PÄÄLLYSTEEN KARKEUSTIEDON HYÖDYNTÄMISMAHDOLLISUUDET. Kati Rantanen

PÄÄLLYSTEEN KARKEUSTIEDON HYÖDYNTÄMISMAHDOLLISUUDET Kati Rantanen Teknillisen korkeakoulun rakennus- ja ympäristötekniikan osastolla professori Esko Ehrolan valvonnassa tehty diplomityö, joka on jätetty opinnäytetyönä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 8.6.2005

ALKUSANAT Diplomityöni kuuluu osaprojektina Tiehallinnon Väyläomaisuuden hallinta (VOH) -projektiin 1.10 PTM-mittarin uusien tunnuslukujen käyttöönotto ja hyödyntäminen. VOH-projektiryhmälle ja Tiehallinnon keskushallinnolle kiitos työni mahdollistamisesta ja rahoituksesta. Idean työlleni antoi FM Vesa Männistö Inframan Oy:stä, josta kiitos hänelle. Valvojana työssäni on ollut tietekniikan professori Esko Ehrola ja ohjaajana DI Jaakko Dietrich Inframan Oy:stä. Kiitos heille molemmille saamastani avusta, neuvoista ja kommenteista työhöni liittyen. Päällysteen karkeuden mittausdatan käsittelystä kuuluu kiitos erityisesti Jaakolle ja Roopelle. Haluan kiittää työni kommentoinnista myös DI Juha Äijöä ja DI Kalervo Mattilaa Ramboll Oy:stä. Erityiskiitokset kuuluvat TkT Jarkko Valtoselle rakentavista kommenteista ja neuvoista työhöni liittyen sekä avusta työni jäsentelyssä. Kiitos Jarkolle myös kiinnostuksen herättämisestä ja ylläpitämisestä tietekniikkaa kohtaan sekä positiivisesta kannustuksesta opiskelujeni loppuunsaattamisessa (kiitos siitä kuuluu tietysti myös Anjalle). Kiitos myös Tielaboratorion henkilökunnalle positiivisen työilmapiirin luomisesta! Lisäksi haluan kiittää saamastani tietekniikan alan ammatillisesta opastuksesta ja avustamisesta ins. Kalevi Toikkasta, DI Katri Eskolaa, rkm Hannu Pietilää ja rkm Jouni Tenhusta. Lämpimät kiitokset kuuluvat myös perheelleni ja ystävilleni; kiitän kannustamisesta ja avustamisesta opiskeluissani sekä kiinnostuksestanne opiskelemaani alaa kohtaan. Espoossa 8.6.2005 Kati Rantanen 2

TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ RAKENNUS- JA YMPÄRISTÖTEKNIIKAN OSASTO Tekijä: Diplomityö: Päivämäärä: Professuuri: Valvoja: Ohjaaja: Kati Rantanen Päällysteen karkeustiedon hyödyntämismahdollisuudet 8.6.2005 Tietekniikka Professori Esko Ehrola DI Jaakko Dietrich Sivumäärä: Koodi: 92 Yhd-10 Tien kunnon muuttuminen ilmenee pituus- ja poikkisuuntaisena epätasaisuutena sekä pinnassa havaittavina muutoksina. Tiestön kunnon muutosta tarkkaillaan säännöllisin väliajoin palvelutasomittausten avulla. Tiehallinnossa tietoa tiestön kunnosta tarvitaan ylläpitoa koskevan päätöksenteon kaikilla tasoilla: rahoitustarpeiden perustelussa, strategisessa ohjauksessa, ohjelmoinnissa ja hankinnassa. Päällystetyn tieverkon kuntoa on mitattu lasertekniikalla vuodesta 2003. Mittauksista on saatavissa käytössä olevien tunnuslukujen (pituussuuntainen tasaisuus eli IRI, poikkisuuntainen tasaisuus eli urasyvyys ja poikkisuuntainen kaltevuus eli sivukaltevuus) lisäksi myös sellaisia tunnuslukuja, joista ei ole tarpeeksi tietoa eikä niille ole määritettyjä tavoitearvoja. Mittausdataa päällysteen karkeudesta on vuosilta 2003 ja 2004. Sen hyödyntämiseksi tarvitaan tietoa päällysteen karkeuden ominaisuuksista ja vaikutuksista. Päällysteen pinnalta mitattava karkeus jaetaan aallonpituusalueen mukaan mikro-, makro- ja megakarkeuteen. Mikrokarkeus (aallonpituus 0,001 0,5 mm) kuvaa kivimateriaalin pinnan karkeutta eli kiven pinnan terävyyttä ja avoimuutta. Mikrokarkeudella on pääasiallisesti myönteinen vaikutus päällysteen kitkaan, erityisesti alhaisilla nopeuksilla (enintään 50 km/h) sekä veden poisjohtumiseen päällysteeltä. Sen määrittäminen on käytännössä hankalaa. Makrokarkeus (aallonpituus 0,5 50 mm) kuvaa päällysteen pinnan epätasaisuutta. Siihen vaikuttaa päällysteessä käytettyjen kivirakeiden koko, muoto ja järjestys. Makrokarkeus vaikuttaa lisäävästi päällysteen kitkaan ja rengasmeluun. Makrokarkeus saadaan mitattua mm. palvelutasomittausautolla RMS-makrokarkeus hieno ja RMS-makrokarkeus karkea arvoina. Megakarkeus (aallonpituus 50 500 mm) kuvaa pinnan epätasaisuutta, joka johtuu päällystystyövirheistä ja liikenteen kulutuksesta aiheutuvista vaurioista. Megakarkeus tuntuu täristyksenä autossa sekä sillä on vaikutusta myös meluun, kitkaan, vierintävastukseen, polttoaineen kulutukseen ja auton sekä renkaiden kulumiseen. Vuosina 2003 ja 2004 mitattua karkeustietoa käsiteltiin tässä työssä tilastollisesti, jotta saataisiin määritettyä palvelutasoauton mittaamille karkeuden arvoille tavoitearvot. Palvelutasoauton mittaamat karkeusmuuttujat ovat RMS-makrokarkeus hieno (aallonpituus 1 10 mm), RMS-makrokarkeus karkea (aallonpituus 10 100 mm) ja RMS-megakarkeus (aallonpituus 100 500 mm). Karkeuden keskiarvoja tarkasteltiin eri muuttujien suhteen (tien toiminnallinen luokka, liikennemäärä, päällystetyyppi ja päällysteen ikä). Työssä on esitetty ehdotus karkeusarvojen tavoitearvoiksi sekä kuntotasoihin perustuva ehdotelma, jossa myös muita tasaisuuden tunnuslukuja on hyödynnetty. Suositukseksi karkeustiedon hyödyntämiseksi jatkossa on, että karkeuden tunnusluku RMS tulisi ottaa asteittain käyttöön. Tunnuslukujen tarkastelussa tulisi käyttää oikeasta ajourasta mitattua karkeusdataa. Ehdotettujen karkeusarvojen soveltuvuuden testaamista käytäntöön pitäisi seurata ainakin kolmen vuoden ajan, jolloin tarkkailtaisiin karkeuden kehittymistä ja muutosta tiestöllä. Tämän jälkeen karkeustieto ja sille määritetyt tavoitearvot voitaisiin ottaa arvosteltavaksi ominaisuudeksi Tiehallinnon uudelleenpäällystysurakoihin ja kuntoparametriksi tiestömittauksiin. Karkeusarvon avulla saataisiin kerättyä tietoa tiestön kuntotilasta ja sen kehittymisestä. Tärkeää on vuosittain myös tarkkailla karkeusdatan laatua. 3

HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY DEPARTMENT OF CIVIL AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING ABSTRACT OF THE MASTER S THESIS Author: Thesis: Date: Professorship: Supervisor: Instructor: Kati Rantanen The utilizing possibilities of laser-measured pavement surface texture data 8.6.2005 Highway Engineering Professor Esko Ehrola DI Jaakko Dietrich Number of pages: Code: 92 Yhd-10 The changes in a road s condition can be seen as length- and crosswise roughness in the pavement surface. The condition of the road network is observed regularly with laser instrumented car. The information about the road network's condition is needed by the Finnish Road Administration. The information is used when making decisions about road construction and maintenance, strategic direction of finances and road maintenance planning. The condition of the road network has been measured with laser technology since 2003. From the measurements it is possible to get data of rating indexes which are already in use (for example IRI, ruts and crossfall). It is also possible to get new rating indexes, such as pavement surface texture which describes the vertical deviation of the road surface from the true planar surface, but those rating indexes do not yet have target values. The Finnish Road Administration has gathered laser measured pavement texture data since 2003, but has not yet used the data. More information is needed about the attributes and effects of pavement surface. Pavement surface texture is divided into micro-, macro- and megatexture according to wavelengths. Microtexture (wavelenght 0,001 0,5 mm) describes the roughness of the aggregate. Microtexture has mainly positive effects on the friction of the pavement surface, especially at low speeds (maximum 50 km/h), as well as on water catchment. Microtexture is difficult to measure in practise with the laser instrumented car. Macrotexture (wavelenght 0,5 50 mm) describes the roughness of the pavement surface. Macrotexture is affected by the size, form and order of aggregate in the pavement. Macrotexture increases friction and tirenoise. Macrotexture can be measured, for example, by laser instrumented car as roughness index RMS fine macrotexture (wavelenght 1-10 mm) and RMS rough macrotexture (wavelenght 10-100 mm). Megatexture (wavelenght 50 500 mm) describes the roughness of the surface which is the result of mistakes in paving works and damages caused by traffic. Pavement's megatexture can be felt as car vibration. Megatexture also effects noise, friction, rolling resistance, fuel consumption and the consumption of the car and tires. The aim of this master s thesis was to find out and explain possible uses for the measured data of pavement texture and define the target value for the pavement texture. The texture data from years 2003 and 2004 were handled statistically. The averages of the RMS values were studied according to different variables (the road's functional class, traffic volume, pavement type and the age of the pavement). This thesis proposes a target value for texture values. It also includes a proposal based on condition levels, which also utilizes other roughness indexes. In utilizing pavement surface texture data in the future, this thesis recommends that texture value RMS should be taken into use gradually. The texture data should be measured from the right vehicle patch. The suitability of the proposed texture values should be monitored for at least three years. If the values are accepted after that period, they could be used in pavement maintenance projects as quality control attributes and as condition parameters in road network measurements. In the future the texture values could be used to gather data about the road network's condition and how it is changing. It is also very important to control the quality of the measured texture data. 4

ALKUSANAT........ 2 TIIVISTELMÄ.......... 3 ABSTRACT OF THE MASTER S THESIS.. 4 TERMIT JA KÄSITTEET...7 1 JOHDANTO...12 2 PALVELUTASOMITTAUSTEN NYKYTILA...14 2.1 YLEISTÄ... 14 2.2 MITTAUSTEKNIIKKA... 15 2.3 MITTAUSKÄYTÄNTÖ JA LAATU... 16 2.4 MITATTAVAT TUNNUSLUVUT... 18 2.4.1 Pituussuuntainen tasaisuus eli IRI... 18 2.4.2 Poikkisuuntainen epätasaisuus eli urasyvyys... 20 2.4.3 Poikkisuuntainen kaltevuus eli sivukaltevuus... 23 2.5 MITATTAVIEN TUNNUSLUKUJEN HYÖDYNTÄMINEN... 26 3 PÄÄLLYSTEEN KARKEUS...28 3.1 YLEISTÄ... 28 3.2 KARKEUDEN OMINAISUUDET... 31 4 NYKYISET KARKEUDEN MITTAUSMENETELMÄT...36 4.1 LASERTEKNIIKKAAN PERUSTUVA KARKEUDEN MITTAUS... 36 4.2 SAND PATCH MENETELMÄ... 38 4.3 MPD (MEAN PROFILE DEPTH)... 40 4.4 MTD (MEAN TEXTURE DEPTH) JA ETD (ESTIMATED TEXTURE DEPTH)... 41 4.5 YHTEENVETO KARKEUDEN MITTAUSMENETELMISTÄ... 44 5 KARKEUDEN VAIKUTUKSET...45 5.1 YLEISTÄ... 45 5.2 KARKEUDEN JA KITKAN VÄLINEN YHTEYS... 46 5.3 KARKEUDEN VAIKUTUS VIERINTÄVASTUKSEEN... 49 5.4 PINNAN KARKEUDEN VAIKUTUS ÄÄNENSYNTYYN... 51 5.5 KARKEUDEN VAIKUTUS AJOMUKAVUUTEEN JA AUTON DYNAMIIKKAAN... 52 5.6 PINNAN KARKEUDEN YHTEYS PÄÄLLYSTEEN LAJITTUMIIN... 54 5.7 KARKEUDEN VAIKUTUKSET POLTTOAINEENKULUTUKSEEN... 55 5.8 TIEN PINNAN KARKEUDEN VAIKUTUS PÄÄLLYSTEEN ELINKAAREEN JA YLLÄPITOTARPEESEEN.57 5.9 KARKEUSTIEDON TARVE JA SEN MERKITYS TIEN KUNTOTIETOON... 58 5.10 YHTEENVETO KARKEUSTYYPEISTÄ... 60 5.11 KIRJALLISUUDEN ANTAMAT HYÖDYNTÄMISMAHDOLLISUUDET... 61 5

5.11.1 Yleistä... 61 5.11.2 Kirjallisuudesta saatujen tietojen hyödyntäminen... 62 6 KARKEUDEN MITTAUS VUOSINA 2003-2004...65 6.1 YLEISTÄ... 65 6.2 LÄHTÖTIEDOT... 65 6.3 KARKEUDEN TILASTOLLINEN TARKASTELU... 67 6.3.1 Yleistä... 67 6.3.2 Karkeuden esittämistapa... 69 6.3.3 Karkeus tien toiminnallisen luokan mukaan... 70 6.3.4 Liikennemäärän ja päällystetyypin vaikutus karkeuden arvoon... 71 6.3.5 Karkeuden korrelaatiot eri muuttujien suhteen... 74 6.3.6 Päällystystoimenpiteestä kuluneen ajan vaikutus karkeuden arvoon... 75 6.3.7 Kohdekohtainen tarkastelu... 76 6.4 HYÖDYNTÄMISMAHDOLLISUUDET MITTAUSDATAN PERUSTEELLA... 77 6.4.1 Yleistä... 77 6.4.2 Ehdotus karkeusluokitukseksi... 77 6.4.3 Karkeuteen vaikuttaminen ja sen antamat mahdollisuudet... 82 6.4.4 Karkeustiedon jatkohyödyntäminen... 83 7 YHTEENVETO...85 LÄHDELUETTELO...89 LIITTEET... LIITE 1 LIITE 2 LIITE 3 LIITE 4 LIITE 5 KARKEUDEN KAUSITTAISEN VAIHTELUN TARKASTELU PÄÄLLYSTYSTOIMENPITEESTÄ KULUNEEN AJAN VAIKUTUS KARKEUDEN ARVOON MAKROKARKEUS HIENON JAKAUMAT MAKROKARKEUS KARKEAN JAKAUMAT MEGAKARKEUDEN JAKAUMAT 6

TERMIT JA KÄSITTEET AALLONPITUUS Aallon pituus vaiheesta takaisin samaan vaiheeseen. ASFALTTINORMI PANK ry:n hyväksymä asiakirja, joka esittää vaatimuksia asfalteille ja niiden raakaaineille sekä ohjeita näiden vaatimusten täyttämiseksi ja hyvän lopputuloksen saavuttamiseksi. Suomalaiset asfalttinormit toimivat laatuvaatimuksia sisältävänä asiakirjana ja oppikirjana. BASALTTI Kivilaji. Väriltään musta. Hienorakeinen, joka voi olla rakenteeltaan hajarakeinen, tiiviissä perusmassassa se on huokoinen. CPX Close-Proximity eli lähimittaus. Menetelmässä mitataan keskimääräinen äänentaso. Testirengas on sijoitettu perävaunuun tai ajoneuvon pyöräksi. Mikrofonit on sijoitettu renkaan lähelle. Referenssinopeudet ovat 50, 80 ja 110 km/h. Menetelmä on määritelty standardissa ISO 11819-2. EN-STANDARDI Eurooppalaisen standardoimisjärjestön, CEN:n hyväksymä yleisesti saatavilla oleva standardi. ETD Estimated Texture Depth eli estimoitu karkeuden syvyys. Kolmiulotteinen mitta, joka saadaan MPD- ja MTD -arvoja hyödyntämällä. IRI International Roughness Index. Päällysteen pituusprofiilista laskettu tasaisuuden tunnusluku, joka kuvaa auton pyörän pystysuoraa liikettä auton korin suhteen ajon aikana. IRI:in vaikuttaa epätasaisuus, jonka aallonpituus on 0,5 30 m. IRI4 Kuten IRI, mutta ilman epätasaisuuksia, jotka syntyvät yli 4 metrin aallonpituuksista. 7

ISO-STANDARDI Kansainvälisen standardoimisjärjestön, CEN:n hyväksymä yleisesti saatavilla oleva standardi. KALKKIKIVIBAUKSIITTI Kivilaji. Sedimenttikivilaji, joka muodostaa väriltään punaruskeasta kellanruskeaan vaihtelevia kasaumia. KUNTOREKISTERI (KURRE) Tiehallinnossa käytössä oleva kuntorekisteri, johon on tallennettu tieltä mitattujen kuntoa kuvaavien tunnuslukujen arvoja. Rekisteriä käytetään toimenpiteitä vaativien kohteiden määrittämisessä. LASKENTA-ALGORITMI Algoritmi on yksityiskohtainen kuvaus tai ohje siitä, miten tehtävä tai prosessi suoritetaan. Laskenta-algoritmilla tarkoitetaan kuvausta tai ohjetta siitä, miten lasku tai laskenta suoritetaan. LOGNORMAALIJAKAUMA Lognormaalijakauman avulla kuvataan usein kokoon liittyviä muuttujia. Lognormaalijakaumassa on suuri määrä identtisesti jakautuneita satunnaismuuttujia, joiden tulo noudattaa lognormaalijakaumaa. Lognormaalijakaumaa noudattava muuttuja ei välttämättä koostu komponenteista. MPD Mean Profile Depth eli keskimääräinen profiilin syvyys (kaksiulotteinen mitta, viivaprofiili). Profiilista mitatun huipun ja regressiolla saadun keskitason välinen etäisyys. Tulos annetaan kymmenen mittauksen keskiarvona. Menetelmän kuvaus standardissa ISO 13473-1. MTD Mean Texture Depth eli pinnan karkeuden keskimääräinen syvyys. Sand patch kokeen tulos, joka ilmoittaa päällysteen pinnan keskimääräisen karkeuden syvyyden (kolmiulotteinen mitta, ympyräpinta). Tulos annetaan neljän mittauksen keskiarvona. 8

PANK Päällystealan neuvottelukunta on päällystealan rakennuttajien, urakoitsijoiden, materiaalintoimittajien sekä opetus- ja tutkimuslaitosten välinen yhteistyöelin, jonka toiminnan tavoitteena on päällystystoiminnan yleisten edellytysten kehittäminen. PANK-MENETELMÄ PANK ry:n hyväksymä näytteenotto-, näytteenkäsittely- tai aineenkoetusmenetelmä. PD Profile Depth eli profiilin syvyys. Profiilin eli tässä yhteydessä tien pinnan syvyys lasketaan pienimmän ja suurimman syvyyden arvon keskiarvona. PSD Power Spectral Density. PSD-arvoa on ehdotettu tunnusluvuksi kuvaamaan tien epätasaisuutta. PSD-luku kuvaa tien pituussuuntaisten epätasaisuuksien jakautumista esim. taajuuden (1/s) tai aaltoluvun (aaltoa/m) perusteella. PSD-luvun avulla saadaan tieto myös tienpinnan pitkistä ja lyhyistä aalloista, joita IRI ei ota huomioon. Se kertoo tutkimuksen [Lampinen, 2004] mukaan parhaiten tietyn tien epätasaisuuden luonteen, ts. sen millaisista siniaalloista (eli epätasaisuuksista) ko. tie koostuu ja kuinka haitallisia ne ovat. PEHMEÄ ASFALTTIBETONI (PAB) Pehmeät asfalttibetonit luokitellaan valmiin päällysteen sideainelajin perusteella alatyyppeihin PAB-B ja PAB-V. Sideaine voidaan lisätä myös emulsiona. Pehmeän asfalttibetonin rakeisuuskäyrä on jatkuva. PROFILOMETRI Kaistan poikkiprofiilin määrittämisessä käytettävä kenttämittauslaite, joka perustuu lasermittaukseen. Menetelmän kuvaus on esitetty PANK-5105 menetelmäkuvauksessa. PSV Polish Stone Value eli kiviaineksen kiillottumisaste. Päällysteessä käytetty kiviaines alkaa kiillottua kulutuksen vaikutuksesta, jolloin kivien pinnan karkeus häviää. 9

PVI Päällystevaurioinventointi on silmämääräinen menetelmä päällysteen vaurioiden kartoitukseen. Päällysteen vaurioista lasketaan vaurioprosentti, jonka perusteella arvioidaan tien kuntoa. RDA (Road Doctor for Administration) Tiehallinnon sähköisen hankinnan ohjelmistotyökalu, joka on osana eurakkaa. RDAohjelmiston avulla urakoitsijat saavat urakoiden lähtöaineiston sähköisessä muodossa, suunnittelevat tarpeelliset rakenteenparantamistoimenpiteet ja jättävät urakkatarjouksen sähköisenä. RMS Root Mean Square. Tulee alun perin sähkötekniikasta, jossa sillä mitataan jännitevaihteluiden tehollisarvoja. Pituussuuntaisen epätasaisuuden tunnusluku, joka on saatavilla palvelutasomittauksista. RUNKOTIEVERKKO Moottoritieverkko ei kata koko maata, minkä takia osaa nykyistä päätieverkkoa kutsutaan runkotieverkoksi. Runkotiet yhdistävät maakunnalliset keskukset toisiinsa, rajanylityspaikoille ja pääkaupunkiseutuun. SAND PATCH MENETELMÄ Päällysteen makrokarkeutta määrittävä lasihelmimenetelmä. Perustuu standardiin EN 13036-1. Suomessa on käytössä myös vastaava menetelmä PANK-5103. SMA Kivimastiksiasfaltti. Asfaltti, jonka pääosan muodostaa karkea, lähes tasarakeinen murskattu kiviaines. Karkean aineksen muodostaman kiviainesrungon tyhjätilan täyttää stabiloitu mastiksi. SMTD Sensor-Measured Texture Depth. Anturitekniikkaan perustuva päällysteen pinnan karkeuden mittausmenetelmä. Mittaustuloksena saadaan pinnan karkeuden keskimääräinen syvyys. SOP Soratien pintaus. Sitomattomalle alustalle sideaineella liimattu ohut murskekerros. 10

SPB Statistical Pass-by Method eli tilastollinen ohiajomittausmenetelmä. Menetelmässä normaalit liikenteessä olevat autot, joita muut eivät läheisyydellään häiritse, ohittavat tien viereen sijoitetun mikrofonin. Ajoneuvon tyyppi, nopeus ja maksimimelutaso tallennetaan. Menetelmä on määritelty standardissa ISO 11819-1. TOIMINNALLINEN LUOKKA Väylän toiminnallinen luokka perustuu tien tai kadun liikenteelliseen tärkeyteen. Toiminnallisella luokalla on tarkoitus kuvata väylän palvelutasoa liikenteelle sekä toisaalta mahdollistaa liikenteen ohjaaminen halutulle liikenneväylälle. TRL Transport Research Laboratory, liikenteen tutkimuslaboratorio Englannissa. VALUASFALTTI Asfaltti, jossa sideaine täyttää kiviaineksen tyhjätilan ja tekee massasta kuumana valettavan. Valuasfaltti voidaan levittää käsin tai levittimellä eikä sitä tiivistettä. Pinnaltaan valuasfaltti on sileä. 11

1 JOHDANTO Tien rappeutuminen ilmenee pituus- ja poikkisuuntaisena epätasaisuutena sekä pinnan rikkoutumisena. Rappeutumisen aiheuttaa liikenne- ja ilmastorasitus sekä näiden yhteisvaikutus. Rappeutumiseen vaikuttavat lisäksi pohjamaan ja rakennekerrosten sekä päällysteen ominaisuudet. Lopulta rappeutuminen aiheuttaa päällysteen ja/tai koko rakenteen kunnossapitotarpeen. Tämän takia tiestön kuntotietoa tarkkaillaan säännöllisin väliajoin tehtävin mittauksin. Tietoa tarkasteltavan tiestön kunnosta tarvitaan Tiehallinnossa kunnossapitoa koskevan päätöksenteon kaikilla tasoilla: rahoitustarpeiden perustelussa, strategisessa ohjauksessa, ohjelmoinnissa ja hankinnassa. Päällystetyn tieverkon kuntoa on mitattu lasertekniikalla vuodesta 2003. Mittauksista on saatavissa käytössä olevien tunnuslukujen lisäksi myös sellaisia tunnuslukuja, joista ei ole tarpeeksi tietoa eikä niille ole määritettyjä tavoite- ja raja-arvoja. Mittausdataa asfalttipäällysteen pinnan karkeudesta on vuosilta 2003 ja 2004. Karkeustiedon hyödyntämiseksi tarvitaan tietoa päällysteen karkeuden ominaisuuksista ja sen vaikutuksista. Tässä diplomityössä kerrotaan nykyisistä päällysteiden tuotanto- ja laadunvalvontamittauksista, karkeustiedon tarpeesta ja hyödyntämismahdollisuuksista. Työssä selvitetään ulkomaisten ja kotimaisten kirjallisuustietojen perusteella karkeuden tärkeimmät vaikutukset päällysteen laatuun, ominaisuuksiin, pinnassa havaittaviin muutoksiin, ajomukavuuteen, polttoaineenkulutukseen ja ylläpitotarpeeseen. Olemassa olevat karkeuden mittausmenetelmät ja tunnusluvut käsitellään lyhyesti (esim. Sand patch, MPD (Mean Profile Depth), MTD (Mean Texture Depth) ja ETD (Estimated Texture Depth)) sekä pohditaan niiden jatkokäyttömahdollisuuksia. Työn toisessa osassa pyritään havainnollistamaan ja kuvaamaan Tiehallinnon vuosina 2003 ja 2004 palvelutasomittausmenetelmällä mittaamaa karkeusdataa ja sen hyödyntämistä. Päällysteen karkeuden nykytilaa tarkastellaan valtakunnallisesti tilastollisin menetelmin. Niiden perusteella pyritään tekemään päätelmiä ja suosituksia karkeuden arvoille. Karkeusmittareiden keskiarvoja, hajontoja ja esitystarkkuutta on myös tutkittu. Päämääränä on laatia ehdotus malliksi tunnusluvun käytölle sekä tavoiteja raja-arvoille. 12

Haasteena on, että lähitulevaisuudessa tieverkon kunnon määrittelyssä käytettäisiin tunnuslukuna myös päällysteen karkeutta. Uusien päällysteiden laadunvalvonnassa pyrkimyksenä olisi, että karkeuden mittaamisen avulla voitaisiin helpommin huomata päällystemateriaalin vaihtelut, laatupoikkeamat ja pinnan ominaisuuksien heikkeneminen. 13

2 PALVELUTASOMITTAUSTEN NYKYTILA 2.1 Yleistä Päällystetyn tieverkon kuntoa mitataan Suomessa palvelutasomittausautolla (kuva 1). Tienpinnan kunnon määrittämiseksi palvelutasomittauksia on tehty vuodesta 1991. Päällystystoimenpiteiden laadunvalvonnassa tasaisuusmittausta on käytetty vuodesta 1995. Vuosittain mitataan koko päätieverkko ja noin kolmasosa alemman tieverkon teistä. Alemmalla tieverkolla tässä työssä tarkoitetaan vähäliikenteisiä yhdys- ja seututeitä. Palvelutasomittausta kehitettiin vuonna 2003, jolloin tienpinnan laatua alettiin mitata käyttämällä laserpohjaista teknologiaa (kuva 1). Uusien päällysteiden laatumittauksista tehtiin PANK-menetelmäkuvaukset, joissa määriteltiin mitattavat muuttujat ja niiden tuottamiselle asetetut vaatimukset sekä annettiin yleiset ohjeet päällysteiden laatumittauksiin. Kuva 1. Palvelutasomittausautossa lasermittauspalkki sijaitsee auton etuosassa. Renkaiden ajourien kohdalla sijaitsevat IRI-anturit. Tienpinnan tasaisuuden mittauksella saadaan selvitettyä tieverkon kunto sekä pystytään arvioimaan tienkäyttäjän kokemaa ajomukavuutta. Palvelutasomittarit mittaavat tien pituus- ja poikkiprofiileja, joista voidaan laskea useita erilaisia tunnuslukuja. Tiet mitataan pääasiallisesti yhteen suuntaan ja yhdellä ajokerralla. Mittauksista on saatavana 100, 10 ja 5 metrin välein raportoitua mittausdataa. Koko tiestön kattavat mittaustulokset tallennetaan yleensä 100 metrin keskiarvoina 14

Tiehallinnon kuntorekisteriin, johon tallennetaan tieltä mitattujen kuntoa kuvaavien tunnuslukujen arvoja. Rekisteriä käytetään toimenpiteitä vaativien kohteiden määrittämisessä. Hankekohtainen mittausdata esitetään 10 metrin keskiarvoina ja sitä käytetään Tiehallinnossa RDA-ohjelmistossa urakoiden lähtötietoaineistona. Raakadataa säilyttää mittauskonsultti. Tasaisuusmittauksen tärkeimpinä tietolajeina ovat tasaisuus, urasyvyys, kaarteisuus, sivukaltevuus, xy-koordinaatit, karkeus ja mäkisyys. Päämuuttujina pituusprofiilista lasketaan pituussuuntainen epätasaisuus IRI ja IRI4 (International Roughness Index) sekä poikkiprofiilista urasyvyys ja sivukaltevuus. Näille muuttujille ovat myös käytössä määritetyt tunnusluvut raja-arvoineen. [Scandiaconsult (Ramboll), 2003], [Magnusson, Dahlstedt, Sjögren, 2002], [ISO/DIS 13473-1, 1995] 2.2 Mittaustekniikka Uusien päällysteiden laadunvalvontamittaus sekä tiestön kuntotilan mittaus toteutetaan palvelutasomittausautolla käyttämällä 17 laserkameraa, joiden yhteinen mittausleveys on 3,2 metriä tai vaihtoehtoisesti viivalasermenetelmää. Tämän takia ajoratamerkintöjen välin on tiellä oltava vähintään 3,5 metriä, jotteivät ne häiritse mittauksia. Kapeilla ja mutkaisilla teillä tai työmaavalvonnassa käytettävä mittausleveys on 2,6 metriä, jolloin uloimpia laserkameroita ei käytetä. Koko tiestön mittauksissa eli tuotantomittauksissa (kappale 2.3. Mittauskäytäntö ja laatu ) mittausleveys on kokoajan 3,2 metriä. [Scandiaconsult (Ramboll), 2003] Laserkameroiden 17 mittauspistettä on sijoitettu poikkileikkaukseen siten, että niitä on enemmän oletettujen ajourien kohdalla (kuva 2). 15

Kuva 2. Esimerkkikuva mittausperiaatteesta hyödynnettäessä päällysteen mittauksessa lasertekniikkaa. Tien poikkisuunnassa on 17 laserkameraa, joiden avulla saadaan mitattua tien poikkileikkaus. Poikkiprofiili mitataan 10-30 cm välein ja pituussuunnassa mittaus suoritetaan 1 mm:n välein. Havaintopisteitä saadaan 136 000 kpl/10 metriä.[ramboll, 2004] Palvelutasomittauksen tasaisuustiedot kerätään päällysteen pinnasta laseranturin ja pystykiihtyvyysanturin avulla. Tien pinnan korkeuden muutos mitataan jatkuvana laserin ja kiihtyvyysanturin yhdistelmällä. [Ramboll, 2004] Mittaustiedoista voidaan laskea tien pituussuuntainen profiili. Palvelutasomittauksen mittaama profiili ei ole todellinen tien profiili, vaan tien "tasaisuusprofiili", jossa yli 30 m aallonpituudet eivät kuvaudu. [Kazunori, Takayuki, Kenji, 2000] Tien pinnan korkeutta (tien pinnan ja mittauspalkin etäisyyttä) mitataan jatkuvana mittauksena. Mittauspisteiden pituussuuntainen ero on noin 1 mm ajettaessa nopeudella 70 km/h, eli tien pituussuuntainen tasaisuus saadaan määritettyä erittäin tarkasti. Keskimääräinen tien pinnan korkeus lasketaan 100 mm:n jaksoissa jokaiselle laseranturin sijainnille (mittauspisteelle) käyttäen vähintään 128:n yksittäisen laseranturin lukemaa ajonopeuden ollessa 90 km/h. Tätä 100 mm:n keskimääräistä korkeutta käytetään poikittaisparametrien laskennan perustana. [Scandiaconsult Sweden (Ramboll), 2003] 2.3 Mittauskäytäntö ja laatu Palvelutasomittauksia tehdään koko tieverkolle tuotantomittauksina sekä uusille päällysteille laadunvalvontamittauksina. Kuntotiedon hankinnassa on tiedon tuottajalle 16

asetettava kuntotiedon laatuvaatimukset. Suunnittelun ja hankinnan lähtötietona käytettävä kuntotieto vaikuttaa päätöksentekoon mm. kohteiden valinnassa. Jos mittausta käytetään laatuvaatimuksia asetettaessa, tiedon käyttäjän tulee myös tietää, minkälaiseen tarkkuuteen kuntotiedon tuottaja pystyy. [Ruotoistenmäki, Seppälä, Männistö, Lähde, 2004] Palvelutasomittausautojen ura-, tasaisuus- ja sivukaltevuusmittaukset on pyritty toteuttamaan vakiintuneiden määritelmien mukaisesti. Tästä huolimatta mittalaitteet eroavat toisistaan tekniikan, mittausvälin, tietojenkäsittelyn ja laskenta-algoritmien suhteen. Teknisten erojen vuoksi mittaustuloksissa on havaittavissa pieniä systemaattisia eroja mittalaitteiden välillä. Koska laitteiden sisäinen toistettavuus on erinomaista, ovat laitteiden väliset pienetkin erot tilastollisesti merkitseviä. Huomattavaa on, että tilastollisesti merkittävistä eroista huolimatta poikkeamat eivät välttämättä ole kyseessä olevan ilmiön ja mitattavan ominaisuuden kannalta merkityksellisiä. [Tiehallinto, 2003] Tien rappeutumisen ja kunnon seuranta on pääasiallinen mittausten kohde tuotantomittauksissa. Tien kunto vaihtelee ja on jatkuvassa muutoksessa. Hitaasti tien kuntoon vaikuttaa epätasaisuuden vuosittainen kehittyminen ja nopeasti keväinen tilapäinen roudan aiheuttama epätasaisuuden lisääntyminen. Uusien päällysteiden laadunvalvontamittauksissa mittausten kohteena on päällystysurakoitsijan työnlaatu. Mittausten laatuun vaikuttavat useat eri seikat, jotka mittauspalvelujen tuottajan tulee ottaa huomioon. Mittauksiin aiheuttavat vaihtelua inhimilliset asiat (mittaushenkilöstö, toimintatavat, häiriöt tiellä) ja olosuhteet (lämpötila, vuodenaika, sää, kosteus, valaistus, muu liikenne) sekä tekniset ominaisuudet (mittalaitteet, laskenta-algoritmit). Mittausten vaihtelun ja lähteiden hallinta on ehdoton edellytys laadun ylläpitämiselle ja jatkuvalle parantamiselle. Mittausten suorittamisen käytännön ohjeet ovat mittausten toimittajan vastuulla. Niiden lisäksi tulee mittausten suorittamisessa ottaa huomioon Tiehallinnon laatuvaatimukset. Laatuvaatimuksissa on määritelty, että mitattavan tien tulee olla riittävän kuiva (ei seisovaa vettä), puhdas (ei savea, soraa) sekä lämpötilan mittalaitteen valmistajan suosittelemalla alueella. Jos mitattavalla tieosuudella on joitain häiriöitä, jotka vaikuttavat mittaustuloksiin, tulee kyseiset osuudet poistaa mittausdatasta. Mittaus tehdään yhden kerran kohteelle. Jos mittaus joudutaan uusimaan, tehdään mittaus uudestaan koko kohteelle. Mittaus ei saa häiritä muuta liikennettä. Nopeusrajoitusten ja mittaustilanteen mukaan mittausnopeus vaihtelee välillä 30-90 km/h. Mittauksen tulee 17

olla sujuvaa ja yhtenäistä, sillä äkilliset nopeuden vaihtelut saattavat vaikuttaa mittaustuloksiin. Yhtenäisen laadunvalvonnan ja mittauskäytännön varmistamiseksi palvelutasomittausautoille tehdään vuosittain laadunvalvonnan testimittauksia. Testimittausten tarkoituksena on testata toimittajien laitteet systemaattisesti Tiehallinnon hyväksymien periaatteiden mukaisesti ja myöntää määräaikaiset mittausluvat. Mittauskonsulttien mittaustulosten samankaltaisuus määritetään koko aineiston keskiarvojen ja korrelaatioiden perusteella. Laadunmittaustuloksia tarkasteltaessa on huomattava, että mittauksissa ei ole käytettävissä oikeaa mittaustulosta. Mittaus on aina otos kokonaisuudesta. Tämän takia mittausten laadun tarkastelu keskittyy yksinomaan mittaajien ja yksittäisten mittausten välisiin eroihin. [Tiehallinto, 2003], [Dietrich, 2004] Kokonaislaadun tarkkailu toteutetaan testimittausten avulla suorittamalla toisto-, vertailu- ja kontrollimittauksia. Toistomittaukset tehdään vertailumittausten yhteydessä ja niillä selvitetään kunkin mittarin toistettavuus. Vertailumittauksissa kunkin mittalaitteen tuloksia verrataan muiden mittalaitteiden tuloksiin, joista selvitetään laitteiden yhdenvertaisuus. Kontrollimittauksia tehdään tuotantomittausten lisäksi ja niiden perusteella selvitetään mittauksissa toteutuva laatu. Mittausarvoista ja niiden eroista tuotetaan tilastolliset perustunnusluvut, joita ovat havaintojen lukumäärä ja tulosten keskiarvo sekä hajonta. Vertailuparien mittausarvoista tuotetaan lisäksi niiden korrelaatio. Vertailuparien ja niiden hajontojen tulisi olla hyvin lähellä toisiaan. Erojen jakauman tulisi olla normaalinen tai lähellä sitä. Laatua kuvaavien käyrien tulisi pysyä eri vuosina hyvin lähellä toisiaan. [Tiehallinto, 2003], [Dietrich, 2004] 2.4 Mitattavat tunnusluvut 2.4.1 Pituussuuntainen tasaisuus eli IRI IRI (International Roughness Index) on tien pituussuuntaisen tasaisuuden mitta, joka kuvaa auton reagointia tienpinnan epätasaisuuteen. IRI ei kuvaa tien geometriaa. Se kuvaa ja havainnollistaa tienkäyttäjän kokemaa ajomukavuutta, liikennöitävyyttä ja tien kuntoa. IRI:n laskemiseen käytetään teoreettista standardisoitua laskentamallia, joka on Maailmanpankin kehittämä, ja se on sama kaikkialla maailmassa. Mallin periaate perustuu simulointiin, jossa neljännesauto kulkee tien pinnan yli nopeudella 80 km/h. Neljännesautomallissa ('Quarter-car simulator') pyörä ja alustan massa liikkuvat eri tavalla tien epätasaisuuksien mukaan, ja ne ovat yhdistettyinä toisiinsa jousilla ja vaimentimilla (kuva 3). Lyhyet epätasaisuudet saavat pyörän liikkeelle ja pidemmät 18

epätasaisuudet vaikuttavat alustan liikkeisiin. IRI-arvo saadaan hieman yksinkertaistettuna laskemalla alustan ja pyörän massojen suhteellisia liikkeitä. Palvelutasomittausautolla IRI-arvo mitataan menetelmän PANK-5207 mukaisesti. IRIarvo tulostetaan keskiarvona 100 metrin matkalle. [Päällystealan neuvottelukunta, 2004] Kuva 3. Palvelutasomittausauto ja mittaustulosten käsittelyssä käytettävä neljännesautomalli. [Onninen, 2001] IRI-arvojen analysoinnissa on muistettava, että laskennassa erityyppiset epätasaisuudet käsitellään eri tavalla; joitain korostetaan ja joitain vaimennetaan. Yksittäiset epätasaisuudet, jotka ovat 0,5 metriä lyhyempiä, eivät näy IRI:n 20 metrin keskiarvossa, vaikka ne tiellä ajettaessa tuntuisivatkin epätasaisuuksina. Toisaalta taas 1 metristä 10 metriin olevat epätasaisuudet vaikuttavat merkittävästi IRI-arvoon. Päällysteiden saumakohdat tai muut yksittäiset "kynnykset" päällysteessä aiheuttavat suuria IRI-arvoja, mutta ne eivät yksittäisinä kuitenkaan näy 100 metrin keskiarvotulostuksissa. IRI-arvon kasvaminen aikaansaa ajomukavuuden heikkenemisen, joka aiheuttaa ajonopeuksien alenemisen ja ajolinjojen muutoksia. [de Lurdes Antunes, Boulet, 1998] IRI-arvon muutoksen aiheuttamia tienkäyttäjien kokemuksia erisuuruisista IRI-arvoista on esitetty taulukoissa 1 ja 2. Tutkimukset on tehty haastattelututkimuksina ruotsalaisille ja suomalaisille tienkäyttäjille. 19

Taulukko 1. Tasaisuuden vaikutukset ruotsalaisten tienkäyttäjien näkökulmasta vuonna 2000 tehtyjen haastattelujen perusteella. Haastatteluiden tekijänä on RST Sweden. [Scandiaconsult (Ramboll), 2003] IRI-arvo [mm/m] Kokemukset < 1,5 Epätasaisuudet ovat tuskin havaittavissa. Matkustaminen on mukavaa. 1,5-3,0 Tienpinnassa on pienehköjä epätasaisuuksia, jotka voivat kuitenkin olla selvästi havaittavissa suurella nopeudella ajettaessa. 3,0-4,0 Mukava matkustus suurella nopeudella on mahdotonta. 4,0-6,0 Matkustus saattaa tuntua turvattomalta. Äkkinäiset heilahtelut ovat yleisiä. Pintavaurioita esiintyy. > 6,0 Ajonopeus alle 50 km/h. Vakavat pintavauriot yleisiä (halkeamia, reikiä, verkkohalkeamia). Taulukko 2. Tasaisuuden vaikutukset suomalaisten tienkäyttäjien näkökulmasta. Haastattelututkimuksen on tehnyt vuonna 2000 Tiehallinto. [Scandiaconsult (Ramboll), 2003] IRI-arvo [mm/m] Kokemukset < 1,3 Tasainen tie, jota on miellyttävä ajaa. 1,4-2,6 Tie on lähes tasainen. Havaittavissa satunnaisia epätasaisuuksia, jotka eivät olennaisesti häiritse ajomukavuutta. 2,7-4,1 Pääasiassa tasainen tie, jossa satunnaisia epätasaisuuksia on paikoitellen varottava. Sallittua nopeutta on helppo ylläpitää. 4,2-5,5 Tie on jonkin verran epätasainen. Ajonopeutta joudutaan toisinaan laskemaan ja ajolinjoja on välillä muutettava. Matkustaminen on jonkin verran epämukavaa. > 5,6 Tie epätasainen. Ajonopeutta joudutaan usein laskemaan ja ajolinjoja muuttamaan. Matkustaminen on epämukavaa. 2.4.2 Poikkisuuntainen epätasaisuus eli urasyvyys Tien poikkisuuntaista epätasaisuutta kuvaa urasyvyys, jota on aiemmin mitattu oikolaudalla. Urasyvyyden tunnusluku kuvaa liikennöitävyyttä, liikenneturvallisuutta, tien kuntoa ja kulumista sekä kuormituksen aiheuttamia painumia eli deformaatiota. Nykyisillä palvelutasomittausautoilla mitattu urasyvyys ei voi koskaan olla arvoltaan negatiivinen. Poikkisuuntaisen tasaisuuden mittauksissa lasketaan oikean (kuva 4) ja vasemman uran (kuva 5) syvyys. Urasyvyys lasketaan kaavalla: Urasyvyys = max( w i s ) i jossa w i = langan korkeus mittauspisteestä s i = tien pinnan korkeus mittauspisteestä i = poikkisuuntaisten mittauspisteiden lukumäärä (i = 1-10) 20

Kuva 4. Vasemman urasyvyyden laskentaa varten lanka pingotetaan kattamaan koko profiilin vasen puoli. Lanka alkaa tien keskikohdasta sijaitsevasta mittauspisteestä ja päättyy 1,9 metrin päässä olevaan pisteeseen. [Ramboll, 2004] Kuva 5. Oikean urasyvyyden laskentaa varten lanka pingotetaan kattamaan koko profiilin oikea puoli. Lanka alkaa tien keskikohdasta sijaitsevasta mittauspisteestä ja päättyy 1,9 metrin päässä olevaan pisteeseen. [Ramboll, 2004] Urien maksimiarvoa sanotaan maksimiurasyvyydeksi ja se lasketaan yleensä keskiarvona 100 metrin tulostusvälein. Urasyvyys ei ole kansainvälisesti standardisoitu mitta, kuten IRI. Poikkisuuntainen tasaisuus mitataan palvelutasomittausautolla menetelmän PANK-5208 mukaisesti. Se lasketaan Suomessa ja Ruotsissa lankauraperiaatteella kuvan 6 mukaisesti. Menetelmässä kuvitteellinen lanka asetetaan tieprofiilin ylle, kahden ulommaisen pisteen välille. Urasyvyys on suurin etäisyys langasta profiilin pohjaan saakka. [Scandiaconsult (Ramboll), 2004] Maksimiurasyvyys lasketaan käyttämällä kaavaa: Maksimiurasyvyys = max( w i s ) jossa w i = langan korkeus mittauspisteestä i s i = tien pinnan korkeus mittauspisteestä i i = poikkisuuntaisten mittauspisteiden lukumäärä (i = 1-17) i 21

Kuva 6. Maksimiurasyvyys mitataan pingottamalla lanka profiilin kahden ulommaisen pisteen välille. [Ramboll, 2004] Urat vaikuttavat ajomukavuuteen, ajonopeuksiin ja ajolinjojen valintaan. Tienkäyttäjä havaitsee urasyvyyden kasvamisen tien pinnan värin muutoksena ajouran kohdalla ja sateisella kelillä urassa olevasta vedestä. Urasyvyyden vaikutukset on luokiteltu vuonna 2000 RST Swedenin ja Tiehallinnon tekemien haastattelujen perusteella. [Scandiaconsult (Ramboll), 2003] Haastattelujen tulokset on esitetty taulukoissa 3 ja 4. Tuloksista nähdään, että ruotsalaiset ja suomalaiset tienkäyttäjät kokevat urasyvyyden vaikutukset hiukan erilaisina. Taulukko 3. Urasyvyyden luokittelu ruotsalaisten tienkäyttäjien näkökulmasta. [Scandiaconsult (Ramboll), 2003] Maksimi urasyvyys [mm] Kokemukset < 2 Tuskin havaittavia uria. 2-5 Urat ovat havaittavissa esim. tienpinnan värin vaihteluna. 5-10 Tienkäyttäjä ei oikeastaan havaitse uria. Kiviaineksen irtoamista saattaa esiintyä, jos uranmuodostus johtuu nastarenkaiden käytöstä. 10-17 Tiellä on nopeusrajoitus urien takia. Tiellä on havaittavissa kiviaineksen irtoamista ja muita pintavaurioita. > 17 Tienpinta on ylläpidon tarpeessa. Pintavauriot ovat yleisiä, liikennöitävyys on jossain määrin huonontunut. 22

Taulukko 4. Urasyvyyden luokittelu suomalaisten tienkäyttäjien näkökulmasta. [Scandiaconsult (Ramboll), 2003] Maksimi urasyvyys [mm] Kokemukset < 5 Tien pinta on poikkisuunnassa tasainen, sivukaltevuus kunnossa. Tie on urien suhteen lähes uutta vastaavassa kunnossa, värimuutokset ajouran kohdalla mahdollisia. 5-10 Tienkäyttäjä ei oikeastaan havaitse uria. Urat eivät vaikuta ajolinjoihin, eivätkä ajonopeuksiin. 10-15 Tiessä on havaittavissa urat. Sateisella kelillä urat vaikuttavat jossain määrin ajolinjojen valintaan ja ajonopeuksiin. 15-20 Tie on selvästi vaurioitunut. Urat vaikuttavat sateisella kelillä ajolinjojen valintaan ja ajonopeuksiin sekä vesiliirron vaara on kohtalainen. > 20 Tie on erittäin urainen. Urat vaikuttavat sekä ajolinjojen valintaan että ajonopeuksiin. Sateisella kelillä ajettaessa vesiliirron vaara on suuri. Ensisijainen ylläpito-ongelma 1970-1980 luvuilla oli nastarenkaiden aiheuttama urien muodostuminen, joka määritteli pääosin ylläpitotarpeen. Nykyisin urasyvyyden ensisijainen käyttökohde on vanhojen päällysteiden kuntotiedon määritteleminen, uusien päällysteiden alku-uran muodostumisen seuranta sekä erilaisten tien kantavuudesta aiheutuvien muodonmuutosten mittaaminen. Urautuminen on vähentynyt 1980-luvun tilanteesta nastojen koon pienentymisen seurauksena sekä käytössä olevien kestävämpien päällysteiden ansiosta. 2.4.3 Poikkisuuntainen kaltevuus eli sivukaltevuus Sivukaltevuus tarkoittaa tienpinnan tai ajokaistan poikkisuuntaista kaltevuutta. Sivukaltevuutta voidaan laskea pintaviivan, elektronisen vesivaa an tai regressioviivan avulla (kuva 7). Palvelutasomittausautolla poikkiprofiili lasketaan laserantureiden avulla jokaiselle 100 mm:n jaksolle 17 mittauspisteestä koko poikkileikkauksen leveydeltä. Poikkiprofiilin arvo jokaisessa 100 mm:n jaksossa on keskiarvo 128 laseranturin lukemasta. Tämä menetelmä vähentää tien pinnan karkeuden, reikien ja pienempien vaurioiden vaikutusta poikittaisprofiilin arvoihin, koska yksittäistä laserin arvoa ei koskaan käytetä. Tien pinnan kaltevuuden saamiseksi poikkiprofiilia säädetään mittauspalkin kallistuskulman avulla. Sivukaltevuus mitataan palvelutasomittausautolla menetelmän PANK-5209 mukaisesti käyttämällä regressiomallia. [Ramboll, 2004] Kuntorekisteriin tallennetaan pintasivukaltevuus ja regressiosivukaltevuus. Kuitenkin regressiosivukaltevuus on käytössä oleva sivukaltevuuden tunnusluku. 23

Kuva 7. Sivukaltevuuden laskentamenetelmien erot laskettaessa sivukaltevuutta pintaviivan, elektronisen vesivaa an ja regressioviivan avulla. Kuvassa myös sivukaltevuuden merkin määrittäminen. [Scandiaconsult (Ramboll), 2003] Pintasivukaltevuus (kuva 8) lasketaan mittaamalla ajoneuvon mittauspalkin uloimpien pisteiden ja puolen metrin päässä uloimmista mittauspisteestä olevien pisteiden lukujen keskiarvosta. Arvo lasketaan 50 metrin tulostusvälin keskiarvona, sillä kuntorekisterissä 100 metrin jakso on jaettu 0 50 metrin ja 50 100 metrin osuuksiin. Regressiosivukaltevuus lasketaan pienimmän neliösumman menetelmällä ja regressiolla käyttämällä kaikkien laserkameroiden arvoja sekä täydentämällä tulos kallistusantureiden arvoilla. [Ramboll, 2004] Sivukaltevuuden regressio määritetään regressioviivan kaltevuudeksi kaikkien mittauspisteiden läpi poikkiprofiilissa. (kuva 9) Kuva 8. Sivukaltevuuden pintaviiva määritetään leikkaavan viivan kaltevuudeksi valittujen pisteiden kautta poikkiprofiilista. Kuva 9. Regressiolla määritetty sivukaltevuus. [Ramboll, 2004] 24

Sivukaltevuutta käytetään vanhojen päällysteiden veden poisjohtamiskyvyn ja turvallisen liikennöinnin arvioinnissa sekä tulevaisuudessa mahdollisesti uusien päällysteiden laadunvalvonnassa. Uudelleenpäällystyksen yhteydessä päällysteen sivukaltevuus ei saisi pienentyä, vaan sen tulisi ennemminkin parantua. Uusiopäällystemenetelmiä käytettäessä sivukaltevuus kuitenkin usein pienenee. Sivukaltevuutta voidaan korjata ja parantaa asfaltilla päällystämisen yhteydessä, mutta se on kallista. Sivukaltevuustunnusluvun käyttö uudelleenpäällystysurakoiden laadunvalvonnassa olisi suositeltavaa, sillä tieverkolla on tällä hetkellä paljon teitä, joiden sivukaltevuus ei ole riittävä tai oikeansuuntainen. Sivukaltevuuden suositusarvoja ja niiden ominaisuuksia Ruotsissa ja Suomessa on esitetty taulukoissa 5 ja 6. Asfalttinormien mukaan suositeltu sivukaltevuus ajoradoille on 3 % ja kevyen liikenteen väylille 2,5 %. Pienemmällä sivukaltevuudella veden poisjohtamiskyky on huono ja jyrkissä kaarteissa myös renkaiden pito heikkenee. [Scandiaconsult (Ramboll), 2003] Näillä ominaisuuksilla on negatiivinen vaikutus liikenneturvallisuuteen. Taulukko 5. Sivukaltevuussuositukset Ruotsissa. [Scandiaconsult (Ramboll), 2003] Sivukaltevuus [%] Kommentti ± 1,5 Alin suositeltu käytettävä sivukaltevuus. ± 2,5 Suositeltu sivukaltevuus suorilla ja tasausviivan pyöristyskohdissa. ± 4,0 Suositeltu sivukaltevuus (kallistus) kaarteissa, joiden säde on 150-700 metriä 50 km/h nopeusalueella. ± 5,5 Suurin suositeltu sivukaltevuus (kallistus). > 7 Sivukaltevuuden arvo, joka todennäköisesti johtuu ajoradan tai tien reunan muodonmuutoksesta. Taulukko 6. Sivukaltevuussuositukset Suomessa. [Scandiaconsult (Ramboll), 2003] Sivukaltevuus [%] Kommentti ± 3,0 Suositeltu sivukaltevuus suorilla ja tasausviivan pyöristyskohdissa (voidaan tulkita myös minimiarvoksi). ± 3,0-4,0 Suositeltu kaksipuolinen sivukaltevuus kaarteissa, joiden säde on 400-1300 metriä 50 km/h nopeusrajoitusalueella (pääväylät kaupungeissa). ± 3,0-5,0 Suositeltu yksipuolinen sivukaltevuus (kallistus) kaarteissa, joiden säde on 85-160 metriä 50 km/h nopeusrajoitusalueella (pääväylät kaupungeissa). ± 5,0-7,0 Suurin suositeltu sivukaltevuus (kallistus) osalle tiestöä. > 7 Sivukaltevuuden arvo, joka todennäköisesti johtuu ajoradan tai tien reunan muodonmuutoksista. 25

2.5 Mitattavien tunnuslukujen hyödyntäminen Koko tieverkon kattavissa tuotantomittauksissa saadaan selville tieverkon kunto, jonka avulla pystytään määrittelemään toimenpiteitä vaativat kohteet. Palvelutasomittausten avulla saadaan myös luotua malleja kunnon muuttumiselle, joiden perusteella voidaan tehdä kuntoennusteita. Näiden kuntoennusteiden perusteella budjetoidaan rahaa teiden ylläpitoon. Tiestön kunto halutaan säilyttää tietyllä tasolla, minkä takia kunnon muuttumisen tarkastelu tehdään säännöllisesti. Kunnon muuttumiseen vaikuttavat poikkeavat sääolot, joiden takia muutos ei ole vuosittain samanlaista. Mitattuja tunnuslukuja käytetään lähdeaineistona myös päällysteiden ja teiden ylläpidon kehitystyössä (elinkaarianalyysi) sekä onnettomuustutkimuksissa (tieolosuhteiden vaikutus onnettomuuksiin). Uusien päällysteiden mittauksissa tunnuslukuja hyödynnetään työnlaadun valvontaan. Päällysteurakoiden laadunvalvonnassa käytetään palvelutasomittausautoa alku-uran ja pituussuunnassa mitattavan tasaisuuden (IRI, IRI4) mittaamiseen. Laadunvalvonnan avulla pyritään päättelemään, täyttävätkö päällystyskohteet seuraavat Asfalttinormeissa määritetyt kriteerit. Näiden kriteerien avulla saadaan myös käsitys, millaisia tasaisuusarvoja on uudella ja hyväkuntoisella päällysteellä. Arvoissa on mukana myös miinusmerkkiset luvut, jotka saattoivat tulla mittaustuloksiksi käytettäessä vanhaa palvelutasomittausautoa. Kun uran määrittämisessä siirryttiin käyttämään lankauramallia, ura ei voi olla enää arvoltaan negatiivinen. Alku-ura: Koko kohteen urasyvyyden keskiarvon tulee olla välillä -2..+3 mm. Yksittäisten 100-metristen urasyvyyden tulee olla välillä -2..+4 mm. Epätasaisuus: Yksittäisten 100-metristen IRI4-arvon tulee olla moottori- ja moottoriliikenneteillä korkeintaan 1,0 mm/m ja muilla 2-ajorataisilla teillä sekä valta- ja kantateillä korkeintaan 1,1 mm/m Yksittäisten 100-metristen IRI-arvon tulee olla moottori- ja moottoriliikenneteillä korkeintaan 1,4 mm/m ja muilla 2-ajorataisilla teillä sekä valta- ja kantateillä korkeintaan 1,6 mm/m Muut mitattavat ominaisuudet: Kappaleessa 2.4 Mitattavat tunnusluvut mainitaan vain osa palvelutasomittauksissa saatavista tunnusluvuista. Nykyisistä palvelutasomittauksista saadaan lisäksi selville useita tunnuslukuja, joita ei kuitenkaan osata hyödyntää tieverkon kunnon arvioinnissa 26

ja analysoinnissa puutteellisen osaamisen takia. Tällaisia tunnuslukuja ovat mm. kaarteisuus, pituuskaltevuus ja karkeus. Kiinnostus päällysteiden pintakarkeuteen on kasvanut vuosien kuluessa suurempien ajonopeuksien ja kasvavan liikennemäärän takia. Onnettomuuksien on havaittu lisääntyvän pinnan karkeuden heikentyessä (tutkittaessa päällysteen karkeuden ja onnettomuuksien välistä yhteyttä). Karkeustiedon kerääminen tien pinnasta vaatii ymmärrystä ja osaamista päällysteistä sekä mittauksista saatavasta tunnusluvusta. Tuotantomittauksista ja uusien päällysteiden laadunvalvontamittauksista saatavaa karkeusdataa on vuosilta 2003 ja 2004. Mittausdataa ei ole vielä hyödynnetty, sillä karkeuden ominaisuuksien ja vaikutusten ymmärtämisestä ei ole ollut tarpeeksi tietämystä. Jos karkeuden tunnusluvun ominaisuudet ja vaikutukset tunnettaisiin paremmin, voitaisiin karkeusdataa ryhtyä hyödyntämään tuotantomittauksissa sekä uusien päällysteiden laadunvalvonnassa. 27

3 PÄÄLLYSTEEN KARKEUS 3.1 Yleistä Asfalttipäällysteet koostuvat kiviaineksesta, bitumisesta sideaineesta sekä tyhjätilasta. Päällysteiden valmistustekniikassa eli levityksessä ja jyräyksessä on eroja, minkä takia ne ovat harvoin täysin homogeenisia. Niiden rakenne vaihtelee usein sekä pituus-, poikki- että syvyyssuunnassa. Erot kasvavat liikenteen vaikutuksesta. Suuret vaihtelut saattavat aiheuttaa päällysteen pinnan laadun heikkenemistä, mikä vuorostaan aiheuttaa heikentyneen kitkan myötä liikenneturvallisuuden huononemista ja kestävyyden myötä ylläpitotarpeen aikaistumista. Päällystemateriaalivaihtelut on mahdollista havaita tutkimalla tien pinnan kolmiulotteisuutta, erityisesti pinnan karkeuden syvyyttä. Päällysteen pinnalta mitattava karkeus jaetaan aallonpituusalueen mukaan mikro-, makro- ja megakarkeuteen. Kuvassa 10 on tien profiili jaettu erilaisiin aallonpituuksiin ja niiden vaikutukset taas puolestaan tienkäyttäjään sekä ympäristöön. [Kerman, Mackenzie, Thomas, Crawford, 1999], [ACPA, 2000] Kuvassa valkoinen väri indikoi epäsuotuisaa vaikutusta, kun taas viivoitettu vaaleanharmaa väri indikoi suotuisaa vaikutusta. IRI ja IRI4 -arvot ovat epätasaisuuden tunnuslukuja, jotka suurimmaksi osaksi kattavat epätasaisuuden aallonpituusalueen (0,5 30 m). Kuva 10. Tien profiili jaettuna erilaisiin aallonpituusalueisiin ja niiden vaikutukset tien käyttäjään sekä ympäristöön. [ISO 13473-1, 1995] 28

Kuvan perusteella epätasaisuudella on epäsuotuisa vaikutus vierintäkitkaan, renkaan ja tien väliseen kitkaan, auton kulumiseen sekä ajomukavuuteen. Megakarkeudella on epäsuotuisa vaikutus vierintäkitkaan, renkaan ja tien väliseen kitkaan, auton kulumiseen ja ajomukavuuteen sekä meluun. Makrokarkeudella on epäsuotuisa vaikutus renkaan pintaan (kuluminen) ja meluun, mutta suotuisa vaikutus renkaan ja tien väliseen kitkaan sekä osittain myös meluun. Mikrokarkeudella on suotuisa vaikutus renkaan ja tien väliseen kitkaan sekä meluun. Mikrokarkeus kuvaa kivimateriaalin pinnan karkeutta eli kiven pinnan terävyyttä ja avoimuutta. Sitä ei pystytä havaitsemaan paljaalla silmällä. Mikrokarkeuden aallonpituus on 0,001-0,5 mm ja syvyys 0-0,2 mm. Sitä ei pystytä käytännössä määrittämään sen lyhyen aallonpituuden vuoksi. Mikrokarkeus kuvaa päällysteen pinnalla olevien kivirakeiden kiillottuneisuutta tai päällysteen karkeutta, jolloin otetaan huomioon myös päällysteen kivirakeiden väliset tilat. Mikrokarkeuden suuruus riippuu pääasiassa kivirakeiden särmikkyydestä, johon vaikuttavat kivien raekoko ja muoto sekä mineraalikoostumus (kuva 11). Mikrokarkeudella on pääasiallisesti vaikutusta päällysteen kitkaan, erityisesti alhaisilla enintään 50 km/h ajonopeuksilla sekä veden poisjohtumiseen. [Scandiaconsult (Ramboll), 2003], [PIARC, 2003], [Lampinen, 2004] Makrokarkeudella tarkoitetaan päällysteen pinnan epätasaisuutta, jonka aallonpituus on 0,5-50 mm ja syvyys 0,2-10 mm. Päällysteen makrokarkeus riippuu karkeiden kivirakeiden koosta, muodosta ja järjestyksestä, kivirakeiden muodostamasta pinnan rosoisuudesta sekä päällysteen huokoisuudesta. (kuva 12) Makrokarkeus vaikuttaa päällysteen kitkaan siten, että suuri makrokarkeus mahdollistaa hyvän kitkan myös suurilla nopeuksilla. Lisäksi se vähentää vesiliirtoriskiä märällä kelillä, jolloin vesikalvo peittää kivirakeita ja mikrokarkeuden vaikutus on vähäinen. [Scandiaconsult (Ramboll), 2003], [Tielaitos, 1993], [Lampinen, 2004] Kuva 11. Päällysteen pinnan mikro- ja makrokarkeus. 29