteen paksuus, mm ε f routanoususuhde γ maan tilavuuspaino, kn/m 3 λ lämmönjohtavuus, W/Km λ mit mitoituslämmönjohtavuus, W/Km ρ d kuivatiheys, t/m 3 σ pystyjännitys routarajalla (=γz), MPa

3 Sisältö 1 JOHDANTO... 4 2 ROUTAMITOITUS... 5 3 PAKKASMÄÄRÄ JA SEN TOISTUVUUS... 6 3.1 Pakkasmäärän määrittäminen... 6 3.2 Pakkasmäärän toistuminen... 6 4 ROUTIMISKERTOIMEN MÄÄRITTÄMINEN... 7 4.1 Routanousuun vaikuttavat tekijät... 7 4.2 Pohjamaan routimiskertoimen määrittäminen routanousuhavaintojen perusteella... 7 4.3 Routimiskertoimen määrittäminen näytteistä laboratoriossa... 8 4.4 Routimiskertoimen arviointi luokitusominaisuuksien perusteella... 8 4.5 Routimiskertoimen arvioinnin tarkkuus... 9 5 PÄÄLLYSRAKENTEEN ROUTAMITOITUS ROUTANOUSUN PERUSTEELLA10 5.1 Routanousun määritys... 10 5.2 Yksinkertainen menetelmä... 10 5.3 Routasuojaus routimattomasta kivennäismaasta... 11 5.4 Routaeristerakenteen mitoitus... 15 6 SALLITTU ROUTANOUSU... 20 7 ROUTAERISTEMATERIAALIEN OMINAISUUDET... 23 7.1 Routasuojauksen toteutusvaihtoehdot... 23 7.2 Routaeristerakenteen vaatimukset... 23 7.3 Routaeristemateriaalien mekaaniset ominaisuudet... 25 7.4 Routaeristeiden mitoituslämmönjohtavuus ja paksuuden määrittäminen.. 26 7.5 Muut keinot routavaurioiden ehkäisemiseksi... 30 8 ROUTASUOJATUN RAKENTEEN SUUNNITTELU... 30 8.1 Kivennäismaarakenne... 30 8.2 Maalaatikkorakenne... 30 8.3 Routaeristetty rakenne... 31 9 MITOITUSESIMERKIT... 32 10 KIRJALLISUUTTA... 37 LIITE 1: ROUTANOUSUN LASKENTAMALLI, SSR-MALLI... 1

4 1 JOHDANTO Routivilla pohjamailla teiden päällysteiden vaurioriski on routimisen takia suuri. Routavaurioituneen rakenteen parantamisen yhteydessä päällysteen korjaus pelkästään uudelleen päällystämällä ei ole tarkoituksenmukaista, vaan myös rakenteen routakestävyyttä on tarpeen parantaa. Routavauriot johtuvat ylisuuresta ja epätasaisesta routanoususta, joita voidaan pienentää routasuojauksella. Routasuojaus suunnitellaan paikallisten pohjasuhteiden ja ilmasto-olojen mukaan. Nämä lähtötiedot on selvitettävä paikallisin tutkimuksin. Routasuojaus tehdään perinteisesti routimattomasta luonnon kiviaineksesta (sora, hiekka, murske). Näiden saatavuuden vähetessä on tarpeen selvittää myös muiden paikallisten materiaalien käyttökelpoisuutta. Tällaisia materiaaleja ovat mm. erilaiset teollisuuden sivutuotteet, esimerkiksi masuunihiekka. Korjauksissa voi olla edullista myös routaeristyslevyjen käyttö. Tässä raportissa esitettyjen periaatteiden mukaan voidaan tietyllä routanousutasolla arvioida tierakenteen routasuojaustarvetta paikallisten pohjasuhteiden ja ilmasto-olojen perusteella (kuva 1). Routanousun perusteella voidaan edelleen arvioida päällysteen ja/tai rakenteen vaurioitumisriskiä sekä pinnan epätasaisuuden toistumista. Tarkastelu soveltuu sekä vanhan rakenteen routavaurioiden korjauksen että uusien rakenteiden routasuojauksen suunnitteluun ja mitoitukseen. Routasuojauksen suunnittelun tavoitteena on varmistaa, että routivilla pohjamailla tien pinnan routanousu on riittävän tasainen, ja että vaurioittavan routanousun todennäköisyys ja että epätasaisuuden suuruus ja toistuvuus ovat hallinnassa. Tällöin on mahdollista arvioida vaurioitumisen ja korjaustarpeen riskiä vuositasolla ja liittää rakenteen laatutason vaikutus elinkaarikustannuksiin sekä rakentamis- että ylläpitokustannusten osalta (TPPT raportti 45 "Routanousuvaurioriskin arviointi") Havaintotalven pakkasmäärä Mitoitusilmasto Routimiskerroin (kenttä) Routanousuvaaitukset ja roudan syvyyshavainnot kentällä Rakenteet -suunnitelma - tutkimukset Pohjatutkimukset Jako homogeenisiin. osuuksiin Routanousukoe laboratoriossa Routimiskerroin (mitoitus) Routimiskerroin (laboratorio) Routasuojauksen mitoitus Sallittu routanousu Rakenteen suunnittelu Materiaaliominaisuudet Luokitusominaisuudet Routimiskerroin (arvio) Kuva 1. Tierakenteen routamitoitus, tehtävät ja niiden väliset suhteet. Tässä TPPT-suunnittelujärjestelmän routamitoitusohjeessa käytetään segregaatiopotentiaaliteoriaa. Raportissa kuvataan erilaisia tapoja, joilla routanousu voidaan määrittää tai likimäärin arvioida em. teorian pohjalta. Muitakin lähestymistapoja on esitetty ja myös käytetty käytännön mitoituksessa. Ne ovat toissijaisina käyttökelpoisia, jos riittävät lähtötiedot on saatavilla ja ongelman luonne edellyttää tässä raportissa esitetystä menettelystä poikkeavaa tarkastelua.

5 2 ROUTAMITOITUS Routamitoituksessa lasketaan mitoitustalven pakkasmäärää käyttäen tien pinnan routanousu suunnitellulle rakenneratkaisulle. Tienpinnan routanousun laskentaa varten tarvitaan tiedot mm. pohjamaan routanousuominaisuuksista ja lämpöteknisistä ominaisuuksista sekä tierakenteen routimattomien kerrosten paksuuksista ja lämpöteknisistä ominaisuuksista. TPPT-suunnittelujärjestelmän routamitoituksessa pohjamaan ja alusrakenteen routanousuominaisuuksia kuvaataan routimiskertoimella (SP, segregaatiopontentiaali). Routamitoitusta varten suunniteltava tielinja jaetaan tasalaatuisiin osa-alueisiin, joille kullekin arvioidaan routimiskerroin. Jako tasalaatuisiin alueisiin tehdään käyttäen hyväksi alueen tai tielinjan geologiatietoja, kartta-aineistoa, ilmakuvia ja pohjatutkimustietoja. Pengerosuuksia varten tarvitaan vastaavat tiedot pengermateriaalin ottopaikoilta. Jako tehdään pohjamaan ja alusrakenteen savipitoisuuden mukaan käyttäen hyväksi rakeisuustietoja sekä savipitoisuus-routimiskerroin vuorosuhdetta. Tien keskilinjalle laskettua routanousua verrataan ko. tielle ja tierakenteelle sallittavaan routanousuun, joka määräytyy joko rakenteellisen kestävyyden tai ajomukavuuden perusteella (TPPT Raportti "Tien pohja- ja päällysrakenteet -tutkimusohjelma. TPPT-suunnittelujärjestelmän kuvaus"). Routakestävyydeltään lähes samanarvoisiksi mitoitetuille rakenteille tehdään lopuksi riskikustannusanalyysi (TPPT raportti 45 "Routanousuvaurioriskin arviointi"). Kun tunnetaan vertailtavien rakenteiden tyypilliset vaurioitumistavat ja niiden korjauskustannukset voidaan kustannustarkastelu tehdä myös hyvin erilaisen kestoiän omaaville rakenteille. Routamitoituksen lähtötiedot Taulukossa 1 on esitetty uusille rakenteille ja rakenteen parantamistapauksessa routamitoituksessa tarvittavat parametrit ja niiden määritysmenetelmät laboratoriossa ja kentällä. Taulukko 1. Rakenteen routamitoitusparametrien määritysmenetelmät laboratoriossa ja kentällä. Parametri Määritys- tai arviointitapa Menetelmäkuvaus Pakkasmäärä F Pakkasmäärän F suuruus ja kertymän arvioiminen (kartta, diagrammi) TPPT 4 Vuoden keskilämpötila T m Vuoden keskilämpötilan suuruus (kartta) TPPT 4 Rakennemateriaalien kuivatilavuuspainot γ d Pohjamaan kuivatilavuuspaino γ d Rakennemateriaalien vesipitoisuus w Pohjamaan vesipitoisuus w Taulukkoarvo tai Proctor-koe (95 % maksimiarvosta) Taulukkoarvo tai radiometrinen luotaus (pistekoht.) tai arvio kyllästetyn tilan vesipitoisuuden perusteella Taulukkoarvo tai näytteenotto ja vesipitoisuusmääritys laboratoriossa tai radiometrinen mittaus (pistekoht.) tai TDRmittaus (pistekoht.) Taulukkoarvo tai näytteenotto ja vesipitoisuusmääritys laboratoriossa tai sähköinen maavastusluotaus (jatkuva) tai radiometrinen luotaus (pistekohtaisesti) tai TPPT 10 TPPT 10 TPPT 13 TPPT 9 GLO-85 TPPT 10

6 Parametri Määritys- tai arviointitapa Menetelmäkuvaus TDR (pistekohtaisesti) TPPT 13 Pohjamaan savipitoisuus Rakennemateriaalien ja pohjamaan jäätymislämmöt L Rakennemateriaalien ja pohjamaan lämmönjohtavuudet sulana λ u ja jäätyneenä λ f Näytteenotto ja rakeisuusmääritys laboratoriossa L = w γ d l ( Wh/m 3 ), jossa l on veden jäätymislämpö l = 93 Wh/kg Taulukkoarvot tai määritys lämmönjohtosondilla tai arvio maalajin, kuivatiheyden ja vesipitoisuuden perusteella Routimiskerroin SP (pistekoht.) Routanousukoe (pistekohtaisesti) tai arviointi savipitoisuustiedon perusteella (pistekohtaisesti). Routimiskerroin SP (jatkuva) Takaisinlaskentamenetelmä GLO-85: Geotekniset laboratoriohjeet, Suomen geoteknillinen yhdistys r.y. 1985 TPPT 13 GLO-85 TPPT 8 TPPT 6 TPPT 7 - - Taulukossa 2 on esitetty parannettaville rakenteille pohjamaan routimiskertoimen SP määritykseen tarvittavat parametrit ja niiden määritysmenetelmät kentällä. Taulukko 2. Pohjamaan routimiskertoimen SP määritykseen (takaisinlaskentaan) parannettaville rakenteille tarvittavat parametrit ja niiden määritysmenetelmät kentällä. Parametri Määritys- tai arviointitapa Menetelmäkuvaus Pakkasmäärä F Pakkasmäärän kertyminen TPPT 4 havaintotalvena Routimattomien rakennekerrosten paksuus, H 0 Routanousu, h Roudan syvyys, z Maatutkaluotaus ja kalibrointi koekuoppa- tai autokairatutkimuksin tai vakiopaksuusotaksuma Vaaitus keväällä maksimiroudan aikaan ja kesällä tai satelliittipaikannuksella GPS kevät GPS kesä Metyleenisinimittari tai lämpötilamittaus tai arviointi havaintotalven pakkasmäärän perusteella TPPT 13 TPPT 14 TPPT 5 3 PAKKASMÄÄRÄ JA SEN TOISTUVUUS 3.1 Pakkasmäärän määrittäminen Talven pakkasmäärä F lasketaan ilman vuorokautisista keskilämpötiloista. Määritys tehdään Menetelmäkuvauksen TPPT 4 /7/ mukaisesti. 3.2 Pakkasmäärän toistuminen Mitoitustalven pakkasmääränä käytetään paikkakunnalla tai seudulla kerran 10 vuodessa toteutuvaa pakkasmäärää. Mitotuspakkasmäärä voidaan määrittää myös elinkaaritarkastelun pohjalta, jolloin mitoitustaso valitaan minimoimalla arvioidut vuotuiset investointi- ja vauriokustannukset kohteen elinkaaren aikana. Vuotuinen vauriokustannus arvioidaan määrit-

7 tämällä vaurion todennäköisyys sen toistuvuuden perusteella ja kertomalla vauriotodennäköisyys vauriokustannuksella (korjauskustannus ja arvonalennus). Investointikustannus lasketaan routamitoituksesta riippuvana routasuojauksen rakentamiskustannuksena (TPPT Raportti 45 Routanousuvaurioriskin arviointi). Molemmista määritetään vuosikustannus erilaisilla pakkasmäärän toistuvuuksilla, ja mitoitustoistuvuus valitaan sellaiseksi, että vuosikustannusten summa on pienin. 4 ROUTIMISKERTOIMEN MÄÄRITTÄMINEN 4.1 Routanousuun vaikuttavat tekijät Pohjamaan routivuutta kuvataan perinteisesti maalajin routivuuden perusteella. Maalajin routivuutta arvioidaan ensi sijaisesti sen rakeisuuden perusteella. Arviointiperusteena voidaan käyttää lisäksi myös kapillaarisuutta. Epäsuorat, luokittelevat pohjamaan routivuuden määritykset kuvaavat yleensä vain routanousuriskiä. Routivaksi luokiteltu maalaji voi jäätyessään paisua, jos vettä jäätyvään materiaaliin on riittävästi saatavilla. Routivuus tällä tavoin määritettynä ei kuvaa routimisen voimakkuutta eikä routanousun suuruutta. Routanousuun vaikuttaa talven ankaruus, jota kuvataan pakkasmäärällä sekä paikalliset olosuhteet, kuten routiva maalaji, kuivatusolosuhteet, rakenteen paino ja routasuojaustaso (routimattoman rakenteen lämmöneristyskyky). Routanousu on verrannollinen myös routaantuneen, routivan maakerroksen paksuuteen. 4.2 Pohjamaan routimiskertoimen määrittäminen routanousuhavaintojen perusteella Maarakenteiden routamitoitus routanousun mukaan edellyttää pohjamaan routimisominaisuuksien tuntemista ja määrittämistä. Yhtenä vaihtoehtona on routanousun (ja roudan syvyyden) mittaaminen suunniteltavassa kohteessa. Routimiskerroin voidaan arvioida kohdehavainnoista, kun routanousu, roudan syvyys, pakkasmäärä ja pohjamaan ominaisuudet ovat tunnettuja. Routimiskertoimen määritys eri tavoin kohteen routanousuhavainnoista tai pohjamaan luokitusominaisuuksista on esitetty Menetelmäkuvauksessa TPPT 7 /16/. Routimiskertoimen määrittäminen routanousuhavainnoista on kuitenkin epätarkkaa, koska eri osatekijöiden tiedot ovat yleensä epätarkkoja. Routimiskertoimen takaisinlaskennassa tarvitaan tietoja routanoususta, pakkasmäärästä tai roudan syvyydestä ja pohjamaan tilavuusvesipitoisuudesta. Jos roudan syvyys on pieni, jolloin routanousukin on suhteellisen pieni, on lasketun routimiskertoimen suhteellinen virhe suurimmillaan. Taaksepäin arvioinnissa (takaisinlaskennassa) virhe on pienimmilläänkin noin 1 mm 2 /Kh, vaikka laskenta perustuisi tarkkavaaitukseen, roudan syvyyden mittaukseen ja rakenteen paksuuden määritykseen koekuopasta. Jos päällysrakenteen paksuus ja roudan syvyys ovat arvioituja (virhe esimerkiksi 200 mm, kuva 2), niin routimiskertoimen virhe on noin 1,5-2 mm 2 /Kh. Routineen pohjamaan paksuuden arviointi on luotettavampaa, jos roudan syvyys havaintoaikana pohjamaassa on suuri. Jos roudan syvyyttä ei mitata, olisi laskennallisen roudan syvyyden pohjamaassa oltava vähintään 0,5 metriä, jolloin routimiskertoimen yksittäisen arvon virhe olisi edellä mainittu 1,5-2 mm 2 /Kh. Jos samalta tieosalta on useita havaintoja ja mitoituksen pohjaksi otetaan osuuden routanousun edustava ylälikiarvo, virhe

8 pienenee. Samoin tulos on luotettavampi, jos havaintojen tukena on lisäksi pohjamaan rakeisuustietoja, routanousukoetuloksia tms. TPPT-koeteiden mitattuja roudansyvyyksiä ja pakkasmäärän avulla laskettuja roudansyvyyksiä Laskettu roudan syvyys, m 3000 2500 2000 1500 0 500 Havaintoaineistossa routa on tunkeutunut tien päällysrakenteen läpi pohjamaahan asti. Laskennassa keskimääräisenä k-kertoimena on noin 11.8 y = 1,0113x - 90,045 R 2 = 0,8134 500 0 1500 2000 2500 3000 Mitattu roudan syvyys, mm Kuva 2. Pakkasmäärän perusteella lasketun ja vastaavassa kohdassa mitatun roudan syvyyden vuorosuhde TPPT-havaintokohteissa ja koerakenteilla. Lasketun roudan syvyyden epätarkkuus oli noin ±300 mm. Roudan syvyyskerroin k = 11,8. Kun routanousuvaaitus on tehty, routimiskertoimen määrityksessä käytettävä routanousu tulisi valita niin, että erotetun homogeenisen osuuden keskimääräiseen routanousuun lisätään osuudella tehtyjen routanousuhavaintojen keskipoikkeama. Tällöin on edelleen mahdollista, että ylittäviä arvoja on teoriassa 10-15 %. Koesuunnittelun kokemusten mukaan menettely johtaa siihen, että mitoitusarvo on lähes sama kuin osuudella havaittu suurin routanousu. 4.3 Routimiskertoimen määrittäminen näytteistä laboratoriossa Pohjamaan routimiskerroin SP tai routanoususuhde routineessa pohjamaassa voidaan likimäärin arvioida esimerkiksi maalajin savipitoisuuden mukaan tai ne voidaan määrittää pohjamaanäytteillä tehtyjen routanousukokeiden avulla. Tutkittujen näytteiden tulisi olla koko routivaa maakerrosta edustavia. Kun luonnontilaisen pohjamaan routimiskerroin määritetään routanousukokeella, on tuloksen luotettavuuden parantamiseksi suositeltavaa käyttää häiriintymättömiä näytteitä. Häiriintymättömiä näytteitä voidaan ottaa sulasta savesta ja siltistä putkiottimella tai jäätyneestä savesta, siltistä ja kivettömästä hiekasta routaporalla (Menetelmäkuvaus TPPT 13). Routanousukoe voidaan tehdä myös laboratoriossa uudelleen tiivistetyllä näytteellä, mutta tulos on epävarmempi kuin häiriintymättömistä näytteistä määritettynä. Routanousukeen suoritus on esitetty Menetelmäkuvauksessa TPPT 6 /11/. 4.4 Routimiskertoimen arviointi luokitusominaisuuksien perusteella Routanousuhavaintoja ei ole aina käytettävissä pohjamaan routimiskertoimen arvioimista varten. Vanhaltakaan tieltä niitä ei ole aina tehty. Tällöin routivuusarviointi tehdään pohjamaatutkimuksiin perustuen. Pohjatutkimusten tulosten perusteella tileinjalla erotetaan ensin routimattomat pohjamaaosuudet. Tämän jälkeen määritetään routivillla osuuksilla tien alle

9 jäävän pohjamaan rakeisuus. Rakeisuustietojen perusteella voidaan arvioida routivuutta ja routimiskerrointa. Jos routanousuriski on merkittävä, suositellaan routivuus tarkemmin tutkittavaksi laboratoriossa routanousukokeella. Routimiskertoimen määritystä eri tavoin kohteen pohjamaan luokitusominaisuuksista on esitetty Menetelmäkuvauksessa TPPT 7 /11/. Routimiskertoimen arvioinnin luotettavuus riippuu arvioinnin pohjana olevien rakeisuustietojen määrästä ja arviointimenettelyn luotettavuudesta. Arvioinnin luotettavuus paranee, jos käytettävissä on joko pisteittäisiä routanousuhavaintoja (mahdollisuus paikalliseen takaisinlaskentaan) tai pisteittäisiä routanousukoetuloksia. Jos rakeisuustutkimusten pistetiheys on esim. yli 30 m, niin tulosten perusteella voidaan arvioida vain tarkasteltavan osuuden routanousun yleistä vaihtelua, mutta ei jatkuvuutta. Rakeisuustiedon perusteella voidaan erottaa toisistaan poikkeavalla tavalla routivia osuuksia. Jos routanousuhavaintoja ei ole käytettävissä, niin olisi suositeltavaa tehdä rakeisuusmäärityksiin perustuvan routimiskertoimen "kalibroivia" routanousukokeita laboratoriossa. 4.5 Routimiskertoimen arvioinnin tarkkuus Karkeasti voidaan arvioida, että pistekohtainen routimiskertoimen arvioinnin epätarkkuus on - routanousuhavaintojen perusteella hyvillä tiedoilla ±20 %, - routanousukokeen perusteella ±30% ja - luokitusominaisuuksien perusteella ±50%. Tietojen määrä suunniteltavalta tielinjalta vaikuttaa niiden niiden perusteella tehtyjen arviointien edustavuuteen ja luotettavuuteen. Luotettavuutta voidaan parantaa myös tutkimuksia täydentävien ja tukevien muuta kautta saatavien pohjamaatietojen käytöllä. Käyttökelpoisia ovat mm. maalajikarttatiedot (geologinen muodostuma) sekä muut pohjatutkimustiedot. Parannettavilla teillä viitteitä haitallisesta routimisesta saa mm. päällystevaurioiden kartoituksella (Menetelmäkuvaus TPPT 15). Näitä voidaan käyttää mm. rajattaessa homogeenisia osuuksia. Luokitusominaisuuksien perusteella voidaan myös rajata homogeenisia osuuksia. Homogeenisen osuuden edustava savipitoisuus valitaan lisäämällä osuuden keskimääräiseen savipitoisuuteen savipitoisuuden hajonta, joka lasketaan osuudella määritetyistä savipitoisuuksista. Tämän jälkeen arvioidaan routimiskertoimen maksimiarvo, joka vastaa edustavaa savipitoisuutta. Tätä käytetään mitoituksen pohjana. Jos osuudelta on tehty routanousukoe, jolla voidaan määrittää routimiskertoimen taso suhteessa savipitoisuuteen, käytetään mitoitusarvona kokeen perusteella korjattua routimiskertoimen arvoa.

10 5 PÄÄLLYSRAKENTEEN ROUTAMITOITUS ROUTANOUSUN PERUSTEELLA 5.1 Routanousun määritys 5.1.1 Routanousun merkitys suunnittelussa ja mitoituksessa Tierakenteen routakestävyyden tarkastelu jakautuu kahteen osaan: routanousun vaikutuksiin ja sulamispehmenemisen vaikutuksiin. Sekä routanousun määrä että kevätkantavuuden (sulamispehmenemisen) suuruus riippuvat talven pakkasmäärästä. Routiminen aiheuttaa päällysrakenteen alla roudan tunkeutumissyvyyteen saakka tasaista tai epätasaista nostavaa voimaa ja sen seurauksena tien pinnassa näkyvää tasaista tai epätasaista routanousua. Sen lisäksi päällysrakenteeseen kohdistuu lämpötiloista ja lämpötilaeroista aiheutuvat lämpöjännitykset, jotka voivat edesauttaa päällysteen ja päällysrakenteen rakenteen halkeilua. Roudan sulaessa routineet kerrokset ensin pehmenevät ja sitten tiivistyvät päällä olevien kerrosten painon ja liikennekuormitusten vaikutuksesta. Sulamisvaiheessa rakenteeseen kohdistuu epätasaisesti jakautuneita kuormituksia, mikä vaikeuttaa rakenteen jännitys muodonmuutostarkastelua. Routanousuun vaikuttavat päätekijät ovat - pohjamaan routivuus, - suunnittelukohteen pakkasmäärä ja - päällysrakennekerrosten lämmönvastus (paksuus ja laatu). Pohjamaan routivuus määritetään kentällä ja / tai laboratoriossa. Mitoittava pakkasmäärä valitaan paikkakunnan ilmastotietojen ja valittujen mitoituskriteerien perusteella. Routimattomien rakennekerrosten paksuus tai eristetty rakenne mitoitetaan ko. tieluokalle sallitun routanousun perusteella. 5.2 Yksinkertainen menetelmä Menetelmä perustuu likimääräiskaavaan (1), jossa tarvitaan routimiskerroin, pakkasmäärä, päällysrakenteen kokonaispaksuus sekä routivan pohjamaan laatu. Kaavaa (1) voidaan käyttää mm. routimiskertoimen arvioinnissa routanousuhavaintojen tai routanousu- ja roudan syvyyshavaintojen perusteella, kun rakenne ja havaintotalven pakkasmäärä tunnetaan. Laskentamalli on esitetty seuraavassa. Routanoususuhde ( ε f ) on likimäärin kaavan (1) mukainen /15/: ε f = h z = 2SP w v + 0,09 = 2 k 2SP ρ + 0,09 2 k ρ d w w (1) missä h = routanousu, mm z = routineen maakerroksen paksuus ( z = z f - z o ), mm SP = routimiskerroin, mm 2 /Kh k = routaantumiskerroin ( z f = k F, k 12), mm/ Kh w v = routineen kerroksen tilavuusvesipitoisuus (maan kuivatiheyden ja vesipitoisuuden tulo jaettuna veden tiheydellä sulassa tilassa) % ρ d = routineen kerroksen kuivatiheys sulassa tilassa, t/m 3 w = routineen kerroksen vesipitoisuus sulassa tilassa, %

11 5.2.1 Kerroslaskentamenetelmä Roudan syvyys ja routanousu voidaan laskea myös Watzingerin menetelmällä, kun menetelmässä roudansyvyysalgoritmiin sisällytetään myös routiminen. Menetelmää voidaan käyttää tierakenteen alustavaan routamitoitukseen ja routimiskertoimen takaisinlaskentaan. Sillä voidaan arvioida myös tien keski- ja reunalinjan routanousua, jos pakkasmäärän redusointi tunnetaan. Jälempänä esitettävien mitoituskäyrästöjen laadinnassa sovellettiin SSR-mallia /15/, joka on kuvattu liitteessä 1. 5.3 Routasuojaus routimattomasta kivennäismaasta Kaavaa (1) voidaan käyttää myös rakenteen alustavassa, likimääräisessä mitoituksessa silloin, kun pakkasmäärä on annettu. Tien routimattoman rakenteen paksuus voidaan arvioida suunnitellun routanousun perusteella, kun tunnetaan alusrakenteen routimiskerroin ja kohteessa käytettävä mitoituspakkasmäärä (kuvat 3-11). Käyrästöt on laadittu kerroslaskentaohjelmalla käyttäen rakennekerrosten materiaaleille tyypillisiä ominaisuusarvoja (tiheys ja vesipitoisuus). Paksuutta on vaihdeltu jakavan tai eristyskerroksen paksuutta muuttamalla. Pohjamaana on laskelmissa ollut routiva laiha savi. Käyrästöjä laskettaessa on otaksuttu rakennekerrosten ominaisuuksiksi taulukossa 3 esitetyt arvot. Laskelmissa on pohjamaaksi otaksuttu routiva savi. Routivan saven arvoja voidaan kuitenkin soveltaa myös silloin, jos pohjamaana on routivaa moreenia tai routiva silttiä. Taulukko 3. Rakennekerrosten ominaisuudet mitoituskäyrästöissä (kuvat 3-11). Kerros Materiaali Tiheys t/m 3 Vesipitoisuus % Routimiskerroin mm 2 /Kh Päällyste AB 2,2 3 0 Kantava KaM 2,0 3 0 Jakava Sr 1,8 7 0 Suodatin Hk 1,7 12 0 Pohjamaa lasa 1,6 25 2,5-15 200 Kivennäisrakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 20 000 Kh Routanousu mm 150 50 Rakenteen paksuus H o =500 mm H o =750 mm H o =0 mm H o =1250 mm H o =1500 mm H o =1600 mm 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 3. Routanousun riippuvuus routimattoman rakenteen paksuudesta ja routimiskertoimesta SP, kun mitoituspakkasmäärä on 20 000 Kh

12 200 Kivennäisrakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 25 000 Kh Routanousu mm 150 50 Rakenteen paksuus H o =500 mm H o =750 mm H o =0 mm H o =1250 mm H o =1500 mm H o =1800 mm 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 4. Routanousun riippuvuus routimattoman rakenteen paksuudesta ja routimiskertoimesta SP, kun mitoituspakkasmäärä on 25 000 Kh 200 Kivennäisrakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 30 000 Kh Routanousu mm 150 50 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Rakenteen paksuus H o =500 mm H o =750 mm H o =0 mm H o =1250 mm H o =1500 mm H o =1750 mm H o =2000 mm Kuva 5. Routanousun riippuvuus routimattoman rakenteen paksuudesta ja routimiskertoimesta SP, kun mitoituspakkasmäärä on 30 000 Kh

13 200 Kivennäisrakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 35 000 Kh Routanousu mm 150 50 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Rakenteen paksuus H o =500 mm H o =750 mm H o =0 mm H o =1250 mm H o =1500 mm H o =1750 mm H o =2250 mm Kuva 6. Routanousun riippuvuus routimattoman rakenteen paksuudesta ja routimiskertoimesta SP, kun mitoituspakkasmäärä on 35 000 Kh. Routanousu mm 200 150 50 Kivennäisrakenteen mitoitus Pakkasmäärä F40 000 Kh Rakenteen paksuus H o =500 mm H o =750 mm H o =0 mm H o =1250 mm H o =1500 mm H o =1750 mm H o =2000 mm H o =2500 mm 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 7. Routanousun riippuvuus routimattoman rakenteen paksuudesta ja routimiskertoimesta SP, kun mitoituspakkasmäärä on 40 000 Kh.

14 Routanousu mm 200 150 50 Kivennäisrakenteen mitoitus Pakkasmäärä F45 000 Kh Rakenteen paksuus H o =500 mm H o =750 mm H o =0 mm H o =1250 mm H o =1500 mm H o =1750 mm H o =2000 mm H o =2750 mm 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 8. Routanousun riippuvuus routimattoman rakenteen paksuudesta ja routimiskertoimesta SP, kun mitoituspakkasmäärä on 45 000 Kh. Routanousu mm 200 150 50 Kivennäisrakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 50 000 Kh Rakenteen paksuus H o =500 mm H o =750 mm H o =0 mm H o =1250 mm H o =1500 mm H o =1750 mm H o =2000 mm H o =3000 mm 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 9. Routanousun riippuvuus routimattoman rakenteen paksuudesta ja routimiskertoimesta SP, kun mitoituspakkasmäärä on 50 000 Kh.

15 Routanousu mm 200 150 50 Kivennäisrakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 55 000 Kh Rakenteen paksuus H o =500 mm H o =750 mm H o =0 mm H o =1250 mm H o =1500 mm H o =1750 mm H o =2000 mm H o =3250 mm 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 10. Routanousun riippuvuus routimattoman rakenteen paksuudesta ja routimiskertoimesta SP, kun mitoituspakkasmäärä on 55 000 Kh. Routanousu mm 200 150 50 Kivennäisrakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 60 000 Kh Rakenteen paksuus H o =500 mm H o =750 mm H o =0 mm H o =1250 mm H o =1500 mm H o =1750 mm H o =2000 mm H o =3500 mm 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 11. Routanousun riippuvuus routimattoman rakenteen paksuudesta ja routimiskertoimesta SP, kun mitoituspakkasmäärä on 60 000 Kh. 5.4 Routaeristerakenteen mitoitus Tierakenteen routasuojaus voidaan toteuttaa myös routaeristeitä käyttäen. Routaeristeinä voidaan käyttää polystyreeneja (EPS tai XPS), kevytsoraa tms. lämpöeristemateriaaleja, jotka on hyväksytty tierakenteissa käytettäväksi myös kuormituskestävyyden suhteen ja joiden pysyvyys erilaisia vaikutuksia vastaan (mm. öljyvahingot) on rakenteellisesti turvattu. Tarvittavaa routaeristekerroksen lämmönvastusta voidaan arvioida tarkemmin kuvien 12-20 perusteella, kun pohjamaan routimiskerroin on tunnettu. Näitä kuvia voidaan käyttää myös rakenteen alustavassa mitoituksessa, jolloin pakkasmääräksi valitaan mitoitustalven pak-

16 kasmäärä. Routaeristeen paksuus määritetään lämmönvastuksen ja eristemateriaalin lämmönjohtavuuden perusteella kuvasta 25. Käyrästöjä (kuvat 12-20) laadittaessa on otaksuttu, että eristeen päällä on vähintään 700 mm routimattomia päällysrakennekerroksia ja alla vähintään 300 mm:n kuivatuskerros. Lämpöeristeen vesipitoisuus tällaisessa rakenteessa on polystyreenissä pieni. Jos routasuojaus tehdään huomattavasti vettä itseensä pidättävästä materiaalista, kuten palaturpeesta, on eristeen mitoitus tehtävä veden jäätymisvastus huomioonottaen joko rakennekohtaisesti tai materiaalikohtaisesti. 200 Eristetyn rakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 20 000 Kh Routanousu mm 150 50 Eristekerroksen lämmönvastus Re=0 m 2 K/W Re=0,5 m 2 K/W Re=1 m 2 K/W 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 12. Routanousu routaeristeen lämmönvastuksen ja routimiskertoimen suhteen, kun pakkasmäärä on 20 000 Kh. 200 Eristetyn rakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 25 000 Kh Routanousu mm 150 50 Eristekerroksen lämmönvastus R e =0 m 2 K/W R e =0,5 m 2 K/W R e = 1,5 m 2 K/W 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 13. Routanousu routaeristeen lämmönvastuksen ja routimiskertoimen suhteen, kun pakkasmäärä on 25 000 Kh.

17 200 Eristetyn rakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 30 000 Kh Routanousu mm 150 50 Eristeen lämmönvastus R e =0 m 2 K/W R e =0,5 m 2 K/W R e =1 m 2 K/W R e = 1,5 m 2 K/W 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 14. Routanousu routaeristeen lämmönvastuksen ja routimiskertoimen suhteen, kun pakkasmäärä on 30 000 Kh. 200 Eristetyn rakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 35 000 Kh Routanousu mm 150 50 Eristeen lämmönvastus R e =0 m 2 K/W R e =0,5 m 2 K/W Re=1 m 2 K/W R e = 1,5 m 2 K/W R e = 2 m 2 K/W 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 15. Routanousu routaeristeen lämmönvastuksen ja routimiskertoimen suhteen, kun pakkasmäärä on 35 000 Kh.

18 200 Eristetyn rakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 40 000 Routanousu mm 150 50 Eristeen lämmönvastus R e =0 m 2 K/W R e =0,5 m 2 K/W R e =1 m 2 K/W R e = 1,5 m 2 K/W R e = 2 m 2 K/W R e = 2,5 m 2 K/W 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 16. Routanousu routaeristeen lämmönvastuksen ja routimiskertoimen suhteen, kun pakkasmäärä on 40 000 Kh. Routanousu mm 200 150 50 Eristetyn rakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 45 000 Kh Eristeen lämmönvastus R e =0 m 2 K/W R e =0,5 m 2 K/W R e =1 m 2 K/W R e = 1,5 m 2 K/W R e = 2 m 2 K/W R e = 2,5 m 2 K/W R e = 3 m 2 K/W 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 17. Routanousu routaeristeen lämmönvastuksen ja routimiskertoimen suhteen, kun pakkasmäärä on 45 000 Kh.

19 Routanousu mm 200 150 50 Eristetyn rakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 50 000 Kh Eristeen lämmönvastus Re=0 m2k/w Re=0,5 m2k/w Re=1 m2k/w Re= 1,5 m2k/w Re= 2 m2k/w Re= 2,5 m2k/w Re= 4 m2k/w 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 18. Routanousu routaeristeen lämmönvastuksen ja routimiskertoimen suhteen, kun pakkasmäärä on 50 000 Kh. Routanousu mm 200 150 50 Eristetyn rakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 55 000 Kh Eristeen lämmönvastus Re=0 m2k/w Re=0,5 m2k/w Re=1 m2k/w Re= 1,5 m2k/w Re= 2 m2k/w Re= 2,5 m2k/w Re= 3m2K/W Re=6 m2k/w 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 19. Routanousu routaeristeen lämmönvastuksen ja routimiskertoimen suhteen, kun pakkasmäärä on 55 000 Kh.

20 Routanousu mm 200 Eristetyn rakenteen mitoitus Pakkasmäärä F 60 000 Kh Eristeen lämmönvastus Re=0 m2k/w 150 Re=0,5 m2k/w Re=1 m2k/w Re= 1,5 m2k/w Re= 2 m2k/w Re= 2,5 m2k/w Re= 3 m2k/w 50 Re= 4 m2k/w Re=5 m2k/w Re=7 m2k/w 0 0 5 10 15 Routimiskerroin SP, mm 2 /Kh Kuva 20. Routanousu routaeristeen lämmönvastuksen ja routimiskertoimen suhteen, kun pakkasmäärä on 60 000 Kh. 6 SALLITTU ROUTANOUSU Tierakenteelle sallittava routanousu määräytyy mm. päällysteen vaurioitumisriskin pohjalta (TPPT-Raportti "Tierakenteen suunnittelu ja mitoitus. TPPT-suunnittelujärjestelmän kuvaus"). Routanousu, joka on yleensä epätasainen, aiheuttaa myös päällysteeseen epätasaisuutta, joka kasvaa routanousun kasvaessa. Epätasaisuus voi muuttaa pinnan kaltevuuksia ja aiheuttaa myös kuivanapitohaittaa. Taulukossa 4 on esitetty TPPT-suunnittelujärjestelmän mukainen mitoittava routanousu. Taulukko 4. Mitoittava routanousu erilaisilla teillä ja rakenteilla (TPPT suunnittelujärjestelmä). Rakenne / päällyste Tie Moottoritie Päätie Paikallistie Muu liikennealue Kivipäällyste Asfaltti Sora Mitoituspakkasmäärä F(d), Kh F(10) F(10) F(10) F(10) F(10) F(10) Suurin routanousu mm 30 50 50 150 Suurin routanousun kulmanmuutos o / oo 5 7 10 6 10 15-20 Havaintoja routanousun ja tien tai kadun pinnan epätasaisuuden riippuvuudesta routanousun suuruudesta on esitetty kuvassa 21 ja tien tai kadun päällysteen vaurioitumisen riippuvuutta routanousun suuruudesta kuvissa 22-24. Havaintojen mukaan päällystehalkeama syntyy päällysteen noin 3-5 promillen taivutuskulmanmuutoksella. Halkeamariski kasvaa merkittäväksi, kun asfalttipäällysteisen kadun tai tien routanousu ylittää tason 50-70 mm. Havaintojen perusteella yleistäen pituushalkeilua alkaa merkittävästi ilmetä, kun routanousu on yli 50 mm. Vaurioituminen on voimakasta ja yleistä, jos keskilinjan routanousu on yli mm.

21 Kuva 21. Epätasaisuuden kasvu kadun keskilinjan routanousun kasvaessa /17/. TPPT-routakohteiden vauriot, kohteiden ikä 2-5 vuotta Vauriollisten poikkileikkausten osuus havaintoaineistosta, % 90 80 70 60 50 40 30 20 n =15 n =65 n =33 Vähintään 1 pituushalkeama/10 m Vähintään 2 pituushalkeamaa/10 m Vähintään 1 vaurio/10 m (kaikki vauriot) 10 0 0 25 50 75 125 150 Routanousu, mm Kuva 22. Routavaurioituminen suhteessa havaittuun suurimpaan tien keskilinjan routanousuun TPPT-routakoerakentamiskohteissa /5/ (n = havaintojen lukumäärä).

22 Vauriollisten katuosien osuus koko havaintoaineistosta, %/10 m % 80 % 60 % 40 % 20 % 0 % 0 50 150 200 250 300 Kadun keskilinjan routanousu, mm Vähintään 1 vaurio / 10 m (kaikki vauriot) Vähintään 1 pituushalkeama/10 m Vähintään 2 pituushalkeamaa/10 m Vähintään 1 poikkihalkeama/10 m Vähintään 2 poikkihalkeamaa/10m Vähintään 1 muu vaurio / 10 m (muu kuin poikki- tai pituushalkema) Kuva 23. Havaintokatujen vaurioiden esiintyminen %/ 10-katu-m, kun keskilinjan arvioitu suurin routanousu päällysteen elinkaarella oli 0-50 mm, 50- mm, 150-200 mm, 200-250 ja 250-300 mm /17/. % Pituushalkeamien esiintyminen, % 80 % 60 % 40 % 20 % Pituushalkeamien esiintyminen, % Vakavien pituushalkeamien esiintymien (>20 mm), % 0 % 0 20 40 60 80 120 140 160 Pyörätien keskilinjan routanousu, mm Kuva 24. Havaittujen vaurioiden prosentuaalinen esiintyminen pyörätiellä. Keskilinjan routanousu havaintotalvena jaettiin 0-30 mm, 30-50 mm, 50-70 150-170 mm alueisiin /4/.

23 7 ROUTAERISTEMATERIAALIEN OMINAISUUDET 7.1 Routasuojauksen toteutusvaihtoehdot Tierakenteet on perinteisesti tehty hyvälaatuisista, routimattomista kiviaineksista. Kun pyritään rajoittamaan päällysteen routanousua hyväksyttävälle, vauriottomalle tasolle, tarvitaan usein varsin paksua kivennäismaasta tehtyä routasuojausta. Routimattoman kivennäismaan sijasta on käytetty myös stabiloinnilla routimattomaksi tavoiteltua luonnonmaata, joka on luonnostaan routivaa kivennäismaata. Kokemuksen mukaan näyttää kuitenkin siltä, ettei vähäisillä sideainepitoisuuksilla saavuteta sellaisia lujuuksia, että sidottua materiaalia voitaisiin rakenteen kantavuuden puolesta käyttää tierakenteen yläosassa. Samoin on routivuuden poistamisen suhteen, koska routiminen aiheuttaa kerrokseen suuria rasituksia. Routivan pohjamaan routaantumista ja routanousua voidaan rajoittaa kivennäismaarakennetta ohuemmalla rakenteella, jos käytetään lämpöeristettyä rakennetta. 7.2 Routaeristerakenteen vaatimukset 7.2.1 Yleisvaatimukset Routaeristetty rakenne mitoitetaan niin, ettei pohjamaan routaantuminen ja routanousu ylitä päällysteen vaurioitumisrajaa tai tien tasaisuusvaatimuksia. Routaeristerakenne koostuu eristekerroksesta, joka on yläpuolelta suojattu liukkausriskiä pienentävällä, lämpötiloja tasaavalla kerroksella ja mahdollisesti jännityksiä jakavalla kerroksella. Alapuolelta routaeriste on suojattu kuivatuskerroksella, joka estää kosteuden pääsyä eristemateriaaliin alta päin samalla viivyttäen roudan tunkeutumista routivaan pohjamaahan. Routaeristerakenteen tulee säilyttää ominaisuutensa tien koko käyttöiän. Tärkeimmät ominaisuudet ovat - lämmönjohtavuus, - kosteuden pääsy ja vaikutus eristeeseen, - kuormituskestävyys (staattinen ja dynaaminen kuormitus) ja - pakkasenkestävyys. 7.2.2 Lämmönjohtavuus Eristemateriaalit ovat joko huokoisia, rakeisia tai monoliittisia kiinteitä aineita. Materiaalin lämmönjohtavuus riippuu sen koostumuksesta ja sen ainesosien lämmönjohtavuuksista. Tärkein lämmönjohtavuuteen vaikuttava tekijä on ilmahuokoisuus, ts. ilman täyttämien huokosten tilavuusosuus kokonaistilavuudesta. Läpituulettumisen estämiseksi huokoisuus ei saa muodostaa läpi ulottuvia kanavia, joissa tuulettuminen lisää lämmön siirtoa. Ilman lämmönjohtavuus on vain noin 0,026 W/Km. Kiintoaineksen lämmönjohtavuudella on merkitystä, jos kiintoaineksen tiheys on suuri. Mineraaliaineksen lämmönjohtavuus on suuri (esim. 3-8 W/Km) verrattuna orgaanisiin aineksiin (kumi, muovi, puukuitu tms., esim. 1-1,5 W/Km). Huokostilan vedenkyllästysasteen kasvu kasvattaa lämmönjohtavuutta kuivaan tilaan verrattuna. Veden lämmönjohtavuus on noin 0,6 W/Km. Eristemateriaalin jäätyessä vesi jäätyy ja jään lämmönjohtavuus on noin 2,2 W/Km. Jäätyneen, kostean materiaalin lämmönjohtavuus on huomattavasti suurempi kuin sulan materiaalin. Routasuojauksessa käytettävät eristemateriaalit toimivat routaeristeenä silloin, kun ne ovat jäässä. Mitoituksessa eristemateriaalin rakenne ja huokoisuus otaksutaan vakioiksi. Tällöin muuttuva ainesosa eristeessä on vesi (jää), jonka määrä eristeessä voi ajan mittaan muuttua. Materiaalin tasapainokosteutta asennusympäristössä kuvaa materiaalin sorptiokäyrä, jota kos-

24 teusalipaineen suhteen kuvattuna nimitetään pf-käyräksi. Sen mukaan materiaali kostuu tietyn huokosveden alipaineen alaisessa ympäristössä sellaiseen vesipitoisuuteen, joka vastaa materiaalin vedenpidätyskäyrän arvoa. Kostumisen nopeus riippuu mm. materiaalin vedenjohtavuudesta. Edellisen mukaan materiaalin eristysominaisuudet ovat merkittävästi asennusolosuhteista riippuvat. Tällöin korostuu erityisesti eristemateriaalin kuivatustilanne (TPPT Raportti " Tien pohja- ja päällysrakenteet -tutkimusohjelma. TPPT-suunnittelujärjestelmän kuvaus"). 7.2.3 Kuormituskestävyys Eristemateriaaliin kohdistuvan normaalijännityksen (kuormituksen) kasvaessa sen deformaatio kasvaa. Rakeisessa aineksessa jännityksen kasvu lisää rakeiden välistä kontaktipainetta, joka voi tietyn rajan jälkeen alkaa rikkoa rakeita. Monoliittisessa aineksessa voi rakenne murtua, jolloin muodonmuutos ei kuormituksen poistuessa täysin palaudu. Näin ollen on olemassa tietty normaalijännitys (kosketuspaine), jota alemmissa kuormitustiloissa materiaali toimii kimmoisesti. Kuormituksen toistuessa syklisesti tämä rajapaine on alempi. Orgaanisten aineiden, kuten muovien, turpeen tms. deformoituminen jatkuu myötötilassa hitaasti ajan mittaan. Tämän vuoksi puristusjännityksen näillä materiaaleilla on käyttötilassa oltava niin alhainen, että kimmoinen tila on voimassa. Tarvittaessa on pistekuormien aiheuttamaa pintapainetta pienennettävä eristeen päälle tehtävällä painetta tasaavalla arinarakenteella. Routaeristetyn rakenteen päälle edellytetään liukkausriskin alentamiseksi yli 500 mm:n paksuista päällysrakennetta. Normaalioloissa tämä kerros muodostaa riittävän arinan. Sen lisäksi, ettei materiaali saa yksittäisen eikä toistuvankaan dynaamisen vaikutuksen alaisena murtua tai virua, niin se ei myöskään saa pitkällä aikavälillä puristua kokoon niin, että mitoittava paksuus merkittävästi pienenee. Eräissä materiaaleissa litistyminen on otettu huomioon vähentämällä nimellispaksuudesta noin 10 %. Kriittisin kuormitustila voi esiintyä päällysrakennetta tehtäessä, kun työmaakoneiden rasituksen alaiseksi joutuvan eristelevyn päällä oleva suojakerros on ohut ja puutteellisesti tiivistetty. Tällaisen rakenteen päällä liikkumista raskailla ajoneuvoilla tulee välttää, kunnes käytettävän materiaalin edellyttämä suojakerroksen paksuus ja kantavuus on riittävä. 7.2.4 Kuivatustarve Routaeristerakenne tulee suojata haitalliselta kosteudelta. Eristeen vedensaanti alta päin tulee minimoida niin, ettei kapillaarinen veden nousu pohjamaasta ulotu eristeeseen eikä eriste hetkellisestikään ole veden alla. Samoin haitallinen pintavesien imeytyminen rakenteen läpi eristeeseen on estettävä. Vaikka eristemateriaalien kostumisominaisuuksissa on eroja, niin 30-50 vuoden aikajänteellä täysin kuivana pysyvää eristettä ei ole olemassa. Eri eristemateriaalien vesipitoisuudet vaihtelevat voimakkaasti. Vaihtelu voi aiheutua joko asennusympäristön kosteudesta, eristeen suuresta vedenpidätyskyvystä tai hyvästä läpäisevyydestä.

25 7.3 Routaeristemateriaalien mekaaniset ominaisuudet 7.3.1 Suulakepuristettu polystyreenisolumuovilevy (XPS) Suulakepuristusmenetelmällä saadaan aikaan solumuovia, jonka kennorakenne on suljettu, tasainen ja tiivis. Kennojen väliin ei jää hiushuokosia eikä ilmakäytäviä. Routaeristeenä käytettävien XPS-eristeiden puristuslujuus (puristusjännitys 2 %:n kokoonpuristumalla) vaihtelee laadusta riippuen 200...500 kpa välillä. Pitkäaikainen, 50 vuoden mitoitusikään perustuva puristuslujuus noin 1 % sallitulla kokoonpuristumalla on 60...225 kpa (taulukko 5) /18/. Materiaalin tuotetietojen mukaan XPS-eristeet eivät johda vettä kapillaarisesti eivätkä lahoa tai homehdu maaperässä. XPS kestää maaperässä ja pohjavedessä normaalisti esiintyviä suoloja, happoja ja emäksiä. XPS-eristeistä ei haihdu terveydelle tai ympäristölle haitallisia aineita maaperään, pohjaveteen tai ilmakehään. Taulukko 5. XPS-eristeiden pitkä- ja lyhytaikaisia kuormituskestävyysarvoja /18/. Tuote Pitkäaik. kuorm.kestävyys (kok.puristuma n. 1 %), kpa Lyhytaik. kuorm.kestävyys (kok.puristuma 2 % tai murtorajalla), kpa XPS 200 90 200 XPS 300 140 300 XPS 400 180 400 XPS 500 225 500 7.3.2 Muottipaisutettu polystyreenisolumuovilevy (EPS) Polystyreenisolumuovilevyjä valmistetaan sekä muottimenetelmällä ja ns. jatkuvalla menetelmällä. Muottimenetelmällä valmistetun EPS:n raaka-aineena ovat pienet pentaanikaasua (noin 5 %) sisältävät helmet. Routaeristeenä käytettävien EPS-eristeiden lyhytaikainen puristuslujuus (10 %:n kokoonpuristumaa vastaava puristusjännitys) vaihtelee laadusta riippuen 120...400 kpa välillä. Pitkäaikainen, 50 vuoden mitoitusikään perustuva puristuslujuus (2 % sallitulla kokoonpuristumalla) on 35 120 kpa (taulukko 6) /14/. Materiaalin tuotetietojen mukaan EPS-eristeet eivät merkittävästi johda vettä kapillaarisesti eivätkä ne lahoa tai homehdu maaperässä. EPS kestää maaperässä ja pohjavedessä normaalisti esiintyviä suoloja, happoja ja emäksiä. EPS-eristeistä ei haihdu terveydelle tai ympäristölle haitallisia aineita maaperään, pohjaveteen tai ilmakehään. Taulukko 6. Paisutettujen EPS-eristeiden pitkä- ja lyhytaikaisia kuormituskestävyysarvoja /12/. Tuoteluokka Pitkäaik. kuorm.kestävyys (kokoonpuristuma 2 %), kpa Lyhytaik. kuorm.kestävyys (kokoonpuristuma 10%), kpa EPS 120 Routa 35 120 EPS 200 Routa 60 200 EPS 300 Routa 90 300 EPS 400 Routa 120 400 7.3.3 Kevytsora Kevytsora on noin 1150 C lämpötilassa polttamalla paisutettua savea. Kevytsora ei sisällä orgaanisia aineita ja on kemiallisesti neutraali aine. Materiaalin tuotetietojen mukaan pohjavedessä esiintyvät suolat, emäkset tai hapot eivät vaikuta haitallisesti kevytsoraan.

26 Routaeristeenä käytetään yleensä kevytsoralajitteita KS432, KS420P tai paremmin tiivistyvää kevytsoraa KS032. Tällöin raekoko on joko välillä 8...20 mm, 4...20 mm tai 0-32 mm ja kuivairtotiheys välillä 250...320 kg/m 3. Routaeristeissä, joissa tarvitaan erityisen suurta kuormituskestävyyttä, käytetään sementillä sidottua kevytsoraa, kevytsorabetonia, jonka kuivatiheys on 400...600 kg/m 3. Kevytsoran ja kevytsorabetonin kuormitettavuus on hyvä. Sallitut puristusjännitykset ovat: - irrallinen ja säkitetty kevytsora tiivistettynä kerroksena, sallittu kuormitus 200 kn/m 2, - kevytsorabetoni, tiheys 400 kg/m 3, sallittu puristusjännitys 400 kn/m 2 - kevytsorabetoni, tiheys 550 kg/m 3, sallittu puristusjännitys 0 kn/m 2. Kevytsoran kokoonpuristuvuus em. kuormituksilla on hyvin pieni (merkityksetön). Kevytsoran ja kevytsorabetonin pakkasenkestävyys on hyvä. Vedellä lähes kyllästetyssä kevytsorassa esiintyy toistuvien jäätymisten seurauksena käytännössä tierakenteen toiminnan kannalta merkityksetöntä rakeiden rikkoutumista. Pitkäaikaiskäytössä vesi imeytyy ja pidättyy kevytsoraan rakeiden pinnalle ja osittain rakeiden sisäisiin huokosiin. Vähäistä kapillaarista nousua esiintyy myöskin kevytsorakerroksessa. Tutkimusten mukaan talonrakennuksen routaeristyksissä irrallisen kevytsoran kosteus talvikautena voi olla noin 8...12 tilavuus-% (25...35 paino-%) ja lämmönjohtavuus lämpötilassa +0 C noin 0,15 W/Km ja lämpötilassa -0 C noin 0,17 W/Km /18/. Kevytsorabetonin vesipitoisuus routaeristeessä vastaa irrallisen kevytsoran kosteutta 8...12 tilavuus-%. Lämmönjohtavuus on tässä kosteustilassa tiheydestä riippuen /18/: - Kevytsorabetoni, tiheys 400 kg/m 3 (seossuhde tilavuusosina sementti:kevytsora = 1:12...15), lämmönjohtavuus 0,19 W/Km. - Kevytsorabetoni, tiheys 550 kg/m 3 (seossuhde tilavuusosina sementti:kevytsora = 1:8), lämmönjohtavuus 0,25 W/Km. 7.3.4 Muut routaeristeet Tierakenteen routaeristeenä voidaan käyttää sellaista lämpöeristävää materiaalia, joka - voidaan luotettavasti asentaa tierakenteeseen, - kestää käyttötilan kuormitukset ja - jonka riittävä routaeristyskyky voidaan pitkäaikaisesti varmistaa. TPPT-ohjelman koerakenteissa on routaeristeenä käytetty palaturvetta /13/ ja aiemmin eri yhteyksissä mm. masuunikuonaa, kuonamursketta, turvetta ym. Tärkeitä mitoitettavuuteen vaikuttavia ominaisuuksia ovat materiaalin kostuminen, mittansa pitävyys, ja pysyvyys. Teollisuuden sivutuotteista on varmistettava myös materiaalin ympäristökelpoisuus. Käytön kannalta hyvin merkittäväksi muodostuvia ominaisuuksia ovat myös materiaalin saatavuus ja hinta. 7.4 Routaeristeiden mitoituslämmönjohtavuus ja paksuuden määrittäminen 7.4.1 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.

27 Seuraavassa on esitetty kuvaukset tyypillisistä normaaleista ja vaikeista käyttöolosuhteista, joissa eristeet joutuvat toimimaan. Käyttöolosuhdetta päätettäessä kaikkien seikkojen ei tarvitse olla voimassa samanaikaisesti. Normaalit käyttöolosuhteet - Routaeriste ei ole kosketuksissa pohjaveden kanssa. - 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 mitoitusominaisuutensa 50 vuoden ajan. Tämän 50 vuoden kuluessa eristeiden lämmöneristysominaisuudet heikkenevät "tehdastuoreen materiaalin" ominaisuuksista erityisesti kosteuden vaikutuksesta. 7.4.2 Mitoituslämmönjohtavuus ja eristepaksuuden määrittäminen Mitoituslämmönjohtavuusarvojen asettamisen lähtökohdat ovat seuraavat: - routaeristeen oletettu kosteuspitoisuus 20 vuoden kuluttua asentamishetkestä, - sallittu kokoonpuristuma ja sen vaikutus lämmönjohtavuuteen, - jäätyneen routaeristeen lämmönjohtavuus, - routaeristeen mahdollinen vanhenemisilmiö, - muut lämmönjohtavuusarvoa suurentavat tekijät, jotka otetaan huomioon mm. tyyppihyväksyntämenettelyssä. Eristemateriaalien tyyppihyväksyntää on tehty talonrakennuksessa käytetyille peruseristeille. Tyyypihyväksynnässä on annettu sovellettavat tuotteen mitoituslämmönjohtavuudet. Taulukossa 7 esitetyt levyeristeiden mitoitusarvot normaaleissa käyttöolosuhteissa vastaavat molemmin puolin maakosketuksessa olevan 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 lämmönjohtavuuksista. Materiaalin tuote-selosteissa 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 7 on esitetty yleisimpien routaeristemateriaalien mitoituslämmönjohtavuudet λ mit.