Tien kevennysrakenteet

Tien kevennysrakenteet Tielaitos Konsultointi/geopalvelut Helsinki Joulukuu 1997

ISBN 951-726-358-9 ISSN 0788-3722 TIEL 3200475 Oy Edita Ab Helsinki 1997 Julkaisun kustannus ja myynti: Tielaitos, hallintopalvelut painotuotemyynti Telefax 020 444 2652 Tielaitos Opastinsilta 12 A PL 33 00521 HELSINKI Puh.vaihde 020 444 150

Geotekniikan informaatiojulkaisuja. Tien kevennysrakenteet. Tielaitoksen selvityksiä 28/1997. 62 sivua. ISBN 951-726-358-9. ISSN 0788. TIEL 3200475. Asiasanat pohjarakennus, kevennykset TIIVISTELMÄ Informaatiojulkaisun tarkoituksena on esittää pengerkevennyksiä koskeva nykyinen suunnittelu- ja rakentamiskäytäntö. Informaatiojulkaisussa esitetään aluksi kevennyksien tyypillisiä käyttökohteita. Seuraavaksi esitellään Suomessa käytettävissä olevat kevennysmateriaalit. Perusteellisemmin käsitellään varsinaiset kevennysmateriaalit kevytsora, kevytsorabetoni, EPS, vaahtobetoni, palaturve ja rengaskeventeet erityisesti rengasrouhe. Suppeasti todetaan sivutuotteet kuten lentotuhka, kuonat, sahanpuru, havupuun kuori ja havupuuhake. Seuraaavassa luvussa käsitellään kevennysrakenteiden suunnitelmille asetettavia vaatimuksia. Lopuksi käsitellään kevennysrakenteiden rakentamista ja laadunvarmistusta lähinnä suunnittelun näkökulmasta tavoitteena varmistaa suunnitelmien ja laatuvaatimuksien laatu, mikä vaatii suunnittelijalta rakentamismenetelmien riittävää tuntemusta.

Geotekniikan informaatiojulkaisuja. Tien kevennysrakenteet. Tielaitoksen selvityksiä 28/1997. 62 sivua. ISBN 951-726-358-9. ISSN 0788. TIEL 3200475. Asiasanat pohjarakennus, kevennykset ABSTRACT The main purpose of this publication is to present the design and construction practise for lightweight road embankments. At the first the use of various lightweight materials for different applications in road embankments is presented. Material properties for lightweight filling materials used in Finland are prensted: expanded clay, expanded polystyrene, lightweight foamed concrete fill, shredded tires, wood fiber etc. Then are presented methods and geotechnical calculations used for design of lightweight embankments. Last chaprers are dealing with design, construction and quality control.

Geotekniikan informaatiojulkaisuja. Tien kevennysrakenteet. Tielaitoksen selvityksiä 28/1997. 62 sivua. ISBN 951-726-358-9. ISSN 0788. TIEL 3200475. Asiasanat pohjarakennus, kevennykset Alkusanat Tämä informaatiojulkaisu on tarkoitettu geosuunnittelijoiden avuksi teiden kevennysrakenteita suunniteltaessa. Myös kevennyksien rakentamista ja laadunvarmistusta koskevat luvut on pyritty kirjoittamaan suunnittelun näkökulmasta ja suunnittelijoiden tarpeisiin. Kun aikanaan tehtiin päätös ja määrärahavaraukset informaatiojulkaisun tekemiseksi tästä aiheesta, arveltiin kehityksen pohjarakentamisen tällä alueella olevan suvantovaiheessa ja asian olevan "kypsä" esitettäväksi ohjemuodossa. Tässä kuitenkin taidettiin erehtyä. Kun ohjetta vuodenvaihteen jälkeen ryhdyttiin laatimaan, olivat monet vanhoja tuttuja kevennysmateriaaleja koskevat asiat muuttumassa ja eräiden aivan uusien materiaalien käyttöä oltiin valmistelemassa ja selvittelemässä. Osa näistä selvityksistä on vielä kesken tai ovat vasta esiselvityksiä. Tämä ohje on kuitenkin päätetty laatia sen tiedon perusteella, mitä tässä vaiheessa on esitettävissä. Ohjeen toivotaan olevan avuksi tämän vaiheen geosuunnittelussa ja kelpaavan aikanaan rungoksi tarkistetulle versiolle. Ohjeluonnoksen laatineeseen työryhmään ovat kuuluneet Pentti Salo ja Matti Manelius Tielaitoksen pääkonttorin geopalveluista, Petter Sandin Uudenmaan tiepiiristä sekä kirjoittajana Matti Kolhinen geopalveluista. Lopullisessa julkaisussa on pyritty ottamaan huomioon lausunnoissa esitetyt näkökohdat. Tielaitos Konsultointi, geopalvelut

Sisältö 1. KEVENTÄMISEN TARKOITUS JA KÄYTTÖKOHTEET 7 2. KEVENNYSMATERIAALIT JA NIIDEN OMINAISUUDET 15 2.1 Yleisluonteisia näkökohtia kevennysmateriaaleista 15 2.2 Kevytsora 17 2.2.1 Valmistustapa 17 2.2.2 Tuotanto ja saatavuus 18 2.2.3 Tekniset ominaisuudet 18 2.2.4 Kevytsoran laatuvaatimukset 19 2.2.5 Kevytsoran mitoitustilavuuspainot 21 2.3 Muut varsinaiset kevennysmateriaalit 22 2.3.1 Kevytsorabetoni 22 2.3.2 EPS-kevennykset 23 2.3.3 Vaahtobetoni 25 2.3.4 Palaturve 26 2.3.5 Rengaskeventeet 27 2.4 Kevennystarkoituksiin sopivat sivutuotteet 2.4.1 Lentotuhka 30 2.4.2 Kuonat 30 2.4.3 Puunjalostuksen sivutuotteet 30 2.5 Muut kevennysmateriaalit 31 3. KEVENNYKSIEN MITOITUS 33 3.1 Yleisluonteisia näkökohtia kevennyksien mitoituksesta 33 3.2 Vakavuus 33 3.3 Painumat 34 3.4 Maanpaine 35 3.5 Veden aiheuttama noste 35 3.6 Päällysrakenteen mitoittaminen 36 3.6.1 Kevytsora 37 3.6.2 Kevytsorabetoni 38 3.6.3 EPS-kevennykset 39 3.6.4 Vaahtobetoni 40 3.6.5 Palaturve 40 3.6.6 Rengaskeventeet 41 3.6.7 Lentotuhka ja kuonat 41 3.6.8 Puunjalostuksen sivutuotteet 41 3.7 Luiskatäytteet 42 4. KEVENNYSRAKENTEIDEN SUUNNITELMAT 43 4.1 Pohjan käsittely 48

4.2 Kevennysrakenteen kuivatus 48 4.3 Kevennysmateriaali 48 4.4 Päällysrakenne 49 4.5 Rummut ja sillat 49 4.6 Muut rakenteet 50 5. KEVENNYKSIEN RAKENTAMINEN JA LAADUNVARMISTUS 51 5.1 Kevytsora 51 5.1.1 Rakentaminen 51 5.1.2 Laadunvarmistus 52 5.2 Kevytsorabetoni 52 5.2.1 Rakentaminen 52 5.2.2 Laadunvarmistus 52 5.3 EPS-kevennykset 53 5.3.1 Rakentaminen 53 5.3.2 Laadunvarmistus 53 5.4 Vaahtobetoni 54 5.4.1 Rakentaminen 54 5.4.2 Laadunvarmistus 55 5.5 Palaturve 55 5.5.1 Rakentaminen 55 5.5.2 Laadunvarmistus 56 5.6 Rengasrouhe 56 5.6.1 Rakentaminen 56 5.6.2 Laadunvarmistus 56 5.7 Muut materiaalit 57 6. KIRJALLISUUS 58

Tien kevennysrakenteet 9 1 KEVENTÄMISEN TARKOITUS JA KÄYTTÖKOHTEET Teitä pehmeikköalueille rakennettaessa kuormat tulevat usein niin suuriksi, että penkereen tai kokonaisen alueen varmuus jää liian pieneksi tai painumat muodostuvat liian suuriksi. Myöskin taitorakenteiden kuten siltojen tai tien ulkopuolisten rakenteiden perustuksia tulee varjella liian suurilta kuormilta ja pohjamaan liikkumisesta aiheutuvilta vaurioilta. Tällaisten ongelmien ratkaisemiseksi on monia pohjanvahvistustapoja, jotka tekniikoiltaan ovat hyvinkin erilaisia ja erilaisiin olosuhteisiin soveliaita. Yhteinen piirre eri menetelmillä ovat useinkin suuret kustannukset mutta myös suuret kustannuserot eri vaihtoehtojen välillä. Kevennystekniikka on pohjanvahvistusmenetelmistä ehkä kaikkein luonnollisin ja yksinkertaisin, vaikutushan on sama kuin pengerkorkeuden alentamisella, kuormia pienennettäessä vakavuus paranee ja painumat sekä muut liikkeet pienenevät. Kevennyksien yksi merkittävä etu erityisesti korjauskohteissa on rakentamisen nopeus, menetelmän joustavuus ja soveltuvuus erityyppisiin kohteisiin. Kevennystekniikkaa voidaan soveltaa teiden ja siltojen rakentamisessa hyvin erilaisilla tavoilla, joista jotkut voivat olla hyvinkin tapauskohtaisia ja harvoin esiintyviä. Kuvissa 1...4 esitetään kevennystekniikan tavanomaisimpia perustapauksia. Kuvassa 1 on esitetty penkereen keventämistä vakavuuden parantamiseksi ja/tai painumien pienentämiseksi. Kuvan 1a mukaisella kevennyksellä parannetaan vakavuutta ja pienennetään tien pituussuuntaisia painumaeroja uudella tiellä. Kuvassa 1b parannetaan vakavuutta ja maaston sivukaltevuudesta aiheutuvia tien poikkisuuntaisia painumaeroja. Kevennystekniikalla voidaan joskus sivukaltevassa maastossa hoitaa laajempaakin alueellista sortumavaaraa. Kuva 1c kuvaa korkean penkereen osittaista keventämistä. Tällöin on usein kyse vakavuuden hoitamisesta olosuhteissa, joissa painumat tapahtuvat suhteellisen nopeasti. Kompensaatiokevennyksessä, kuva 1d, ei pohjamaan kuormituksen haluta lainkaan lisääntyvän luonnontilaisesta esimerkiksi vieressä sijaitsevan painumattomaksi perustetun rakenteen vuoksi. Kuvissa 1e ja f on esitetty kevennystekniikan käyttöä vanhan tien leventämisessä, painumien korjaamisessa tai tasausta nostettaessa. Painumien korjauksessa purkamistöiden vähentämiseksi ja työnaikaisten liikennejärjestelyjen helpottamiseksi tulevat kysymykseen myös sidotut kevennysmateriaalit.

10 Tien kevennysrakenteet Kuva 1. Perustapauksia penkereen keventämisestä. a. Kevennyspenger tasaisella pehmeiköllä b. Kevennys sivukaltevassa maastossa c. Penkereen osittainen keventäminen d. Kompensaatioperustus e. Vanhan penkereen leventäminen kevennystekniikalla f. Vanhan painuneen penkereen korjaaminen keventämällä

Tien kevennysrakenteet 11 Kuva 2 esittää kevennysmateriaalien ehkä tavallisinta käyttöaluetta eli siirtymärakenteita. Näiden avulla tasoitetaan painumaerot siirryttäessä painumattomalta rakenteelta painuvalle pohjalle tai luonnontilaisten pohjasuhteiden jyrkästi muuttuessa. Kuva 2. Perustapauksia kevennystekniikan käytöstä siirtymärakenteissa. a. Siirtyminen painumattomalta rakenteelta painavalle pengerosuudelle (kevytsorakiila ja siirtymälaatta) b. Pohjasuhteiden jyrkästä muutoksesta aiheutuva siirtymärakenne alempiluokkaisella tiellä (kevytsorakiila ja siirtymätela)

12 Tien kevennysrakenteet Itse tiepenkereen lisäksi voidaan kevennystekniikkaa soveltaa esimerkiksi meluvallien ja meluvalli-meluseinäyhdistelmien rakentamisessa kts. kuva 3. Koska tekniset vaatimukset ovat astetta pienemmät, tulevat tällöin kysymykseen myös eräät poikkeavat ja kustannuksiltaan halvemmat kevennysmateriaalit. Kuva 3. Kevennettyjä meluesterakenteita. a. Meluvalli b. Meluvalli-meluseinä-yhdistelmä Siltojen, putkisiltojen ja muiden taitorakenteiden suunnittelussa voidaan kevennystekniikalla pienentää maarakenteista aiheutuvia kuormia, ts. maanpainetta, pystykuormia ja pohjamaalle aiheutuvia jännityksiä. Ratkaisut voivat olla kuvien 4a ja b tyyppisiä perustyyppejä tai hyvinkin harvinaisia erikoistapauksia. Esimerkiksi kuvassa 4c on kyseessä liikennejärjestelyistä johtuva vanhan rampin tasauksen nosto, joka hoidetaan sekä sillan että paalutetun tulopenkereen osalta sidottua kevennysmateriaalia käyttäen. Siltoihin tai niiden tulopenkereisiin liittyviä kevennysratkaisuja pohdittaessa on oltava tiiviissä yhteistyössä sillansuunnittelijan kanssa, koska esimerkiksi vaikka maatuelle tulevan maanpaineen pieneneminen olisikin edullista, voi pystykuorman pieneneminen olla kuitenkin haitallisempaa. Joka tapauksessa esimerkiksi paalukuormat jakaantuvat toisin ja siltatuen paalukosta tulee toisenlainen kuin muita pohjanvahvistusmenetelmiä käytettäessä. Kevennystekniikka kannattaa muistaa myös mahdollisuutena korjata tilanne silloin, kun muita pohjanvahvistustapoja sovellettaessa on rakennustyön aikana ajauduttu teknisiin vaikeuksiin, esimerkiksi

Tien kevennysrakenteet 13 stabilointityössä riittäviä lujuuksia ei ole saavutettu tai pystyojitetun penkereen painumat ovat muodostumassa laskettuja suuremmiksi. Hyvien puoliensa lisäksi kevennystekniikalla on omat rajoituksensa. Pohjamaan painumaominaisuuksien ollessa epäedulliset myös kevennetylle penkereelle saattaa tulla suurehkot painumat, mikäli konsolidaatiojännitys selvästi ylitetään. Suoalueilla kevennystekniikalla ja telamaisilla puu- tai teräsrakenteilla voi selvitä lähinnä vain alempiluokkaisilla teillä. Korkeammilla penkereillä tai alueellisen vakavuuden ollessa heikko ei keventäminen aina riitä. Tulva-alueilla veden aiheuttama noste voi olla keventämistä tai keventämisessä käytettäviä materiaaleja rajoittava tekijä. Yhdistelmärakenteet, joissa pengerpaalutuksessa paalukuormia ja paalumäärää pienennetään pengertä keventämällä, eivät näyttäisi olevan taloudellisesti kilpailukykyisiä ja tällainen kevytmateriaalien käyttö rajoittuukin lähinnä korjausmenelmäksi. Sen sijaan syvästabiloinnin ja kevennyksen yhdistelmä korkeilla penkereillä saattaa olla kilpailukykyinen rakentamistapa.

14 Tien kevennysrakenteet Kuva 4. Kevennysrakenteita silloissa ja niiden tulopenkereissä. a. Korkea tulopenger silttimaalla b. Pieni kehä- tai putkisilta savikolla, kevennetyt tulopenkereet. Pohjasuhteista riippuen silta voi olla paalutettu tai maavarainen c. Esimerkki vanhan rakenteen keventämisestä

Tien kevennysrakenteet 15 2 KEVENNYSMATERIAALIT JA NIIDEN OMINAISUUDET 2.1 Yleisluonteisia näkökohtia kevennysmateriaaleista Tienrakennustöissä kevennystarkoituksiin käytetään eri puolilla maailmaa hyvin erilaisia materiaaleja paikallisten olosuhteiden ja materiaalien saatavuuden mukaisesti /20/. Tämä ohje painottuu suomalaisen käytännön mukaisesti siten, että pääpaino on kevytsorassa (kohta 2.2), jolla on tehty ylivoimaisesti suurin osa kevennyksistä. Tärkeinä pidetään myös "muita varsinaisia kevennysmateriaaleja" (kohta 2.3), joiden merkitys ei ole pelkästään kevytsoran kanssa kilpailu vaan joiden luontainen käyttöalue saattaa olla poikkeava. Näitä materiaaleja ovat (suluissa erityinen käyttöalue): kevytsorabetoni (painumakorjaukset pienellä purkutyöllä) EPS-kevennykset (kun kevytsorapenger painaa liiaksi) vaahtobetoni (kevennys muodostaa kiinteän rakenteen, matalahkoihin kevennyksiin, pienehköihin töihin) palaturve (meluvalleihin, tiepenkereisiin kevytsoran kuljetusmatkojen ollessa pitkiä) rengaskeventeet (meluvalleihin, alemman luokan teihin, tulvaalueille) Osasta näitä materiaaleja on tässä vaiheessa vähän tai ei lainkaan kokemuksia Suomen olosuhteissa. Kohdissa 2.4 ja 2.5 esitellään suppeasti eräitä maata ja louhetta keveämpiä tuotteita, joiden käytölle on kuitenkin useimmiten muita perusteita kuin keveys, tai joiden saatavuus tai tekniset ominaisuudet tekevät niiden käytön poikkeukselliseksi. Kevennysmateriaalien tärkeimpiä ohjearvoja suunnittelun kannalta on esitetty oheisessa taulukossa.

16 Tien kevennysrakenteet Taulukko 1. Kevennysmateriaalien mitoitusohjearvoja. Materiaali Tila - vuuspaino N/m 3 Noste Puris - kn/m 3 tus - juus kpa Koheesio kpa Kitkakulma astetta E- moduuli MPa Paksuuskerroin routamitoitukses sa Kevytsora 4.0 / 5.0 7.0-0 37 50 4 Kevytsorab etoni 7.0 *) 2 500 - - 1 500 6 EPS 1.0 9.8 100 0 0 7 1 Vaahtobeto ni 5.0 5.0 800 400 0 1 000 4 Palaturve 6.0 **) - 0 32 13 Renkaat 2.0 0-20 26 *) Rengasrou he 6.0 0-10 26 6 Havupuuha ke 7.0-9.0 3.0-10 26 6 *) Ei merkitystä tuotteen käyttöalueella. **) Ei saa joutua veden alle Kevennysmenetelmän ja -materiaalin valinnassa joudutaan teknisten ja rakentamiseen liittyvien näkökohtien lisäksi ottamaan huomioon kustannukset. Materiaalin kuljetuskustannukset huomioonottaen teknistaloudellisesti edullisin materiaali Pohjois-Suomessa saattaa olla toinen kuin Etelä-Suomessa. Ohjeessa "Pohjanvahvistusmenetelmän valinta" TIEL 3200446 on kevennysmateriaalien yksikköhintatietoja. Ohjeessa on esitetty materiaalihintojen lisäksi myös tietoja kuljetuskustannuksista ja materiaalien käsittelykustannuksista työkohteessa. Kevennysmateriaaleista kevytsora, kevytsorabetoni, EPS ja vaahtobetoni ja ovat yleisessä käytössä olevia rakennusmatariaaleja, eikä niiden käyttöön tarvita tapauskohtaisia lupia. Samoin palaturpeen, vaikka sen varsinainen käyttöalue on toinen, ei ole katsottu tarvitsevan erillistä lupaa koska kyseessä ei ole jäte ja palaturvetta on perinteisesti käytetty myös rakennusmateriaalina. Sen sijaan rengaskeventeet, lentotuhka, kuonat, sahanpuru, havupuun kuori, havupuuhake, tiilimurske ja betonimurske ovat jätteitä, joiden käytöstä on syytä neuvotella ympäristöviranomaisen kanssa tapauskohtaisen luvan tarpeellisuudesta. Rengasrouhe on uusi tuote, joka pyritään saamaan hyväksytyksi rakennusmateriaaliksi.

Tien kevennysrakenteet 17 2.2 Kevytsora 2.2.1 Valmistustapa Kevytsora valmistetaan polttamalla savesta. Esimuokkauksen jälkeen tapahtuu poltto 1100-1200 asteen lämpötilassa pitkässä pyörivässä sylinterimäisessä polttouunissa. Uunilla on lievästi pituuskaltevuutta siten, että uunin pyöriessä poltettava savimateriaali hitaasti vaeltaa uunin päästä päähän. Polttoaineena käytetään öljyä ja kivihiilipölyä. Energian osuus on tuotantokustannuksissa suuri. Kulkiessaan uunin läpi savi ensin kuivuu pulverimaiseksi jauheeksi. Varsinainen paisuminen tapahtuu kideveden höyrystyessä. Paisuneet pehmenneet savihiukkaset tarttuvat toisiinsa ja lopputuloksena syntyy eri kokoisia pyöreähköjä rakeita, jotka sisältävät runsaasti suljettuja vesihöyryn täyttämiä huokosia. Rakeiden pinta tulee poltossa melko tiiviiksi. Näin syntynyt nk uunituotanto täyttää lähes sellaisenaan tiekevytsoran laatuvaatimukset. Tierakenteissa on aiemmin käytettykin yleisimmin lajittelematonta kevytsoraa, nk. tiekevytsoraa. Materiaaliin oli sallittua myös lisätä ylisuurista rakeista tehtyä mursketta. Kuitenkin kevytsoralla on tie- ja maarakennuskohteiden lisäksi useita muitakin käyttöalueita, joista merkittävin on harkkoteollisuus. Vaatimukset kevytsoran laadulle, mm. rakeisuudelle, ovat näissä käyttötarkoituksissa huomattavasti ahtaammat kuin kevennystarkoituksissa. Tämän vuoksi uunituotannosta tarvittaessa seulotaan rakeisuudeltaan kapeampia lajitteita käyttötarkoituksen mukaan. Nykyisin tuotannossa Kuusankosken kevytsoratehtaalla koko uunituotanto seulotaan rakeisuudeltaan kapeiksi siilolajikkeiksi, joita yhdistämällä kootaan käyttötarkoituksen mukaiset myyntilajitteet. Myös kohdassa "kevytsoran laatuvaatimukset" selostettu maarakennuskevytsora KS432 (rakeisuusalue 4...32 mm) tehdään tällä menetelmällä suoraan ulkovarastokasoihin. 2.2.2 Tuotanto ja saatavuus Suomessa on nykyisin yksi suuri kevytsoratehdas Kuusankoskella. Aikaisemmin Virkkalassa toiminut tehdas on lopettanut toimintansa. Lisäksi Suomessa on Ikaalisissa toiminut pienimuotoisempaa kevytsoran valmistusta lähinnä harkkoteollisuuden tarpeisiin. Toimintaa ollaan uudelleen käynnistämässä ja laitosta uusimassa aikaisempaa suuremmalle tuotantokapasiteetille. Suomalaisten laitosten tuotantokapasiteetti riittää tarpeisiin Suomessa. Kevytsoraa on pienemmässä määrin myös tuotu ulkomailta. Kevytsoran yksityiskohtaiset ominaisuudet kuten tilavuuspaino ovat jossain määrin riippuvaiset raaka-aineen eli saven ominaisuuksista ja

18 Tien kevennysrakenteet jossain määrin tuotantolaitoksesta. Tuotannossa on mahdollista jossain määrin säädellä syntyvän tuotteen ominaisuuksia. 2.2.3 Tekniset ominaisuudet Tilavuuspaino Kevytsorarakeiden väliin jäävä tyhjätila on keskimäärin 25-30 % koko tilavuudesta ja rakeiden sisäinen huokostila 55-58 % koko tilavuudesta. Pienemmät rakeet ovat painavampia kuin isot. Tästä johtuen eri kevytsoralajikkeilla ovat tilavuuspainot jossain määrin toisistaan poikkeavia. Kevennystarkoituksiin käytettävien kevytsorien kuivatilavuuspainot on esitetty kohdassa 2.2.4 ja suunnittelussa käytettävät tilavuuspainot kohdassa 2.2.5. Vesipitoisuus Valmistuksen jälkeen kevytsora on täysin kuivaa ja sitä joudutaan pölyämisen välttämiseksi kuormausvaiheessa hiukan kastelemaankin. Kevennystarkoituksiin käytettävä ulkovarastoitu kevytsora voi varastossa jonkin verran kostua, mikä jatkuu olosuhteista riippuen valmiissa rakenteessa. Pohjaveden yläpuolella vesi pidättyy pääasiassa vaippavetenä rakeiden pinnalle. Hyvin kosteissa olosuhteissa epäillään myös rakeiden sisäisten huokosien saattavan osittain täyttyä. Tielaitoksen suunnitteluohjeissa mitoitustilavuuspaino on määritetty aikoinaan tehtyjen selvityksien perusteella lisäämällä kevytsoran toimituksen kuivatilavuuspainoon 80 kg/m 3 "vesivaraa" normaaleissa olosuhteissa penkereessä pohjaveden yläpuolella ja kosteissa olosuhteissa enemmän kts. kohta 2.2.5. Lujuusominaisuudet Kevytsoran sallituksi staattiseksi maksimikuormitukseksi on eräissä yhteyksissä /13/ esitetty 200 kn/m 2. Käytännössä tämä ei rajoita kevytsoran käyttöä tiepenkereiden kevennystarkoituksiin. Varsinaisesti rakeiden puristuslujuus on tärkeämpää harkkoteollisuudelle ja kevytsoratuotannon laadunvalvonnassa huolehditaan siitä, että riittävä lujuustaso säilyy. Päällysrakennemitoituksessa kevytsora rinnastetaan D-luokan maahan, kts. kohta 3.6.1. Eri tuotantolaitoksissa valmistetun kevytsoran kitkakulma voi vaihdella riippuen rakeiden pinnan sileydestä välillä 32-39 o /22/. Suomalaisen kevytsoran keskimääräiseksi arvoksi tiivistettynä mainitaan 37 o /14/. Löyhän varastokasan luiskan kaltevuuskulma voi olla 33 o. Ohjeessa "Tiegeotekniikan yleiset mitoitusperusteet" TIEL 3200150 mitoituksessa käytettäviksi ilmoitetut kitkakulmat ovat

Tien kevennysrakenteet 19 löyhänä 34 o ja tiivistettynä 37 o. Tiivistyminen Kevytsora suhteellisen tasarakeisena tiivistyy suhteellisen vähän, noin 3-5 %. Tämä tapahtuu levityksen sekä päällysrakenteen ajon ja tiivistyksen yhteydessä eikä vaadi maapenkereen tapaista raskasta tiivistystyötä. Maarakennustekniset ominaisuudet Kevytsora toimitetaan työkohteeseen pitkiin maantiekuljetuksiin tarkoitetuilla isoilla kuormayhdistelmillä, joten ne vaativat työkohteessa kohtuullisen hyvät kulkumahdollisuudet. Pääsyä työkohteeseen jossain määrin helpottaa toimitettavan tavaran keveys. Kevytsora levitetään maarakennustöiden tapaan telepuskukoneilla, jotka pystyvät liikkumaan kevytsoran päällä ja suorittavat samalla tiivistämisen. Kevytsoraa ei yleensä ole välttämätöäntä levittää kerroksittain. Paksumpien kevytsorapenkereiden suunnittelussa on ollut kaksi "koulukuntaa", josta toinen on suunnitellut paksutkin täytteeet ilman sorasta tehtäviä välikerroksia ja toinen on jakanut täytteen 0.3...0.5 m välikerroksilla 2...2.5 m paksuisiin "laatikoihin". Jälkimmäisessä menettelyssä on ollut ajatuksena kevytsoran parempi tiivistämismahdollisuus välikerroksen päältä. Kuitenkin kokemus osoittaa, että ilman välikerrosta suunnitellut työt ovat onnistuneet yhtä hyvin, joten välikerros vain lisää painoa ja aiheuttaa lisää työvaiheita. Pienemmissä hankalammin luoksepäästävissä kohteissa on mahdollista käyttää myös puhalluskevytsoraa (Kuusankosken tuotekoodi KSP420 eli rakeisuusalue on 4...20 mm). Tämä on rakeisuudeltaan tasarakeista, samalla tiekevytsoran rakeisuusvaatimukset täyttävää materiaalia, joka toimitetaan valmistajan toimesta paikalleen puhallettuna. Käytettävien letkujen pituudesta riippuen kuljetusajoneuvolla ei tällöin ole tarvetta päästä aivan työkohteelle asti. 2.2.4 Kevytsoran laatuvaatimukset Tielaitoksen tiekevytsoran nykyiset laatuvaatimukset ovat melko vanhat. Ne on aikoinaan sovittu suomalaisten valmistajien, Kuusankosken ja Virkkalan tuotantolaitoksien kanssa. Niitä laadittaessa on tehtaille ollut tärkeätä saada väljät laatuvaatimukset lähinnä rakeisuuden suhteen, koska ne tällöin ovat voineet joustavasti hyödyntää eri lajikkeensa tilanteissa, joissa erilaisiin käyttötarkoituksiin menevien lajikkeiden menekki vaihtelee. Väljästi määritelty tiekevytsora on toiminut tuotannolle eräänlaisena

20 Tien kevennysrakenteet puskurina. Toisaalta tällaiselle menettelylle ei ole ollut teknisiä esteitä, koska kevennystarkoituksissa tuotteen rakeisuus ei ole tärkeä vaan paino. Painovaatimus on kuitenkin samalla jouduttu nostamaan suhteellisen korkealle painavimpien lajitteiden mukaisiksi. Käytännössä monet toimituserät ovat rakeisuudesta riippuen olleet huomattavasti vaatimusarvoja keveämpiä. Nykyisessä markkina- ja tuotantotilanteessa suomalainen Kuusankosken tehdas on siirtynyt toimittamaan maarakennuskevytsoraa KS432 rakeisuudeltaan huomattavasti ahtaammin rajoitettuna, jolloin tilavuuspainossa voidaan ottaa huomioon keventyminen raskaampien pienien rakeiden jäädessä tuotteesta pois. Kilpailumahdollisuuden ylläpitämiseksi Tielaitoksen laatuvaatimukset on päätetty pitää entisellään eräänlaisina vähimmäisvaatimuksina, mutta antaa suunnittelussa ja rakentamisessa mahdollisuus hyödyntää maarakennuskevytsoran KS432 paremmat ominaisuudet, lähinnä keveys, kts. kohta 2.2.5. Periaatteessa muutkin kevytsoran toimittajat, kotimaiset tai ulkolaiset, voivat saada vastaavia kilpailuetuja takaamalla tuotteilleen minimivaatimuksia paremmat ominaisuudet. Tiekevytsoran tärkeimmät laatuvaatimukset ovat seuraavat: Toimituksen tilavuuspaino enintään 420 kg/m 3 Rakeisuuden ohjealue kuvan 5 mukainen Murskattua ainesta enintään 20 % Murskatun aineksen määrää on rajoitettu vedenimeytymisvaaran vuoksi. Kuva 5. Tiekevytsoran rakeisuuden ohjealue. Katkoviivalla on esitetty maarakennuskevytsoran KS432 nimellisalue. Tuotelehdessä on esitetty sallitut enimmäispoikkeamat.

Tien kevennysrakenteet 21 Maarakennuskevytsoran KS432 edellisiä vastaavat valmistajan takaamat ominaisuudet on esitetty toimittajan tuotekortissa ja ne ovat: Toimituksen tilavuuspaino enintään 320 kg/m 3 Rakeisuus 4...32 mm Murskattua ainesta ei käytetä Tehdas valvoo tuotannon laatua Rakennustuotteiden laatu RTL ry:n valvonnassa RTL:n ohjeen "Tuoteryhmä 7. Rakentamisessa käytettävä kiviaines ja kevytsora. Laadunvarmistusta koskevat ohjeet 1997" mukaisesti. Edelleen tehdas kehittelee "tiivistyvää" maarakennuskevytsoraa KS032, joka sisältää myös hienoja lajitteita ja on tarkoitettu paksumpien täytteiden yläosiin ja ohuempiin täytteisiin, joiden pintaosa halutaan seuraavia työvaiheita varten saada tiiviiksi ja kantavaksi. 2.2.5 Kevytsoran mitoitustilavuuspainot Kuivan penkereen tilavuuspainoksi perinteisellä tiekevytsoralla tulee edellä esitetyn perusteella 420 kg/m 3 + 80 kg/m 3 ("vesivara") = 500 kg/m 3 eli 5 kn/m 3. Ohjeen "Tiegeotekniikan yleiset mitoitusperusteet" TIEL 3200150 mukaiset mitoitusarvot ovat: kuiva penger 5 kn/m 3 ajoittain veden alla 6 kn/m 3 pysyvästi veden alla 10 kn/m 3 nostemitoituksessa 3 kn/m 3 (nosteen arvo 7 kn/m 3 ) Maarakennuskevytsoralla KS432 vastaavasti kuivan penkereen tilavuuspainoksi tulee 320 kg/m 3 + 80 kg/m 3 ("vesivara") = 400 kg/m 3 eli 4 kn/m 3. Edellä esitettyjä vastaavat mitoitusarvot ovat: kuiva penger 4 kn/m 3 ajoittain veden alla 5 kn/m 3 pysyvästi veden alla 10 kn/m 3 nostemitoituksessa 3 kn/m 3 (nosteen arvo 7 kn/m 3 ) Nostemitoitusarvot ovat säilyneet entisellään, koska ne on aikaisemminkin jouduttu määrittelemään kevyimpien toimituserien perusteella.

22 Tien kevennysrakenteet 2.3 Muut varsinaiset kevennysmateriaalit 2.3.1 Kevytsorabetoni Kevytsorabetoni on erikoisbetonia, jossa osa tai kaikki runkoaineesta on kevytsoraa. Massa tehdään yleensä valmisbetonin tavoin betoniasemalla ja tuodaan työkohteeseen sekoitinsäiliöautoilla. Kevytsorabetonia ei voi siirtää pumppaamalla. Suurehkoissa yli 1000 m 3 kohteissa massa voidaan tehdä liikkuvalla asemalla työkohteessa, mikä alentaa kustannuksia. Kevytsorabetonia toimitetaan käyttötarkoituksen mukaisesti kahta eri laatua. Täytekevytsorabetoni eli eristysbetoni on harvaa betonia, jossa sementtiliimaa käytetään kevytsorarakeiden yhteen sitomiseen eli koossapysyvyyden parantamiseen. Täytekevytsoralle ei taata tiettyä lujuutta, vaan luokittelu Qs 50...Qs 300 on tehty käytettävän sementtimäärän perusteella. Suurempi sementtimäärä antaa suuremman lujuuden. Tien päällysrakenteessa on yleisimmin käytetty laatua Qs 200, jonka puristuslujuus on noin 2.5 MPa. Tätä heikommat laadut sopivat paksumpien täyttöjen, esimerkiksi sillan taustan täytön alaosiin, jossa vaatimattomampi puristuslujuus riittää, mutta varmistaa kiinteän painumattoman rakenteen. Täytekevytsorabetonin mitoitustilavuuspainot ovat /36 / (ilmoitettu puristuslujuus vain suuntaa antava): Qs 50 5.0 kn/m 3 (sementtiä 50 kg/m 3, puristuslujuus n. 0.5 MPa) Qs 100 5.5 kn/m 3 (sementtiä 100 kg/m 3, puristuslujuus n. 1.0 MPa) Qs 200 7.0 kn/m 3 (sementtiä 200 kg/m 3, puristuslujuus n. 2.5 MPa) Qs 300 9.0 kn/m 3 (sementtiä 300 kg/m 3, puristuslujuus n. 4.5 MPa) Rakenteellinen kevytsorabetoni on "oikeata" tiivistä betonia, joka on luokiteltu betonien tavoin lujuusluokittain. Sen käyttöaluetta ovat lähinnä teräsbetonirakenteet, joissa rakennetta halutaan keventää tavanomaisesta teräsbetonirakenteesta. Lujuustavoite vaatii suurempia sementtimääriä kuin lujuudeltaan vastaava tavallinen betoni. Rakenteellisen kevytsorabetonin mitoitustilavuuspainot lujuusluokittain ovat /36/: K 5 11.0 kn/m 3 (puristuslujuus 5 MPa) K 10 13.0 kn/m 3 (puristuslujuus 10 MPa) K 15 14.0 kn/m 3 (puristuslujuus 15 MPa)

Tien kevennysrakenteet 23 Kevytsorabetonia tiekohteissa ei kannata käyttää paksuissa massiivisissa täytöissä kevytsoran tavoin vaan päällysrakenteessa kantavassa kerroksessa, jolloin lujuusominaisuuksia hyödyntäen myös päällysrakennepaksuutta voidaan pienentää ja koko penkereestä tulee kevyempi. Täten myös kevytsorapengertä voidaan keventää käyttämällä päällysrakenteessa kevytsorabetonia. Kevytsorabetoni tarjoaa vanhan tien painumakorjauksiin erityisen edun verrattuna pelkän kevytsoran käyttöön, koska kaivanto jää matalammaksi ja työnaikaisen liikenteen hoitaminen helpottuu. Kevytsoran keveyttä on pyritty käyttämään hyväksi myös bituminoidussa kevytsorassa ja kevytsora-asfaltissa. Nämä ovat lähinnä vanhan painuneen tien päällystysurakkaan luontevasti niveltyviä korjausmenetelmiä, joilla penkereen painoa voidaan hiukan keventää. Edelleen on käynnissä kehitysprojekteja muidenkin keventävien materiaalien käyttämisestä betonissa, mm. EPS-rakeiden (nk. lämpöbetoni). Tällaisille materiaaleille on kaavailtu laajoja käyttömahdollisuuksia, joista yksi voisi olla tierakenteiden keventäminen /21/. "Lämpöbetonin" perusratkaisun tilavuuspainoksi ilmoitetaan noin 2 kn/m 3 ja puristuslujuudeksi noin 0.2 MPa. Suurempia lujuuksia tavoitellessa tilavuuspaino kasvaa. 2.3.2 EPS-kevennykset EPS on lyhenne sanoista expanded polystyreneeli se on paisutettua polystyreenimuovia. Kevennystarkoituksissa käytettävä paisutettu solumuovi tehdään EPS-rakeista, jotka sisältävät muovimateriaalin lisäksi paisutusainetta. Kuumennettaessa paisutusaine kaasuuntuu ja erilliset rakeet kiinnittyvät toisiinsa yhtenäiseksi massaksi. Valmistustapa näkyy valmiissa tuotteessa rakeisena rakenteena. Tuotetusta materiaalista sahataan lankasahalla halutun kokoisia levyjä tai kappaleita. Eristystarkoituksiin käytettävässä suulakepuristetussa solumuovissa muoviaines on sama mutta valmistustapa toinen. Muoviraaka-aine kuumennetaan juoksevaan muotoon, lisätään paisutusaine ja puserretaan materiaali valmiiksi levyiksi, joille tulee täten homogeeninen rakenne ja kiinteämpi huonommin vettä läpäisevä pinta. Suomessa on useita paisutetun solumuovin valmistajia. EPS-keventeissä käytetään yleensä laatuluokkaa, jonka tilavuuspaino on 20 kg/m 3. Tämä perustuu norjalaiseen ja ruotsalaiseen käytäntöön ja solumuovin lujuusominaisuuksiin.

24 Tien kevennysrakenteet Kuten kaikilla muoveilla on EPS:n käyttäytymisessä otettava huomioon ominaisuudet sekä nopeissa että pitkäaikaisissa kuormituksissa. Kuormitettaessa solumuovi toimii kimmoisasti 2 % kokoonpuristumaan saakka ja sen jälkeeen EPS-helmet alkavat hiljakseen murtua. Laatuluokassa 20 kg/m 3 nopeassa kuormituksessa 2 % kokoonpuristuma syntyy 75 kpa kuormituksella. Pitkäaikaisissa kuormituskokeissa materiaalin hidas viruminen jatkuu kuitenkin kuormituksesta riippuen vuosikausia siten, että laatuluokassa 20 kg/m 3 edellä mainittu 2 % kokoonpuristuma syntyy jo 25 kpa kuormituksella. Kuormituskokeiden perusteella on ruotsalaisissa ohjeissa /3/ esitetty kohdassa 3.6.3 esitetty taulukko sallituista kuormituksista. Taulukon mukaisilla arvoilla kaikki muodonmuutokset pysyvät hyväksyttävällä tasolla. Käytännön töiden laadunvarmistusta varten puristuslujuusvaatimus on esitetty nopean kokeen mukaisena eli vaatimus on 100 kpa 5 % kokoonpuristumalla. Näillä kummallakaan lukuarvolla ei täten ole suoraa yhteyttä rakenteiden mitoitukseen vaan niillä tunnistetaan materiaali samanlaatuiseksi mille em. mitoitusarvot on selvitetty. Kevennyksissä käytettävien kappaleiden koko on tavallisesti 0.5 x 1.0(1.2) x 3.0(4.0) m. Kappaleet tilataan tehtaalta määräkokoisina. Erillisiä kappaleita on mahdollista materiaalin pehmeyden vuoksi työstää myös työkohteessa. Työteknisistä syistä, harkkojen siirtyilemisen estämiseksi, ne sidotaan allaolevaan harkkokerrokseen harkkojen läpi työnnettävillä raudoilla kts. kohta 5.3.1. EPS:llä on tehty matalia penkereitä kevytsoran kilpailijana ja korkeita penkereitä paalutuksen kilpailijana. Mitoituksessa käytetään seuraavia tilavuuspainoja /36/: kuiva penger 1.0 kn/m 3 pysyvästi veden alla 1.5 kn/m 3 nostemitoituksessa 0.2 kn/m 3 (nosteen arvo 9.8 kn/m 3 ) Näissä arvoissa on pyritty huomioimaan käytännön työssä mahdollisesti tarvittava tasaushiekka, ankkurointiteräkset ja rakenteeseen imeytyvä vesi. Sahattujen EPS-pintojen välinen kitkakerroin on 0.5.

Tien kevennysrakenteet 25 Päällysrakennemitoitus vaatii korkealuokkaisilla teillä yleensä teräsbetonilaatan ja alempiluokkaisilla teillä lujiteratkaisun kts. kohta 3.6.3. Solumuovi on muutoin kestävää erilaisia kemikaaleja vastaan, mutta arka öljytuotteille, mikä suunnittelussa tulee ottaa huomioon riittävän paksuina ja tiiviinä luiskatäytteinä. Päällystetyllä tiellä ajoradan osalta päällysteet ja teräsbetonilaatta voidaan katsoa riittäväksi suojaksi. Muovisuojauksia on myös käytetty, mutta tavanomaisissa tapauksissa ne tekevät rakentamisen tarpeettoman hankalaksi saavutettavaan lisävarmistukseen verrattuna. EPS on palavaa ainetta ja muodostaa palaessaan runsaasti savua. Työkohteessa materiaalin varastointivaiheessa on palovaara otettava huomioon. EPS-materiaalia on myös mahdollista tilata ns. sammuvana laatuna, mikäli palon aiheuttamat vahingot olisivat suuret esimerkiksi taajama-alueilla ja kevennemäärien ollessa suuret. 2.3.3 Vaahtobetoni Vaahtobetoni on huokoinen kevyt betoni, jossa on pyöreitä kaasun täyttämiä, halkaisijaltaan noin 1 mm huokosia. Vaahtobetoni valmistetaan työkohteessa tai kiinteällä betoniasemalla lisäämällä huokoistusaine mekaanisesti sementtilaastiin. Työssä tarvitaan erikoiskalustoa ja erikoistunutta henkilökuntaa. Vaahtobetonia voi pumpata, materiaali käyttäytyy nestemäisesti, sitä ei tarvitse täryttää ja massa tasoittuu pinnaltaaan vähäisellä työpanoksella. Tilavuuspainoa ja lujuutta voi säädellä käyttötarkoituksesta riippuen, tilavuuspainon alarajaksi ilmoitetaan 300 kg/m 3. Vaahtobetonin puristuslujuudeksi ilmoitetaan 0.6...1.0 MPa. Suomalainen valmistaja /40/ ilmoittaa perustuotteelleen seuraavat mitoitustilavuuspainot: kuiva penger 5 kn/m 3 ajoittain kosketuksissa veteen 5.15-5.6 kn/m 3 riippuen etäisyydestä vesipinnasta pysyvästi veden alla Tutkittava ennakkokokein Vaahtobetonin etuja ovat jäykkä laattamainen rakenne, joka tasoittaa pohjamaalle tulevia jännityksiä, syntyvä stabiili pohja jatkotyövaiheille, pumppaamalla tehtävän työn helpottuminen hankalissa erikoiskohteissa sekä myöhempien korjaustöiden helpottuminen, koska materiaali on kaivettavaa, mutta kaivanto voidaan tehdä pystyin luiskin. Vaahtobetoni levitetään 0.3-0.6 m kerroksina. Tämä aiheutuu vaahdon pysyvyyden sekä betonin kovettuessa syntyvän hydrataatiolämmön vuoksi, joka materiaalin huonon lämmönjohtavuuden vuoksi haihtuu hitaasti. Ellei materiaalia saada

26 Tien kevennysrakenteet luiskien muodostamien patojen sisään, joudutaan tekemään muotit. Materiaalin keveydestä ja kohtuullisesta kerrospaksuudesta johtuen muotit voivat kuitenkin olla hyvin kevytrakenteiset. Muotteja voidaan tarvita myös siksi, että kapasiteetista riippuen saadaan kohtuuajassa sopiva "laatikollinen" materiaalia aikaan. Vaahtobetoni tarjoaa kevennystarkoituksiin eräitä erikoisetuja, jotka tulevat pienehköissä erikoiskohteissa parhaiten esille. 2.3.4 Palaturve Palaturpeen valmistus on energiantuotantoa. Käyttö maarakennusalan kevennys- ja eristetarkoituksiin soveltuu samaa tuotetta käyttäen. Palaturpeena käytetään normaalissa polttoturvetuotannossa syntyvää puristettua palaturvetta. Palaturvekappaleet ovat sylinterimäisiä, halkaisija 30-50 mm, pituus 100-200 mm. Priketit tehdään kohtuullisen maatuneesta turpeesta puristamalla ilman, että käytetään minkäänlaista erillistä sideainetta. Koneellisena tuotantona tehdyn puristamisen jälkeen turvepalat kuivatetaan tuotantoalueella polttovesipitoisuuteensa 30-50 %. Jo kuivumisen alkuvaiheissa kappaleet saavat kovan kuoren, joka jossain määrin estää veden tunkeutumisen puristeeseen. Kevennystarkoituksiin käytettävän palaturpeen laatuvaatimukset on sovellettu polttotarkoituksiin käytettävän palaturpeen laatuluokituksesta. Tämän mukaiset laatuluokat ovat P9, P11, P13 ja P15, joista P15 on harvinaista. Lukuarvo tarkoittaa tehollista lämpöarvoa toimitusvaiheessa ja on läheisesti yhteydessä vesipitoisuuteen. Tierakenteissa voidaan käyttää laatuja P13 ja P15, toimitusvaiheessa vesipitoisuus saa olla enintään 35 %, palan pituuden vähintään 50 mm. Lisäksi palojen lujuudelle on annettu vaatimuksia tarkoitukseen kehitetyn Los Angeles-menetelmän sovellututuksen perusteella /26/. Palaturpeen tilavuuspaino aumoissa toimituskosteudessa on 3.3-4.8 kn/m 3 suuri. Tilavuuspaino rakenteessa riippuu sen imemän ylimääräisen veden määrästä. Jos vesipitoisuus nousee n. 70 %:iin, on tilavuuspaino n. 5 kn/m 3, vesipitoisuudella 130 % tilavuuspaino on n. 9 kn/m 3 ja vesipitoisuudella 200 % n. 13 kn/m 3 /26/. Näistä luvuista selviää, että kevennystarkoituksissa käytettävä palaturve on pidettävä mahdollisimman kuivana. On myös todennäköistä, että priketti pahasti vettyessään ei säilytä riittävää lujuutta. Riittävän kuivana säilyminen on hoidettava kevennysrakenteen suunnitteluratkaisuilla. Esimerkiksi meluvalleissa luiskat on verhoiltava huonosti vettä läpäisevillä materiaaleilla ja vallin harja muotoiltava vettä pois johtavaksi. Oikealla suunnittelulla voitaneen päästä suuruusluokkaa 6...8 kn/m 3 tilavuuspainoihin.

Tien kevennysrakenteet 27 Palaturvetta voidaan käyttää vain pysyvästi pohjavesipinnan yläpuolella pysyvissä kohteissa. Palaturvetta levitettäessä työmenetelmien on oltava suhteellisen hellävaraisia prikettien rikkoontumisen estämiseksi. Levittäminen ja tiivistäminen suoritetaan esimerkiksi kevyellä telapuskukoneella, jolloin turvepalat hakeutuvat toistensa lomiin painumattomaksi rakenteeksi. Eräiden muiden keventeiden tavoin palaturverakenne on jonkin verran kimmoisa, jolloin tiepenkereessä päällysrakenteelta vaaditaan tiettyä painoa, ks. kohta 3.6.5. Palaturpeen tuotanto on organisoitu kolmeksi toimialueeksi, joiden neuvonta- ja myyntipisteet ovat Seinäjoella, Kuopiossa ja Oulussa. Tuotantosoita on useilla paikkakunnilla maan kaikissa osissa. Varsin paljon tuotantosoita on Satakunta - Kainuu-akselilla, erityisesti Oulun läänin puolella. Uudenmaan ja Hämeen lääneissä ei tuotantosoita ole, mutta kylläkin Itä-Suomessa, muutama Salpausselän eteläpuolellakin. Lapin läänissä tuotantosoita on muutama, pohjoisin Muonion tasolla. 2.3.5 Rengaskeventeet Käytöstä poistetut autonrenkaat ovat kaikissa pitkälle kehittyneissä maissa muuttuneet merkittäväksi ympäristöongelmaksi. Suomessa renkaat tulee nykyisin kerätä hyötykäyttöä varten eikä niitä saa sijoittaa enää kaatopaikoille. Tämän vuoksi on Suomessa järjestetty valtakunnallinen jäterenkaiden keräysjärjestelmä. Renkaiden myyjät ottavat jäterenkaat vastaan ja toimittavat ne keräyspisteisiin, joista renkaat kuljetetaan 6 eri alueterminaaliin. Ne sijaitsevat Vantaalla, Turussa, Lahdessa, Tampereella, Lappeenrannassa ja Oulussa. Suomessa käytöstä poistuu vuosittain noin 2-2.5 miljoonaa autonrengasta, joka vastaa painona noin 25 000 tonnia, tilavuutena noin 200 000 m 3 ja rengasrouheena noin 50 000 irto-m 3. Renkaissa noin 50 % on kumia, yli 20 % nokea ja lähes 7 % terästä /30/ ja loput erilaisia kemian teollisuuden tuotteita. Palavien aineiden osuus renkaassa on lähes 90 %. Renkaille ja niistä valmistettaville uusiotuotteille haetaan käyttömahdollisuuksia maa- ja ympäristörakentamisen alueelta, joista käyttäminen kevyttäytteenä penkereissä ja meluvalleissa on yksi. Materiaaleja voidaan käyttää myös polttoaineena.

28 Tien kevennysrakenteet Rengaskeventeiden käytössä on kolme mahdollisuutta: käyttää lajittelemattomia renkaita sellaisenaan käsitellen niitä maarakennusmenetelmillä käyttää lajiteltuja renkaita pystysuorista rengaspinoista koottavissa rakennelmissa käyttää paloiteltuja renkaita (rengasrouhetta) Käytännössä keskimmäinen vaihtoehto soveltuu suuritöisenä vain pieniin erikoiskohteisiin, esimerkiksi tukimuurin taustatäyttöön. Käytännön merkitystä suuremmissa kohteissa tullee olemaan rengasrouheella ja mahdollisesti lajittelemattomien renkaiden käytöllä, joiden osalta kehitystyö Suomen olosuhteissa on alullaan. Renkaiden paloittelu tehdään alueterminaaleissa liikuteltavilla kanadalaisvalmisteisilla rengasleikkureilla, joita Suomessa tällä hetkellä on kaksi. Alueterminaalit toimittavat seuraavia tuotteita: RR0 RR1 RR2 RR0 tarkoittaa kokonaisia renkaita. Rouheista yleisempi on RR2, jossa kappaleiden nimellismitta on 5 x 5 cm2. Isommalla koneella voidaan tehdä myös rouhetta RR1, joka on pitkää ja kapeata, ja jonka nimellismitat ovat 10 x 30 cm 2. Kokonaisten renkaiden tilavuuspaino on noin 1.3 kn/m 3. Maarakenteisiin käytettäessä mitoitustilavuuspainona voidaan käyttää 2 kn/m 3. Rengasrouheen tilavuuspainoksi on on ulkolaisissa tutkimuksissa saatu 3-8 kn/m 3. Tiivistyminen kuormituksen alaisena vaikuttaa ratkaisevasti tilavuuspainoon. Suomessa valmistetun rengasrouhe RR2 tilavuuspainoksi on laboratoriossa saatu 5.5 kn/m 3 kuormituksen ollessa 20 kpa ja 6 knm 3 kuormituksen ollessa 30 kpa. Kumimateriaali ei ime vettä ja rouheen vedenläpäisevyys on erittäin hyvä. Täten "vesivaraa" ei mitoituksessa juuri tarvita. Rengasrouheen RR2 mitoitustilavuuspainona voitaneen käyttää 6 kn/m 3. Rengasrouhe RR1 sisältää enemmän tyhjätilaa ja sen tilavuuspainoksi jää 4 kn/m 3. Materiaali ei kuitenkaan sovellu tiepenkereisiin vaan meluvalleihin tms. Rengasrouhe painuu tiivistämisen ja päälle ajettavien kerrosten ajon yhteydessä noin 15 %, mikä materiaalin määrässä ja ennakkokorotuksena on otettava huomioon. Laboratoriokokeissa rengasrouheen koheesioksi on saatu noin 10 kpa ja kitkakulmaksi 25...28 /30/.

Tien kevennysrakenteet 29 Kasoissa rengasrouhe pysyy varsin jyrkissä luiskissa. Tämä johtunee koheesiosta, kun teoreettiset liukupinnat kulkevat levymäisten kappaleiden "läpi" ja murtuminen vaatisi kappaleiden siirtyilemistä toisiinsa nähden. Koheesio syntyy suuremmilla muodonmuutoksilla ja liikenteen kuormittaman väylän vakavuuslaskelmissa koheesion laskentaarvoksi /30/ olisi syytä ottaa 0. Sen sijaan meluvalleissa voisi mahdollisesti hyödyntää rouheen kykyä pysyä jyrkissä luiskissa. Rengaskeventeet tarjoavat muihin kevennysmateriaaleihin verrattuna erityisedun tulva-alueille. Itse kumimateriaali on vettä painavampaa eikä ime vettä. Kevennysvaikutus perustuu pelkästään suureen tyhjätilaan, joka ehjiä renkaita käytettäessä on erityisen suuri. Rengaskeventeillä rakenteeseen nouseva tulvavesi ei aiheuta nostetta. Erityisesti kokonaisia renkaita käytettäessä täytteen yläosa on hyvin "harva", joten se vaatii päällysrakenteen ja luiskatäytteen varisemisen estämiseksi huolellisesti suunnitellun ja rakennetun pintauksen joko lujilla muoviperäisillä lujitteilla tai teräsverkoilla, kts. kohta 3.6. Heikkona puolena rengaskeventeillä on materiaalin ja rakenteen kimmoisuus, mikä vaatii liikennöidyllä tiellä paksua ts. painavaa päällysrakennetta, kts. kohta 3.6.6. Rengaskeventeiden luontevimmat käyttöalueet ovat meluvallit, alemman luokan tiet ja kevennystäytteiden alaosat tulva-alueilla. Rengaskeventeiden käyttö vaatii toistaiseksi hankekohtaisen ympäristöluvan. Tulevaisuudessa pyrittäneen saamaan rengasrouhe rakennusmateriaalituotteeksi, jolloin hankekohtaisia lupia ei tarvita. 2.4 Kevennystarkoituksiin sopivat sivutuotteet Sivutuotteiden hyödyntämiseen on aikaisemmin pyritty lähinnä teknisistä- ja kustannussyistä. Nyttemmin ympäristökysymykset ovat nousseet voimakkaasti esille. Tienrakennuksessa yleisintä on ollut näiden tuotteiden hyödyntäminen päällysrakennetekniikassa. Varsinaisiin kevennystarkoituksiin niitä on käytetty vähän. Seuraavassa käsitellään sellaisia tuotteita, joilla erikoistapauksessa voi olla merkitystä kevennysmateriaalina tai joiden pienehköstä tilavuuspainosta voi pehmeikköalueella olla etua, vaikka niiden käytön pääasialliset perusteet olisivatkin toiset.

30 Tien kevennysrakenteet 2.4.1 Lentotuhka Lentotuhkaa syntyy kivihiili- ja turvevoimalaitoksissa. Lentotuhka otetaan talteen voimalaitosten savukaasuista. Lentotuhkarakeet ovat lasimaisia onttoja tai kiinteitä palloja, osittain särmikkäitä rakeita. Raekoko vastaa luonnon maalajeista silttiä. Materiaali painaa kuivana 10 kn/m 3 ja tiivistettynä 12-16 kn/m 3. Kitkakulma tiivistettynä on 30-33 o ja koheesio 30-35 kn/m 2. Koheesio aiheutuu materiaalin lujittumistaipumuksesta. Lentotuhka sopii pengermateriaaliksi. Rakentaminen voidaan tehdä normaalilla maarakennuskalustolla. Raekoosta johtuen materiaali on arka ylimääräiselle vedelle, joten käsittely ja tiivistäminen on tehtävä välittömästi materiaalin toimituksen jälkeen. Lentotuhka toimitetaan avolavakuljetuksina suoraan voimalaitoksilta joko kuivana tai optimivesipitoisuudessa. Materiaalia ei ole rajattomasti saatavissa ja siksi toimitukset on varmistettava hyvissä ajoin. Lentotuhka syövyttää metalleja mutta ei betonia eikä muoveja. Lentotuhkan käyttö vaatii ympäristökysymyksien huomioonottamista, se ei mm. sovellu pohjavesialueille. 2.4.2 Kuonat Terästeollisuuden kuonia eri tavalla käsiteltyinä - masuunikuonaa ja masuunihiekkaa - käytetään lähinnä päällysrakenteissa, koska niiden ominaisuuksista saadaan silloin paras hyöty. Varsinaisiin kevennysrakenteisiin niitä ei kannata käyttää. Tilavuuspainot vaihtelevat 15-17 kn/m 3, kts. "Tiegeotekniikan yleiset mitoitusperusteet" TIEL 3200150. 2.4.3 Puunjalostuksen sivutuotteet Puunjalostuksessa syntyviä sivutuotteita on kevennystarkoituksiin käytetty suhteellisen vähän. Raportoituja kohteita koko maailmasta on vähänlaisesti. Ruotsin tielaitoksella on kuitenkin puun kuoren ja hakkeen käyttöä koskevat ohjeet /1/. Hiukan enemmän näitä materiaaleja lienee käytetty lämpöeristeinä.

Tien kevennysrakenteet 31 Kevennystarkoituksiin saattavat tulla kysymykseen: sahanpuru havupuun kuori havupuuhake Kuitenkaan entisaikojen tapaan tällaiset tuotteet eivät enää ole ilmaisia. Integroitu puunjalostusteollisuus pyrkii käyttämään nämä sivutuotteet, ennen jätteet, mm. kemiallisessa puunjalostusteollisuudessa ja lastulevyteollisuudessa ja muu ylijäämämateriaali pystytään käyttämään teollisuuden energialaitoksissa. Täten näillä materiaaleilla voi olla tienrakennuksessa lähinnä paikallista käyttömahdollisuutta keventeinä, ehkä lähinnä alueilla, joilla kevytsoran kuljetusmatkat muodostuisivat hyvin pitkiksi. Teknisesti nämä materiaalit lienevät edullisimmillaan esimerkiksi soiden ylityksissä alempiluokkaisilla teillä. Tielaitoksen suunnitteluohjeessa /36/ näiden materiaalien mitoitustilavuuspainoksi ilmoitetaan 5-10 kn/ m 3. Ruotsalaiset ohjeet /1/ ilmoittavat havupuun kuorijätteen tilavuuspainoksi rakenteeseen tiivistettynä 9 kn/m 3 ja vedessä 10 kn/m 3. Suomalaisen koekohteen raportissa /8/ havupuuhakkeen tilavuuspainona on käytetty 7.5 kn/m 3. Nämä materiaalit ovat rakentamisen kannalta jossain määrin ongelmallisia, koska merkittävä osa tiivistymisestä saadaan tapahtumaan vasta päällysrakenteen ajon ja tiivistämisen yhteydessä, joten täytteen ajossa joudutaan arvioimaan tiivistymisvara. Ruotsalaisen ohjeen mukaan kuorijätettä tarvitaan teoreettinen määrä 1.5-kertaisena. Näistä materiaaleista rakennettu penger on luonnostaan hiukan kimmoisa, jolloin päällysrakenteen on oltava riittävän painava eli verraten paksu, kts. kohta 3.6.8. Paksummissa täytteissä on vaarana lämpötilan kohoaminen ja syttymisvaara. Lisäksi materiaaleista saattaa liueta veteen haitallisia parkkihappoja, jotka syövyttävät metalleja ja ovat talousvesissä haitallisia. Pitemmällä tähtäyksellä voi tulla kysymykseen lahoamisvaara. Näitä materiaaleja ei tule käyttää korkealuokkaisilla teillä. 2.5 Muut kevennysmateriaalit Nykyisin taloudellisista ja ympäristösyistä ollaan voimakkaasti kehittämässä erilaisten sivutuotteiden hyödyntämisen lisäksi materiaalien kierrätystä eli nk. uusiotuotteita. Purkutuotteiden jalostuksesta voidaan saada materiaaleja, esimerkiksi tiilimurske, joilla saattaa olla käyttöä kevennysmateriaaleina. Vaikka nämä materiaalit

32 Tien kevennysrakenteet eivät painonsa puolesta pystyisikään kilpailemaan tehokkaidenvarsinaisten kevennysmateriaalien kanssa, voivat ne silti sopia johonkin helpompaan kohteeseen. Näiden materiaalien saatavuus tulee aina olemaan paikallista ja määrät rajoitettuja. Sen vuoksi suunnittelussa on varmistettava materiaalien saatavuus. Käytäntö saattaa mennä sellaiseksi, että näiden materiaalien osalta tehdään rakennustyön aikaisia muutossuunnitelmia materiaalien saannin varmistuttua. Päällysrakennetekniikka on toinen näiden materiaalien sovellutusalue. Näillä materiaaleilla kuten betonimurskeella on sitovia ominaisuuksia, jotka mahdollistavat ohuemman päällysrakenteen, ja voivat tällä tavoin epäsuorasti auttaa penkereen keventämisessä.

Tien kevennysrakenteet 33 3 KEVENNYKSIEN MITOITUS 3.1 Yleisluonteisia näkökohtia kevennyksien mitoituksesta Ainakin massiivisissa kevennyskohteissa sekä vakavuuden että painumien erityisen huolellinen selvittäminen näyttäisi olevan tarkoituksenmukaista seuraavilla perusteilla: Keventäminen on yleensä verraten kallis rakennusmenetelmä. Vaihtoehtoina on useinkin rakennusmenetelmiä, jotka voivat olla yhtä kalliita tai kalliimpia, mutta joilla penkereen painumattomuus saavutetaan varmemmin. Siis jos valitaan kevennys hiukan halvempana, ja työ epäonnistuu, on taloudellinen vahinko erityisen suuri. Kevennetyn penkereen sortuman korjaaminen on vaikeata, koska pahimmassa tapauksessa rakenne joudutaan uusimaan toisella tekniikalla tai ainakin toisella kevennysmateriaalilla. Kevennetyn penkereen painumien korjaamiseen on vain rajoitetusti mahdollisuuksia. Eräissä tapauksissa (esimerkiksi siirtymärakenteen "tyvipäässä") pyritään painumattomaan penkereeseen. Konsolidaatiojännityksen vaikutus kevennyksen paksuuteen, mitoituksen onnistumiseen ja kustannuksiin on merkittävä. Pohjatutkimukset kevennyskohteissa ovat periaatteessa samat kuin maavaraisia penkereitä suunniteltaessa. Kevennyksien suunnittelua varten on varsinaisten pohjatutkimuksien lisäksi perusteellisesti selvitettävä tulvavesirajat nostemitoitusta varten. 3.2 Vakavuus Vakavuuslaskelmat kevennyskohteissa tehdään seuraavien ohjeiden mukaisesti: "Geotekniset laskelmat" TIEL 2180002 "Maavarainen tiepenger savikolla" TIEL 3200276 Vakavuuslaskelmat tehdään yleensä tavanomaisina liukupintalaskelmina normaaleja laskentaohjelmia käyttäen. Erityisesti siltojen taustatäytöissä joudutaan tutkimaan kevennetyn penkereen vakavuus sekä tien poikkisuunnassa että myös eteen silta-aukon suuntaan. Meluvalleissa vakavuus tarkistetaan "maaston" suuntaan ja tien suuntaan, erityisesti jos itse tie on leikkauksessa.

34 Tien kevennysrakenteet Kevennyskohteiden vakavuuslaskelmissa päällysrakenteen, reunapenkereiden ja luiskatäytteiden painolla on merkittävä vaikutus, joten näiden mitat ja paksuudet on luotettavasti selvitettävä ja päätettävä ennen laskentatyöhön ryhtymistä. Liian raskas reunapenger voi olla vakavuuden kannalta heikoin kohta rakenteessa. Reunapenkereitä ja luiskatäytteitä voidaan tarvittaessa keventää käyttämällä lujiterakenteita. Laskelmissa käytetään kevennysmateriaalien kohdassa 2 esitettyjä tai muutoin selvitettyjä tai harkittuja kitkakulmia. Materiaalien keveydestä johtuen keventeen kitkakulman vaikutus tulokseen on kuitenkin vähäinen. 3.3 Painumat Painumalaskelmat kevennyskohteissa tehdään tavanomaisin laskentamenetelmin seuraavien ohjeiden mukaisesti: Geotekniset laskelmat TIEL 2180002 Maavarainen tiepenger savikolla TIEL 3200276 Tiepenkereen siirtymärakenteet pehmeiköllä TIEL 3200248 Painumalaskelmat tehdään nykyisin pääsääntöisesti laskentaohjelmilla. Eräissä erityisesti tierakenteiden geoteknisiin laskelmiin tarkoitetuissa ohjelmissa on kevennysrakenne "sisäänrakennettuna" vaihtoehtona parilla näppäimenlyönnillä luotavissa, mikä nopeuttaa työtä merkittävästi. Maan ollessa lievästi ylikonsolidoitunutta tai pyrittäessä painumattomaan rakenteeseen tulee kevennetyssä rakenteissa laskelmista tulokseksi saatava ja todellinenkin painuma varsin herkäksi laboratoriokokeista arvioidun konsolidaatiojännityksen arvolle. Konsolidaatiojännityksen arviointi täytyy täten tehdä erityisen huolellisesti ja tarvittaessa tehdä herkkyystarkasteluja konsolidaatiojännityksen arviointitarkkuus huomioiden, jottei rakenteen toimimisen suhteen tulisi yllätyksiä tai pettymyksiä. Siirtymärakenteissa, joissa kiilan painumattomaan rakenteeseen rajoittuva "tyvipää" olisi saatava ehdottoman painumattomaksi, on syytä ottaa ohjeen "Tiepenkereen siirtymärakenteet pehmeiköllä" TIEL 3200248 mukainen noin 3 kpa varmuusmarginaali konsolidaatiojännityksen ja rakenteesta aiheutuvan jännityksen välille. Kevennyksen muotoilulla poikkileikkauksessa voi yrittää edistää tien poikkikallistuksen säilymistä. Painumalaskelmat muuttuvat tosin huomattavan paljon suuritöisemmiksi.