Ramboll Finland Oy, valvojana DI Harri Jyrävä

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU Rakennustekniikan koulutusohjelma Yhdyskuntatekniikka Opinnäytetyö LÄMPÖKÄSITTELYN VAIKUTUS STABILOITAVUUSTUTKIMUSTEN LUJUUSTULOKSIIN Työn ohjaaja Työn teettäjä Tampere 2008 DI Hannele Kulmala Ramboll Finland Oy, valvojana DI Harri Jyrävä

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU Rakennustekniikka Yhdyskuntatekniikka Mäkinen, Ari Lämpökäsittelyn vaikutus stabiloitavuustutkimusten lujuustuloksiin Opinnäytetyö 67 sivua + 21 liitesivua Työn ohjaaja DI Hannele Kulmala Työn teettäjä Ramboll Finland Oy, valvojana DI Harri Jyrävä Kesäkuu 2008 Hakusanat stabilointi, lämpökäsittely, lujuustulokset, stabiloitavuuskoe TIIVISTELMÄ Tämä opinnäytetyö käsittelee maaperän stabiloitavuustutkimuksia laboratorioolosuhteissa. Stabiloinnilla tarkoitetaan yleisesti pehmeiden maa-ainesten, kuten esimerkiksi saven, liejun, turpeen ja ruoppaussedimenttien jalostamista rakennuskelpoisiksi lisäämällä ja sekoittamalla maahan sideainetta. Sideaineena käytetään usein sementtiä ja kalkkia, mutta myös teollisuuden sivutuotteita kuten erilaisia kuonajauheita ja tuhkia käytetään. Ennen varsinaista rakennuspaikalla tehtävää stabilointityötä on tehtävä hankekohtaisia laboratoriotutkimuksia, joilla selvitetään maaperän stabiloitavuus sekä sille oikea sideaine ja sen määrä. Tässä opinnäyteyössä tutkittiin lämpökäsittelyn vaikutusta stabiloitavuustutkimusten lujuustuloksiin. Työn tarkoituksena oli selvittää saataisiinko koekappaleiden lujittumisajan säilytyslämpötilaa nostamalla luotettavia lujuustuloksia nopeammin, kuin nykyisellä normaalimenetelmällä. Nykymenetelmässä kappaleiden valmistuksen jälkeen niitä säilytetään ensin kaksi vuorokautta +20 C:ssa, minkä jälkeen ne siirretään +8 C:een säilytyksen loppuajaksi. Nykyisellä menetelmällä koekappaleet koestetaan 28:n tai 90:n vuorokauden ikäisenä. Työn tutkimuksissa käytettiin maa-aineksista savea ja liejua, yhteensä viittä eri runkoainetta, sekä niiden kanssa viittä eri sideaineseosta: yleissementti, kalsiumoksidi + yleissementti, GTC/FTC, masuunikuonajauhe + yleissementti sekä lentotuhka + yleissementti. Lämpökäsittelyyn valittiin kolme säilytyslämpötilaa: +20 C, +25 C ja +30 C. Niillä saatuja tuloksia verrattiin normaalimenetelmällä saatuihin tuloksiin. Työssä valmistettiin yhteensä noin 420 koekappaletta tutkimuksia varten. Opinnäytetyön tutkimustulosten perusteella vaikuttaa siltä, että +30 C:een lämpökäsittely sopii uudeksi säilytysmenetelmäksi ainakin stabiloitavuuskokeiden alkuvaiheessa tehtävää lujittumisen alustavaa arviointia ajatellen, tietyt reunaehdot ja virhemarginaalit huomioiden. Esikoetutkimusten tulosten perusteella voidaan tehdä varsinainen laajempi stabiloitavuustutkimusohjelma. Toisaalta samalla on mahdollista saada nopeasti alustavaa tietoa sideainelaatujen keskinäisistä toimivuuseroista sekä saavutettavista lujuusominaisuuksista. Normaalimenetelmän 28 vuorokauden ikäisillä kappaleilla saadut lujuudet saavutettiin käytetystä sideaineesta riippuen +30 C:een lämpökäsittelyssä 2-7 vuorokaudessa. Näin ollen lämpökäsittelymenetelmään siirtymisen avulla säästetään arvokasta aikaa stabiloitavuustutkimuksia tehtäessä. Tämä opinnäytetyö keskittyy käytettyjen tutkimusmenetelmien ja materiaalien kuvaamiseen sekä saatujen tulosten analysointiin.

TAMPERE UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES Department of Construction Technology Civil Engineering Mäkinen, Ari Heat treatment`s effect on compression strengths in stabilisation tests Engineering Thesis 67 pages, 21 appendices Thesis supervisor Mrs Hannele Kulmala, (M.Sc.) Commissioning company June 2008 Key words Ramboll Finland Ltd. Supervisor: Mr Harri Jyrävä, (M.Sc.) stabilisation, heat treatment, compression strengths, stabilisation test ABSTRACT This engineering thesis deals with stabilisation investigations in laboratory circumstances. Generally stabilisation means improving the properties and behaviour of soft soil materials like some minerals, clay, gyttja, peat and dredged sediments by mixing binder into the soil. Often used binders are cement and calsiumoxide, but also different industrial by-products like different slags and ashes are used. Site specific laboratory investigations are needed to make right choices of the binder and its quantity. This research is about how heat treatment effects on compression strengths in stabilisation tests. After the stabilisation test specimens are made, the normal method is to keep them the first two days in the temperature of +20 C and after that they are moved to the temperature of +8 C. The specimens are kept in +8 C until they are compressed. Normally they are tested after consolidation time of 28 days or 90 days. The idea of the research was to investigate if it could be possible to achieve reliable compression strength results faster by keeping the test specimens in warmer temperature right after they are made and until they are compressed. Used base materials were three different clay and two different gyttja. There were also five different binder materials used in the tests: cement, calsiumoxide+cement, GTC, slag +cement and fly ash +cement. For the heat treatment three different temperatures were chosen: +20 C, +25 C and +30 C. Approximately 420 test specimens were made in this research. The research results show that it is possible to consider the heat treatment temperature +30 C as a new method used in the preliminary stabilisation tests. However certain mistake marginals and boundary lines must be noticed. The actual stabilisation test programme is made from the base of the preliminary test results. The compression strengths achieved with normal method in 28 days are achieved with the heat treatment of +30 C in 2-7 days, depending on the used binder material. Therefore valuable time can be saved by using the heat treatment in the stabilisation tests. Main concentration in this final thesis is on the explanation of the used test methods and materials and result analyses.

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ ALKUSANAT Tämän opinnäytetyön tekeminen oli mielenkiintoista ja haastavaa. Sain arvokasta oppia ja kokemusta monenlaisista itselleni uusista asioista. Näistä opeista on minulle varmasti hyötyä myös tulevaisuudessa. Kiitän seuraavia henkilöitä: Pentti Lahtista, joka tarjosi tätä aihetta minulle ja antoi opinnäytetyön tekemiselle hyvät lähtökohdat, työn valvojaa Harri Jyrävää, jolta saamani apu tätä opinnäytetyötä tehtäessä oli korvaamatonta, kaikkia muita työtovereitani Ramboll Finlandin Luopioisten yksikössä avusta ja kannustuksesta sekä opinnäytetyön ohjaajaa Hannele Kulmalaa, joka antoi arvokasta palautetta ja vinkkejä koulun näkökulmasta katsottuna. Lisäksi kiitän avopuolisoani, vanhempiani ja muita läheisiäni niin henkisestä kuin myös taloudellisesta tuesta koko opiskelujeni aikana. Tampereella, kesäkuussa 2008

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 5(67) SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKUSANAT SISÄLLYSLUETTELO..5 1 JOHDANTO 6 1.1 Työn taustat...6 1.2 Työn rajaus....6 2 KIRJALLISUUSSELVITYS...7 2.1 Yleistä stabiloinnista.7 2.2 Stabilointimenetelmien perusteita.8 2.2.1 Massastabilointi.....8 2.2.2 Pilaristabilointi..10 2.2.3 Kerrosstabilointi (Pintastabilointi)....11 2.2.4 Prosessistabilointi.12 2.3 Stabilointia suunniteltaessa tehtäviä tutkimuksia....12 3 LABORATORIOTUTKIMUKSET... 14 3.1 Tutkimusmenetelmät... 14 3.2 Työssä käytetyt materiaalit..18 3.2.1 Runkoaineet..18 3.2.2 Sideaineet/sideaineseokset....21 3.3 Työohjelma..23 4 TULOKSET JA NIIDEN ANALYSOINTI... 24 4.1 Saavutetut puristuslujuudet ja lujittumisen arviointi tavoitetasoon verrattuna 24 4.2 Lämpökäsittelyn vaikutuksen arviointi 32 5 YHTEENVETO JA JOHTOPÄÄTÖKSET...61 6 JATKOTOIMENPITEET... 63 LÄHDELUETTELO.. 64 LIITELUETTELO..67 LIITTEET

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 6(67) 1. JOHDANTO 1.1 Työn taustat Ramboll Finland Oy:n tutkimus- ja kehitysyksikkö Luopioisissa on tehnyt ympäristö- ja maarakennusalan teknologioiden ja materiaalien tutkimus- ja kehitystyötä vuodesta 1989 lähtien. Yksi tärkeä osa yksikön toimintaa ovat stabiloitavuustutkimukset eri tarkoituksiin. Pitkäjänteisellä sideaineiden kehitystyöllä on löydetty uusia ratkaisuja heikkolaatuisten kiviaines-, turve-, savi-, lieju- ja ruoppaussedimenttien ym. materiaalien ominaisuuksien jalostamiseen uusilla sideaineilla. Hankekohtaisten laboratoriossa tehtävien stabiloitavuustutkimusten avulla valitaan oikea sideaine ja optimoidaan sen määrä. Stabiloinnilla maalle saavutettavat lujuusarvot ovat tärkein kriteeri stabiloinnin onnistumisen arvioinnissa. Tutkimukset säästävät hankkeen sideainekustannuksia ja antavat luotettavan pohjan suunnittelulle. Tämän opinnäytetyön tekemisen perusteena on Rambollin stabiloitavuustutkimuksia tilaavien asiakkaiden jo pitkään jatkuneet tiedustelut mahdollisista nopeutetuista laboratoriotesteistä. Tämä johtuu siitä, että usein tutkimuksia tilattaessa työmaalla on jo kiire eikä olisi aikaa odottaa tutkimustuloksia kovin pitkään. Nykymenetelmällä tuloksia saadaan koekappaleiden valmistuksen jälkeen yhden ja/tai kolmen kuukauden päästä. Testejä voitaisiin nopeuttaa esimerkiksi lämpökäsittelemällä koekappaleet, jolloin niiden lujittuminen nopeutuu. Nopeutettujen testien käyttöönottaminen vaatii kuitenkin ensin tutkimustyötä ja tämän opinnäytetyön tavoitteena on selvittää saadaanko kappaleiden lämpökäsittelyllä luotettavia lujuustuloksia nopeammin kuin nykyisellä käytännöllä. 1.2 Työn rajaus Tässä työssä päätettiin keskittyä tutkimaan maa-aineksista savea ja liejua, yhteensä viittä eri runkoainetta. Tutkimuksessa käytettäviä sideaineita ja sideaineseoksia valittiin myös viisi: Yleissementti, kalsiumoksidi+yleissementti, GTC (valmis

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 7(67) sideaineseos, joka koostuu kipsistä, sammutetusta kalkista ja sementistä), masuunikuonajauhe+yleissementti ja lentotuhka(biotuhka, lähinnä turpeesta)+yleissementti. Nykyisin käytetty stabiloitavuuskoekappaleiden lujittumisajan säilytyslämpötila on niiden valmistamisen jälkeen ensimmäiset kaksi vuorokautta huoneenlämmössä (+20 C), minkä jälkeen kappaleet siirretään kylmiöön +8 C:een. Lämpökäsittelyyn valittiin kolme nykyistä korkeampaa säilytyslämpötilaa: +20 C, +25 C ja +30 C. Lämpökäsittelyssä periaatteena on säilyttää kappaleet samassa lämpötilassa niiden valmistamisesta aina koestukseen saakka. Työssä valmistettiin noin 420 koekappaletta tutkimuksia varten. 2 KIRJALLISUUSSELVITYS 2.1 Yleistä stabiloinnista Nykyään rakennetaan yhä enemmän teitä, rautateitä sekä muita rakennelmia ja asuinalueita huonosti kantaville maaperille. Tämä johtuu mm. kaupunkirakenteen tiivistämisestä, tilan puutteesta ja siitä, että parhaiten rakennettavissa olevat alueet on jo rakennettu täyteen. Lisäksi infrastruktuurihankkeissa tiet ja rautatiet pyritään yleensä tekemään mahdollisimman lyhyiksi, jolloin niiden kulkureitit kulkevat usein pehmeikköjen päältä. Perinteisesti heikosti kantavat maapohjat on massanvaihdolla korvattu kantavilla ja rakentamista ajatellen ominaisuuksiltaan paremmilla kiviaineksilla. Nykyisin toisena erittäin potentiaalisena vaihtoehtona on maaperän ominaisuuksien parantaminen stabiloinnin avulla. /8/ Nykyisten tekniikoiden avulla päästään rakentamaan lähes minkälaiseen maaperään tahansa, ja pehmeille alueille rakennettaessa myös perustamistöiden kustannukset on saatu kohtuulliselle tasolle. Stabiloinnin etuja massanvaihtoon verrattuna ovat mm. luonnonvarojen, esimerkiksi arvokkaiden sora-alueiden säästäminen, kuljetuskustannuksien pieneneminen sekä muut säästöt massojen korvaamisessa ja läjittämisessä. Nykyään kaikessa toiminnassa - myös rakentamisessa - korostetaan sen vaikutusta ja merkitystä ympäröivälle luonnolle. Stabilointimenetelmät voivat siis vähentää ympäristölle aiheutuvaa kuormitusta

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 8(67) merkittävästikin mm. juuri kiviainesten oton ja kuljetuksista aiheutuvien ilmansaastepäästöjen osalta. /4/ Stabiloinnilla pyritään pehmeän maa-aineksen ominaisuuksien kuten lujuuden ja kestävyyden parantamiseen, painumien syntymisen ja tilavuuden muutosten vähentämiseen sekä vaikuttamaan maan vedenläpäisevyyteen. /8;13/ Stabiloinnissa maa-ainekseen sekoitetaan sideainetta. Perinteisesti sideaineina on käytetty kalkkia, sementtiä ja niiden sekoitusta. Nykyään käytetään yhä enemmän myös teollisuuden sivutuotteita kuten masuunikuonajauhetta, lentotuhkaa ja kipsiä (sideaineista tarkemmin luvussa 3.2.2). Jotkut sideainevalmistajat ovat myös kehitelleet tuotemerkkeinä valmiita sideaineseoksia juuri maa-ainesten stabilointeja varten. Teollisuuden sivutuotteiden käyttämisellä ja kehitystyöllä pyritään mm. hankkeiden kustannusten pienentämiseen, luonnon uusiutumattomien sora- ja hiekkavarojen käytön korvaamiseen sekä kaato- ja läjityspaikoille päätyvien massamäärien vähentämiseen. Stabiloitavuus-tutkimukset ja stabilointien toteuttaminen vaativat niitä varten suunniteltuja erikoislaitteita sekä kyseisiin töihin perehtynyttä henkilökuntaa. /1;2;13/ 2.2 Stabilointimenetelmien perusteita 2.2.1 Massastabilointi Massastabilointi on uudehko pohjanvahvistusmenetelmä, jossa tarkoituksena on sekoittaa sideaine mahdollisimman tasaisesti stabiloitavaan maakerrokseen. Massastabiloinnilla voidaan parantaa turve-, lieju- ja savikerrosten kantavuutta esimerkiksi siltojen, teiden, katujen ja rautateiden sekä piha-, varasto- ja urheilualueiden pohjatöitä varten. Lisäksi massastabiloinnilla voidaan kiinteyttää ruoppausmassoja sekä pilaantuneita maita sitouttaen haitta-aineet stabiloituun massaan. /20/

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 9(67) Massastabiloinnissa sideaineen sekoitus pehmeään maa-ainekseen tapahtuu yleensä nimenomaan tätä työmenetelmää varten kehitetyllä sekoitinlaitteistolla, joka on liitetty kaivinkoneeseen (kuva 1). Laitteisto mahdollistaa maahan syötettävän sideainemäärän säädettävyyden ja kontrolloinnin. Sideaineen syöttö ja sekoitustyö tapahtuu vaaka- ja pystysuuntaisesti. Tällä tavalla saadaan suhteellisen homogeeninen ja tasaisesti lujittunut stabiloitu maakerros. In-situ -menetelmässä (kuva 1) stabilointi tapahtuu luonnontilaisen maa-aineksen alkuperäisessä sijaintipaikassa maa-ainesta kaivamatta ja paikalta pois siirtämättä. Tällöin stabiloitavan kerroksen paksuus voi olla nykymenetelmillä viisi tai jopa kuusi metriä. Ex-situ -menetelmässä maa-aines kaivetaan ylös ja siirretään muualle stabilointikäsittelyä varten. Läjitetty maa-aines muotoillaan aumaksi, jonka päälle levitetään sideaine. Sekoitus tapahtuu esimerkiksi ajamalla aumasekoittimella niiden yli. Stabiloidun massan varastoinnissa ja käyttöönotossa on huomioitava massan lujittuminen. Jos massa on päässyt kovettumaan liian pitkään, sen jatkokäsittely kuten kuormaus, levitys, muotoilu ja tiivistys hankaloituvat. Toisaalta vaaditaan riittävä alkulujittuminen, jotta massat ovat ylipäätään käsittelykelpoisia. Massastabilointi on myös mahdollista yhdistää pilaristabiloinnin kanssa (tästä lisää luvussa 2.2.2). /13;15;17/ Kuva 1 Periaatekuva massastabiloinnin työmenetelmästä. /14/

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 10(67) 2.2.2 Pilaristabilointi Pohjoismaissa nykyisenkaltainen kuivamenetelmällä tapahtuva pilaristabilointi on tunnettu 1960-luvulta lähtien. Periaate on pysynyt samana vaikka menetelmää ja työtapoja onkin hieman muunneltu vuosien varrella. Pilaristabiloinnissa maaaineksesta ja sideaineesta sekoitetaan maahan pilareita upottamalla pilarointikoneen sekoituskärki pohjamaahan haluttuun tasoon asti, minkä jälkeen aloitetaan paineilman avulla sideaineen syöttö sekoitinkärkeen samalla sitä nostaen ja pyörittäen (kuva 2). /5/ Kuva 2 Syvästabiloidun pilarin valmistus. /9/ Syvästabiloinnissa tehtävät pilarit ovat halkaisijaltaan 500-800 mm, yleisimmin kuitenkin 600-700 mm, ja ne voidaan ulottaa alkamaan jopa noin 25 metrin syvyydestä. Valmistettavien pilareiden väliin jää tavallista stabiloimatonta maaainesta. Jännitykset jakautuvat pilareille ja niitä ympäröivälle maalle. Oleellisimpia asioita pilarien valmistamisen onnistumisen kannalta ovat sideaineen syötön tasaisuus ja hallittavuus sekä riittävän tehokas sekoitustyö. Pilaristabilointia voidaan käyttää pohjanvahvistusmenetelmänä savi-, siltti-, lieju- ja turvemaille. Yleisimmin pilaristabiloinnissa käytetyt sideaineet ovat kalkki ja sementti sekä niiden seos, mutta myös teollisuuden sivutuotteita kuten lentotuhkaa, masuunikuonajauhetta ja erilaisia kipsiseoksia (esim. FTC(GTC)) on alettu käyttää

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 11(67) myös syvästabiloinnissa. Esimerkiksi tierakenteissa on hyödynnetty myös pilari- ja massastabilointitekniikoiden hyvät puolet yhdistämällä ne kuvan 3 mukaiseksi rakenteeksi. /17;22/ Kuva 3 Massastabiloinnin ja syvästabiloinnin yhdistämisen periaate /17/ 2.2.3 Kerrosstabilointi (Pintastabilointi) Pintastabiloinnissa maan pintakerros vahvistetaan vaakasuuntaisesti maksimissaan 0,4 metrin syvyydeltä sekoittamalla maahan sideainetta joko sekoitusasemalla tai rakennuspaikalla. Sideaineena voidaan käyttää esimerkiksi sementtiä tai bitumia, mutta myös teollisuuden sivutuotteita kuten lentotuhkaa. Sementtiä käytettäessä syntyvää massaa kutsutaan maabetoniksi. Maabetoni on luja ja jäykkä rakenne. Maabetonia käytetään yleensä teiden kantavissa kerroksissa. Pintastabilointia käytetään pohjanvahvistusmenetelmänä teiden, katujen ja piha- sekä varastoalueiden rakentamisessa. Teiden kunnostuksessa pintastabilointia voidaan käyttää paikalla rakennettaessa jyrsimällä päällyste tien pintaosien sekaan, minkä jälkeen sideaine levitetään kerroksen päälle ja jyrsitään/sekoitetaan pintaosat uudelleen. Tämän jälkeen tehdään tiivistys, ja lujittumisvaihe alkaa. /17;8/

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 12(67) 2.2.4 Prosessistabilointi Ruoppausmassojen eli ruoppaussedimenttien stabilointiin on osin vielä kehitteillä uusi stabilointitekniikka nimeltä prosessistabilointi. Sen periaatteena on stabiloida ruopattu sedimenttimassa sekoitinlaitteistossa siirtovaiheessa proomusta loppusijoituspaikkaan, jonne se stabiloituu ja kiinteytyy sitouttaen samalla mahdollisia haitta-aineita. Prosessistabiloinnista haetaan vaihtoehtoa massastabiloinnille ja sen ympäristöön kohdistamat riskit ovatkin pienemmät kuin massastabiloinnilla, koska prosessistabiloinnissa ruoppausmassat stabiloidaan ennen loppusijoitusta ja sekoitus on tehokkaampaa ja tasalaatuisempaa. Tämän vuoksi hienoaineksen ja mahdollisen pilaantuneen aineksen leviäminen ja liikkeelle lähteminen altaassa olevaan veteen pitäisi olla hyvin vähäistä. Prosessistabilointitekniikkaan soveltuva laitteisto on kuitenkin vielä testaus- ja kehitysasteella. /4;19/ Mikäli oikeanlainen ja toimiva laitteisto saadaan kehitettyä jopa suuria käsiteltäviä massamääriä ajatellen, prosessistabilointitekniikka tulee olemaan erittäin mielenkiintoinen ja varmasti kysyntää herättävä työmenetelmä tulevaisuudessa. 2.3 Stabilointia suunniteltaessa tehtäviä tutkimuksia Pohjanvahvistusta tarvitseva maa-alue voidaan kartoittaa tulevia stabiloitavuustutkimuksia ja itse rakentamistyötä varten erilaisilla pehmeikköjen pohjatutkimusmenetelmillä. Tällaisia menetelmiä ovat mm. yleistietoon perustuvat karttakuvien, geologisten muodostumien, kasvillisuuden ja maaston topografian perusteella tehtävät tulkinnat, joita tukemaan ja tarkentamaan tehdään esimerkiksi erilaisia kairauksia, koekuoppia, pohjavesitutkimuksia, näytteenottoja ja luotauksia. Geofysikaalisista menetelmistä voidaan mainita maatutkaluotaus, jonka avulla voidaan määrittää esimerkiksi suopehmeiköillä turvekerroksen paksuus. Näillä menetelmillä selvitetään maan laatu, määrä, kerrosrajat ja muut rakentamiseen vaikuttavat tiedot ja ominaisuudet, ja niiden perusteella valitaan

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 13(67) pohjanvahvistusmenetelmä, selvitetään ympäristövaikutukset, mitoitetaan pohjanvahvistus ja suunnitellaan työnaikaisia rakenteita. /11/ Päälinjaukset stabilointia ajatellen voidaan nykyään tehdä aikaisempien kokemusten perusteella, mutta esimerkiksi eri sideaineseosten soveltuminen stabilointiaineeksi eri maa-aineksille on aina erittäin tapaus- ja hankekohtaista. Tämän vuoksi tarvitaan tarkempia tutkimuksia toteutettavaa stabilointia varten. Stabiloitavuuskokeisiin liittyen tehdään laboratoriossa erilaisia määrityksiä ja kokeita tulevalta stabilointi- ja rakennuspaikalta otetuille, mahdollisimman hyvin stabiloitavaa maata edustaville maanäytteille. Tavanomaisimpia pehmeikkönäytteelle tehtäviä perustutkimuksia ovat mm. silmämääräinen maalajimääritys, vesipitoisuus, humuspitoisuus sekä rakeisuusmääritykset, joiden avulla tehdään tarkempi maalajimääritys (tutkimuksista tarkemmin luvussa 3.1). Näiden tutkimusten perusteella tehdään stabiloitavuustutkimusohjelma, jonka tavoitteena on varmistaa ko. maa-aineksen stabiloitavuus, sopivan sideaineen löytäminen sekä sitä tarvittavan määrän selvittäminen ja optimointi, arvioida tarvittavaa lujittumisaikaa, määrittää stabiloidun maan lujuusominaisuuksia sekä ottaa kantaa mahdolliseen työtekniseen toteutukseen sekä kustannusten muodostumiseen. Stabiloitavuusohjelmassa valmistetaan koekappaleita tutkittavan maa-aineksen ja eri sideaineiden tai sideaineseoksien seoksesta. /11/

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 14(67) 3 LABORATORIOTUTKIMUKSET 3.1 Tutkimusmenetelmät Ennen laboratoriotutkimusten aloittamista runkoainemateriaalit homogenisoitiin näytekohtaisesti tasalaatuiseksi massaksi. Runkomateriaalinäytteiden vesipitoisuus (w) määritettiin uunikuivauksella (105 C) ja vesipitoisuus laskettiin näytteen sisältämän vesimäärän suhteena näytteen kuivamassaan kaavan 1 mukaisesti. /7/ mw w (%) = 100 m d (1) w = vesipitoisuus (%) m w = maanäytteen sisältämän veden massa (g) m d = kuivan maanäytteen massa (g) Runkomateriaalinäytteiden humuspitoisuutta eli maalajin sisältämän eloperäisen aineksen suhteellista osuutta arvioitiin hehkutushäviön (Hh) perusteella kuivapolttomenetelmällä hehkutusuunissa (800 C). Hehkutushäviö laskettiin kuivattua näytettä hehkutettaessa hävinneen massan suhteena näytteen kuivamassaan kaavan 2 mukaisesti. /10/ Tämän työn hehkutushäviöt ovat kahden rinnakkaisen näytteen keskiarvoja. m1 m2 Hh (%) = 100 m 1 (2) Hh = hehkutushäviö (%) m 1 = kuivatun näytteen massa (g) m 2 = hehkutetun näytteen massa (g)

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 15(67) Runkomateriaalinäytteiden rakeisuusmääritykset tehtiin geoteknisten laboratorioohjeiden (GLO-85) mukaisesti. Stabiloinnissa käytettävien sideainemäärien mittaamisessa tarvittava runkomateriaalin märkätiheys ( ρ ) määritettiin painelemalla häiriintynyttä m (stabiloimatonta) näytettä mittasylinteriin. Sylinterin täyttö tapahtui siten, ettei näytteeseen jäänyt koloja. Märkätiheydet laskettiin tunnetun sylinterin tilavuuden ja siihen painellun näytteen massan perusteella kaavan 3 mukaisesti /7/. ρ = m m V (3) ρ m = irtotiheys luonnonkosteana (märkätiheys kg/m³) m = tutkittavan maaerän massa luonnonkosteana (kg) V = tutkittavan maaerän luonnontilainen tilavuus (m³) Stabiloitavuustutkimusten yhteydessä homogenisoituun runkomateriaalinäytteeseen sekoitettiin haluttu määrä sideainetta (kg/m³), sideaineen määrä laskettiin suhteessa stabiloitavan runkomateriaalin märkätiheyteen kaavan 4 mukaisesti. Sekoitus tapahtui kuvan 4 mukaisella laboratoriosekoittimella noin 1 kg:n sekoituserinä. Yhdestä sekoituserästä valmistettiin kolme koekappaletta. Sekoituksessa käytettiin vakiotyömäärää 2min/sekoituserä. 1 m 1 m2 m = ρ ρ (4) m 1 = sekoituserään tarvittavan sideaineen massa (g) ρ 1 = haluttu sideainemäärä (kg/m³) ρ m = runkomateriaalin märkätiheys (kg/m³) m 2 = sekoituserässä käytettävän runkomateriaalin massa (g)

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 16(67) Kuva 4 Työssä käytetty laboratoriosekoitin. Sekoitettu massa (=stabiloitava runkomateriaali+sideaine) pakattiin käsin ja puukepillä varovasti painellen halkaisijaltaan 42 mm:n näytesylintereihin, joiden korkeus oli noin 125 mm (kuva 5). Normaalikäytännössä näytesylinterit säilytettiin 2 ensimmäistä vuorokautta sideaineen sekoittamisen jälkeen huoneenlämmössä (noin +20 C) lämpöeristettyihin laatikoihin pakattuna. Alkuvaiheen lämpökäsittelyn jälkeen säilytyslämpötila oli koestamiseen saakka +8 C. Tässä työssä normaalikäytännön lisäksi käytettiin kolmea muuta säilytyslämpötilaa: +20 C, +25 C ja +30 C. Näytesylinterit siirrettiin näihin lämpötiloihin heti kappaleiden valmistamisen jälkeen, ja ne säilytettiin näissä lämpökäsittelyolosuhteissa aina koestamiseen asti. Koekappaleiden kuivuminen estettiin pakkaamalla ne muovipusseihin.

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 17(67) Kuva 5 Koekappaleen valmistaminen Ennen puristuslujuusmääritystä koekappaleet poistettiin näytesylintereistä ja niiden päät tasattiin, samalla tarkistettiin silmämääräisesti kappaleiden homogeenisuus ja ehjyys. Koestus tapahtui kuvassa 6 olevalla puristimella 1-aksiaalisesti käyttäen kuormitusnopeutta 1 mm/minuutti. Tietokoneohjelma rekisteröi puristuksen ja tapahtuneen muodonmuutoksen piirtäen niistä kuvaajaa (Liitteet). Koekappaleet kuormitettiin murtoon saakka. Koekappalekoko oli h/d = 84/42 mm. Tässä työssä esitettyjä lujuustuloksia ei ole korjattu muotokertoimella. Kuva 6 Puristukset tehtiin 1-aksiaalisesti.

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 18(67) 3.2 Työssä käytetyt materiaalit 3.2.1 Runkoaineet Tässä opinnäytetyössä päätettiin keskittyä tutkimaan maa-aineksista savea ja liejua, yhteensä viittä eri runkoainetta, joilla on erilaiset vesi- ja humuspitoisuudet. Runkomateriaalit on selkeyden vuoksi nimetty toisistaan erottuakseen siten, että varsinaisen maalajinimen perään on lisätty kyseisen runkoaineen vesipitoisuus. Maalajinimet on määritetty rakeisuuskäyrien (kuva 7) ja saatujen hehkutushäviöiden (taulukko 1 ja kuva 8) avulla arvioidun humuspitoisuuden perusteella. Taulukossa 1 on esitetty runkoaineiden määritetyt luokitteluominaisuudet ja tässä opinnäytetyössä runkomateriaaleista käytetyt nimitykset. Kaikki tässä työssä käytetyt runkoaineet ovat olleet varastoituna jonkin aikaa ennen testejä ja näin ollen niiden ominaisuudet ovat saattaneet hieman muuttua alkuperäiseen luonnontilaan verrattuna. Tämä saattaa osaltaan vaikuttaa hieman myös saavutettaviin lujuustuloksiin. Taulukko 1 Työssä käytettyjen runkoaineiden määritetyt luokitteluominaisuudet Materiaali w (%) tiheys (kg/m³) Hh (%) Materiaalin nimitys tässä työssä savinen lieju 45 1770 14,5 salj w=45% savi 73 1560 3,7 Sa w=73% savi 87 1480 4,7 Sa w=87% liejuinen savi 130 1350 6,6 ljsa w=130% savinen lieju 170 1240 14,1 salj w=170% Runkomateriaalinäytteiden rakeisuusmääritykset (kuva 7) tehtiin geoteknisten laboratorio-ohjeiden (GLO-85) mukaisesti. Savipitoisuus (<0,002 mm rakeet) vaikuttaa maalajin nimenmäärityksessä seuraavasti: 10% ei vaikuta lainkaan maalajin nimeämiseen > 10-30% lisänimi savinen 30% päänimi savi. /7/

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 19(67) Kuva 7 Runkoaineiden rakeisuuskäyrät

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 20(67) Kuva 8 Kideveden osuuden arviointi polttokokeessa. /10/ Näytteen humuksen määrää arvioitaessa käytettiin kuvassa 8 esitettyä käyrää. Käyrältä voidaan lukea kideveden osuus hehkutushäviöstä näytteen savipitoisuuden perusteella. Vähentämällä tuo kideveden osuus hehkutushäviöstä saatiin humuspitoisuus, joka vaikutti maalajin nimeämiseen seuraavasti: Humuspitoisuuden ollessa <2% kivennäisaineksesta, ei aiheuta lainkaan lisänimeä 2-6% lisänimi liejuinen, päänimi kivennäisaineksen rakeisuuden perusteella 6-20% päänimi Lieju, lisänimi kivennäisaineksen rakeisuuden perusteella >20% Lieju, ei lisänimeä. /7/

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 21(67) 3.2.2 Sideaineet/sideaineseokset Yleissementti (Yse) Sementti on maailman yleisin sideaine. Yleissementti sisältää portlandklinkkeriä ja yhteensä korkeintaan 25% seosaineita, kuitenkin enintään 15% kalkkikiveä, ilmajäähdytettyä masuunikuonaa tai muita vastaavia mineraalisia, epäorgaanisia aineita laskettuna klinkkerin ja seosaineiden yhteisestä määrästä. Klinkkeriä syntyy kalkki-, pii-, alumiini- ja rautayhdisteiden reagoidessa kalsiumyhdisteiksi ja ne kiteytyvät ja sitoutuvat toisiinsa, kun niitä lämmitetään kiertouunissa 1300-1500 C:ssa. Sementti sellaisenaan soveltuu hyvin sideaineeksi, kun stabiloinnilta vaaditaan nopeasti suurta lujuutta. /6;9;14/ Tässä työssä yleissementtiä käytettiin sideaineena kaikkien viiden runkoaineen kanssa. Kalsiumoksidi (CaO) +Yse 1:1 Kalkilla on tuhatvuotiset perinteet rakentamisessa. Kalkkia tuotetaan polttamalla puhdas luonnonkalkkikivi yli 1000 c:ssa. Kalkkikiven sisältämä hiilidioksidi vapautuu ja kalkki muuttuu kalsiumoksidiksi eli CaO:ksi. Maa-ainekseen sekoitettu kalkki sammuu reagoidessaan maan sisältämän veden kanssa ja muuttuu kalsiumhydroksidiksi. Reaktiossa vapautuu lämpöä, joka nopeuttaa stabilointireaktiota. Maan stabilointi kalkilla perustuukin hienoaineksen ja kalkin yhteisreaktioon. Yleisesti käytetty sideaineseos esimerkiksi pilaristabiloinneissa on perinteisesti ollut kalkin ja sementin seos, seossuhteella 1:1. Näin saadaan kompromissina hyödynnettyä kalkin kuukausia kestävä pitkäaikaislujittuminen ja vastaavasti sementin avulla nopeampi alkulujittuminen. /3;23/ Tässä työssä CaO+Yse 1:1 seosta käytettiin sideaineena kaikkien viiden runkoaineen kanssa. GTC / FTC Nordkalkin uusi tuote erityisesti maastabilointeja varten on Nordkalk Terra GTC,

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 22(67) joka tuli markkinoille vuonna 2007. GTC on valmis sideaineseos, joka koostuu kipsistä, sammutetusta kalkista ja sementistä. Kyseisen sideaineyhdistelmän on todettu soveltuvan erityisesti liejujen ja sulfidisavien stabilointiin. Näin ollen se jatkaa edeltäjänsä FTC:n viitoittamalla tiellä. FTC on Finnstabi-kalkki-sementti sideaineseos. /18/ Tässä työssä GTC sideaineseosta käytettiin neljän runkoaineen kanssa ja FTC:tä yhden runkoaineen kanssa. KJ 400 (nykyinen nimike K400)+ Yse 1:1 Masuunikuonajauhe KJ 400 (tämän opinnäytetyön tekemisen aikana virallinen nimi on vaihtunut muotoon K400, tässä työssä käytetään vanhaa nimitystä) on lähinnä betonissa käytettävä piileviä hydraulisia ominaisuuksia omaava seosaine. Masuunikuonajauhe valmistetaan granuloimalla ja jauhamalla raakaraudan valmistuksessa syntyvää masuunikuonaa. Stabilointia ajatellen kuonajauhe vaatii rinnalleen aktivaattorin, yleensä kalkkia tai sementtiä, toimiakseen lujittavana sideaineena. /16/ Tässä työssä KJ 400 + Yse 1:1 sideaineseosta käytettiin neljän runkoaineen kanssa. Lentotuhka (LT) + Yse 1:1 Tässä työssä käytetty lentotuhka on Jyväskylän Rauhalahden voimalaitoksen polttoprosesseissa sivutuotteena syntynyttä biotuhkaa. Rauhalahden voimalaitoksella poltetaan pääasiassa turvetta ja lisäksi puuta sekä pieniä määriä kivihiiltä ja öljyä. Seospolton vuoksi tuhka on aina jossain määrin sekatuhkaa. Lentotuhka muodostuu savukaasujen mukana kulkeutuvasta kevyestä ja helposti höyrystyvästä mineraaliaineksesta, joka kerätään talteen sähköisten tai mekaanisten erottimien avulla. Lentotuhka on kuivana itselujittuva materiaali, mutta kosteana se tarvitsee aina rinnalleen toisen sideaineen aktivaattoriksi tehostamaan lujittumista. /12;21/ Tässä työssä LT+Yse 1:1 sideaineseosta käytettiin yhden runkoaineen kanssa.

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 23(67) 3.3 Työohjelma Stabiloitavuuskoekappaleiden valmistuksen jälkeen niiden normaali säilytyskäytäntö on ensin kaksi vuorokautta +20 C:ssa, minkä jälkeen kappaleet siirretään kylmiöön 8 C:een säilytyksen loppuajaksi. Näiden kappaleiden koestus tapahtui normaalikäytännön mukaisesti 28 ja 90 vuorokauden iässä. Normaalin säilytyskäytännön lisäksi tähän työhön valittiin nopeutettuihin testeihin kolme korkeampaa säilytyslämpötilaa: +20 C, +25 C ja +30 C. Näytesylinterit siirrettiin näihin lämpötiloihin heti kappaleiden valmistamisen jälkeen ja ne säilytettiin näissä olosuhteissa aina koestamiseen asti. Lämpökäsiteltyjen kappaleiden koestusiät vaihtelivat 2 ja 28 vuorokauden välillä. Käytetyt sideainemäärät (kg/m³) valittiin materiaalikohtaisesti aiempien kokemuksien tuomien odotusten perusteella /12/. Periaatteellisena tavoitteena oli saavuttaa 200-300 kpa puristuslujuudet. Laboratorion työohjelma yhdelle runkoaineelle ja yhdelle sideaineseokselle suunniteltiin taulukon 2 mukaiseksi. Taulukosta ilmenevät mm. käytettävä runkoaine, käytettävä sideaine ja sen määrä, valmistettavat kappaleet ja niiden säilytyslämpötilat sekä koestusiät. Taulukko 2 Esimerkki työohjelmasta yhdelle runkoaineelle ja yhdelle sideaineseokselle (x = valmistettava koekappale) Sa w=87% GTC 100 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk vara "normaali" (+8 C) x x x +20 C x x x x xx +25 C x x x x xx +30 C x x x x x x Yhden runkoaineen ja yhden sideaineseoksen ohjelmasta syntyi siis yhteensä 21 koekappaletta. Eri runkoaineilla käytettyjen sideaineseosten lukumäärä vaihteli kolmesta viiteen siten, että tähän opinnäytetyöhön valmistettiin yhteensä noin 420 koekappaletta.

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 24(67) 4 TULOKSET JA NIIDEN ANALYSOINTI 4.1 Saavutetut puristuslujuudet ja lujittumisen arviointi tavoitetasoon verrattuna Tässä luvussa on taulukoituna saavutetut puristuslujuudet (yksikkönä kilopascal kpa) eri sideaineilla runkoaineittain ja lisäksi on arvioitu kappaleiden lujittumista tavoitetasoon (200-300kPa) verrattuna. Samalla runkoaineella käytetyt sideainemäärät vaihtelevat, eli lujuustuloksia ei voi siten verrata suoraan keskenään sideaineen toimivuuden osalta. Käytetyt sideainemäärät on valittu nimenomaan tavoitelujuus huomioiden. Taulukoissa ruudun keltainen taustaväri tarkoittaa vastaavaa lujuustasoa kuin saavutettiin normaalimenetelmän 28 vrk:n ikäisellä kappaleella ja vastaavasti ruudun sininen taustaväri tarkoittaa vastaavaa lujuustasoa kuin saavutettiin normaalimenetelmän 90 vrk:n ikäisellä kappaleella. Joissain tapauksissa vastaava lujuustaso on täyttynyt kahden eri kappaleen koestusikien välissä (vierekkäiset ruudut samanväriset). Lämpökäsittelyn vaikutusta on arvioitu erikseen luvussa 4.2. Runkomateriaali salj w=45% Taulukko 3 salj w=45%, saavutetut puristuslujuudet (kpa) Yse 50 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 263 409 +20 C 256 324 414 547 +25 C 240 323 395 590 +30 C 270 315 420 519 656 CaO+Yse 1:1 70 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 222 377 +20 C 197 244 317 547 +25 C 154 212 244 342 +30 C 159 190 238 272 453 FTC 70 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 320 465 +20 C 333 360 473 673 +25 C 285 360 448 604 +30 C 308 381 444 528 686 Runkomateriaalista salj w=45% valmistettujen kappaleiden lujittuminen onnistui kaikilla sideaineilla erinomaisesti ja tavoitelujuustaso saavutettiin normaali-

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 25(67) menetelmällä 28 vuorokauden ikäisillä kappaleilla. FTC sideaineella olisi riittänyt hieman pienempikin sideainemäärä tavoitelujuustason saavuttamiseen. Runkomateriaali Sa w=73% Taulukko 4 Sa w=73%, saavutetut puristuslujuudet (kpa) Yse 50 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 250 382 +20 C 274 310 347 420 +25 C 240 288 339 471 +30 C 275 309 426 450 601 CaO+Yse 1:1 70 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 301 425 +20 C 290 314 479 622 +25 C 264 324 367 522 +30 C 259 310 393 394 580 GTC 70 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 275 385 +20 C 156 203 323 411 +25 C 184 260 329 382 +30 C 193 237 326 393 434 Yse+KJ400 1:1 50 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 125 245 +20 C 67 87 129 244 +25 C 39 99 113 192 +30 C 63 76 116 129 219 Yse+LT 1:1 70 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 123 213 +20 C 72 104 117 231 +25 C 69 96 127 172 +30 C 77 104 129 177 207 Runkomateriaalista Sa w=73% valmistetuilla kappaleilla lujittuminen onnistui erinomaisesti sideaineseoksilla Yse, CaO+Yse ja GTC. Näillä tavoitelujuustaso saavutettiin normaalimenetelmällä 28 vuorokauden ikäisillä kappaleilla. Sideaineseoksilla Yse+KJ400 ja Yse+LT lujittuminen oli huomattavasti heikompaa, mutta tavoitelujuustaso saavutettiin niilläkin normaalimenetelmällä 90 vuorokauden ikäisillä kappaleilla. Yse:ä ja Yse+KJ400 1:1 -sideaineseosta käytettiin molempia sekoituksissa 50 kg/m³:lle. Tuloksia vertailtaessa nähdään että Yse+KJ400 1:1 -seosta käytettäessä kului kolminkertainen aika yleissementin avulla saadun 28 vuorokauden lujuustason saavuttamiseen.

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 26(67) Runkomateriaali Sa w=87% Taulukko 4 Sa w=87%, saavutetut puristuslujuudet (kpa) Yse 70 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 262 395 +20 C 208 274 331 359 +25 C 214 266 299 377 +30 C 219 252 286 331 441 CaO+Yse 1:1 100 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 190 272 +20 C 109 124 144 227 +25 C 104 131 144 265 +30 C 100 123 147 171 349 GTC kg/m3 100 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 317 449 +20 C 241 286 392 470 +25 C 233 299 318 477 +30 C 236 290 360 392 558 Yse+KJ400 1:1 70 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 111 147 +20 C 51 69 98 183 +25 C 43 54 85 192 +30 C 46 64 66 117 181 Runkomateriaalista Sa w=87% valmistetuilla kappaleilla lujittuminen onnistui erinomaisesti sideaineseoksilla Yse ja GTC. Näillä saavutettiin tavoitelujuustaso normaalimenetelmällä 28 vuorokauden ikäisillä kappaleilla. Yleissementin avulla saadut lujuudet on kuitenkin saavutettu 30% pienemmällä sideainemäärällä GTC - sideaineseokseen verrattuna. Sideaineseoksella CaO+Yse lujittuminen oli heikompaa, mutta silläkin päästiin hyvin lähelle tavoitelujuustasoa jo normaalimenetelmän 28 vuorokauden ikäisellä kappaleella ja tavoitelujuustaso saavutettiin normaalimenetelmän 90 vuorokauden ikäisellä kappaleella. Sideaineseoksella Yse+KJ400 lujittuminen oli huomattavasti heikompaa ja tavoitelujuustaso jäi saavuttamatta kaikilla kappaleilla. Tosin käytetty sideainemäärä oli 30% pienempi kuin GTC ja CaO+Yse sideaineseoksilla. Tämän runkoaineen kanssa olisi tarvittu suurempi kokonaismäärä Yse+KJ400 - sideaineseosta, esimerkiksi juuri 100 kg/m³, jotta olisi saavutettu yli 200 kpa:n puristuslujuudet. Silloin se olisi myös suoraan vertailukelpoinen muiden sideaineiden kesken.

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 27(67) Runkomateriaali ljsa w=130% Taulukko 5 ljsa w=130%, saavutetut puristuslujuudet (kpa) Yse 100 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 152 199 +20 C 132 162 170 204 +25 C 126 156 180 240 +30 C 145 172 218 225 341 CaO+Yse 1:1 150 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 106 153 +20 C 68 99 118 158 +25 C 49 68 86 108 +30 C 38 45 65 83 102 GTC 150 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 231 443 +20 C 180 253 421 549 +25 C 137 221 379 542 +30 C 107 243 398 483 640 Yse+KJ400 1:1 150 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 370 826 +20 C 229 423 603 993 +25 C 243 350 528 870 +30 C 229 349 491 574 1037 Runkomateriaalista ljsa w=130% valmistetuilla kappaleilla lujittuminen onnistui erinomaisesti sideaineseoksella GTC, ja erittäin korkeat lujuudet saatiin myös sideaineseoksella Yse+KJ400. Näillä saavutettiin tavoitelujuustaso normaalimenetelmällä 28 vuorokauden ikäisillä kappaleilla. Yse+KJ400 - sideaineseosta olisi tavoitelujuustason saavuttamiseen riittänyt pienempikin määrä sekoituksessa. Lujittuminen oli heikompaa testatulla sementtimäärällä, tosin käytetty sideainemäärä muilla sideaineilla oli 50% suurempi kuin Yse:llä. Mikäli sideainemäärä olisi ollut yleissementillä sama kuin muilla, olisi sillä saatu erittäin kilpailukykyiset lujuudet. Käytetyllä sideainemäärällä Yse:llä päästiin kuitenkin hyvin lähelle tavoitelujuustasoa normaalimenetelmän 90 vuorokauden ikäisellä kappaleella. Sideaineseoksella CaO+Yse lujittuminen oli huomattavasti heikompaa ja tavoitelujuustaso jäi saavuttamatta kaikilla kappaleilla. Tämän runkoaineen kanssa olisi tarvittu huomattavasti suurempi kokonaismäärä CaO+Yse - sideaineseosta, jotta olisi saavutettu yli 200 kpa:n puristuslujuudet.

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 28(67) Runkomateriaali salj w=170% Taulukko 6 salj w=170%, saavutetut puristuslujuudet (kpa) Yse 100 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 162 246 +20 C 126 199 210 264 +25 C 156 169 209 256 +30 C 161 179 192 271 328 CaO+Yse 1:1 150 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 50 120 +20 C 23 40 60 90 +25 C 10 27 38 57 +30 C 6 19 25 31 39 GTC 150 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 263 516 +20 C 123 277 419 511 +25 C 102 257 364 441 +30 C 112 223 331 419 453 Yse+kuja 1:1 150 kg/m³ 2 vrk 3 vrk 5 vrk 7 vrk 14 vrk 28 vrk 90 vrk "normaali" (+8 C) 256 459 +20 C 141 156 275 432 +25 C 152 178 229 353 +30 C 130 132 211 324 450 Runkomateriaalista salj w=170% valmistetuilla kappaleilla lujittuminen onnistui erinomaisesti sideaineseoksilla GTC ja Yse+KJ400. Näillä saavutettiin tavoitelujuustaso normaalimenetelmällä 28 vuorokauden ikäisillä kappaleilla. Lujittuminen oli käytetyllä sementtimäärällä edellisiä heikompaa. Yse:llä päästiin tavoitelujuustasolle normaalimenetelmän 90 vuorokauden ikäisellä kappaleella. On kuitenkin huomioitava, että käytetty sideainemäärä muilla sideaineilla oli 50% suurempi kuin Yse:llä. Mikäli sideainemäärä olisi ollut yleissementillä sama kuin muilla, olisi sillä saatu erittäin kilpailukykyiset lujuudet. Sideaineseoksella CaO+Yse lujittuminen oli huomattavasti muita vaihtoehtoja heikompaa ja tavoitelujuustaso jäi saavuttamatta kaikilla kappaleilla. Tämän runkoaineen kanssa olisi tarvittu huomattavasti suurempi kokonaismäärä CaO+Yse -sideaineseosta, jotta olisi päästy edes lähelle tavoitelujuustasoa.

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 29(67) Yhteenveto lujittumisen onnistumisesta Eri sideaineseosten soveltuminen stabilointiaineeksi kullekin runkomateriaalille on aina tapauskohtaista, mikä on nähtävissä myös tämän työn lujuustuloksissa. Kaikki tässä työssä käytetyt runkoaineet ovat olleet varastoituna jonkin aikaa ennen testejä ja näin ollen niiden ominaisuudet ovat saattaneet hieman muuttua alkuperäiseen luonnontilaan verrattuna. Tämä saattaa osaltaan vaikuttaa hieman myös stabiloitavuustutkimuksissa saavutettaviin lujuustuloksiin. Samalla runkoaineella käytetyt sideainemäärät vaihtelevat sideainetyypeittäin eli lujuustuloksia ei voi siten verrata suoraan keskenään sideaineen toimivuuden osalta. Lisäksi on huomautettava, että tämän työn runkomateriaalien ja myös käytettyjen sideaineiden sekä niiden määrien valikoima on suppea, minkä vuoksi pelkästään tämän työn tulosten perusteella ei voida tehdä yleistyksiä esimerkiksi sideaineiden toimivuuksien osalta. Normaalimenetelmällä saadut lujuustulokset on esitetty 28 vuorokauden ikäisten koekappaleiden osalta kaaviossa 1 ja 90 vuorokauden ikäisten koekappaleiden osalta kaaviossa 2. Tämän työn runkoaineista puhtaiden savien (Sa w=73% ja Sa w=87%) kanssa parhaiten lujittuivat, käytetyt sideainemäärät suhteellisesti huomioiden, sideaineet Yse ja GTC. Saman runkoaineen kanssa GTC sideaineseosta tosin tarvitaan hieman suurempi määrä kuin yleissementtiä, jotta niillä saavutetaan sama lujuustaso kuin Yse:llä. Sideaineseosta KJ400+Yse käytettiin puhtaiden savien kanssa sama sideainemäärä kuin pelkällä yleissementillä ja lujuudet jäivät selkeästi heikommiksi kuin Yse:llä. KJ400+Yse -sideaineseoksen kokonaismäärän olisi tullut olla huomattavasti suurempi tai sitten Yse:n osuutta sideaineseoksessa olisi tullut kasvattaa jotta olisi saatu aikaan parempi alkulujittuminen. Yse+LT - sideaineseosta käytettiin mielenkiinnosta suuntaa antavasti vain yhden runkoaineen (Sa w=73%) kanssa. Sillä saavutettiin samantasoiset lujuustulokset kuin Yse+KJ400 -sideaineseoksen kanssa samalla runkoaineella, tosin 40% suuremmalla sideainemäärällä. Tässä työssä CaO+Yse -sideaineseos toimi runkoaineiden salj w=45% ja Sa w=73% kanssa valituilla sideainemäärillä erinomaisesti. Tuloksista kuitenkin

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 30(67) nähdään, että mitä suuremmaksi vesipitoisuus kasvaa, sitä heikompaa kalkkisementin lujittuminen suhteessa muihin vaihtoehtoihin on. CaO+Yse sideaineseoksella tehtiin vielä kokeilu suuremmalla sideainemäärällä (200kg/m³) runkoaineen ljsa w=130% kanssa, jolloin normaalimenetelmän 28 vuorokauden ikäisellä kappaleella saatiin puristuslujuudeksi 177 kpa, eli ei vieläkään aivan tavoitelujuustasoa. Paremman alkulujittumisen saisi aikaan esimerkiksi kasvattamalla Yse:n osuutta sideaineseoksessa tai vaihtamalla sementtityyppi pikasementtiin, mutta verrattaessa muilla sideaineseoksilla saatuihin lujuustuloksiin voidaan todeta, että CaO+Yse ei toiminut testeissä suurten vesipitoisuuksien materiaalien kanssa, sillä tarvittava sideainemäärä on merkittävästi suurempi kuin muilla sideaineilla. Tässä työssä savisten liejujen (salj w=45% ja salj w=170%) ja liejuisen saven (ljsa w=130%) stabiloinnissa suurimmat lujuustulokset saatiin valituilla sideainemäärillä sideaineiden GTC/FTC ja Yse+KJ400 kanssa. GTC sideaineseoksen onkin todettu soveltuvan erittäin hyvin liejujen stabilointiin /18/. Tämän työn tulosten perusteella Yse+KJ400 -sideaineseoksesta voisi hieman yllättäen (aikaisemmat kokemukset toisensuuntaisia) todeta samaa. Runkoaineen ljsa w=130% stabiloinnissa Yse+KJ400 -sideaineseoksella saavutettiin jopa huomattavasti korkeammat lujuudet kuin samalla määrällä GTC sideaineseosta, mutta runkoaineen vesi- ja hienoainespitoisuuksien kasvaessa (salj w=170%) ja sideainemäärän pysyessä sekoituksessa samana Yse+KJ400 -sideaineseoksella saavutetut lujuustulokset heikkenivät kun taas GTC:llä saadut lujuustulokset pysyivät suunnilleen samantasoisina. Pelkällä yleissementillä lujittuminen onnistui näillä runkoaineilla kohtalaisesti, hieman suuremmalla sideainemäärällä olisi saavutettu nopeammin tavoitelujuustaso (käytetty sideainemäärä muilla sideaineilla oli 50% suurempi kuin yleissementillä). On myös syytä huomauttaa, että pelkkä lujuus ei kuitenkaan ratkaise sideaineen käyttöpotentiaalia, vaan stabilointikohde ja menetelmä ratkaisevat tavoiteltavat ominaisuudet. Esimerkiksi pilaristabiloinneissa tärkeää on usein myös hyvä muodonmuutoskestävyys/sitkeys, ja sideaineista sementtiä käytetään sellaisenaan yleensä massastabilointikohteissa.

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 31(67) Normaalimenetelmän 28 vrk lujuustulokset Puristuslujuus (kpa) 400 350 300 250 200 150 100 50 Yse 50kg/m³ CaO+Yse 1:1 70kg/³ FTC 70kg/m³ Yse 50kg/m³ CaO+Yse 1:1 70kg/m³ GTC 70kg/m³ Yse+KJ 1:1 50kg/m³ Yse+LT 1:1 70kg/m³ Yse 70kg/m³ CaO+Yse 1:1 100kg/m³ GTC 100kg/m³ Yse+KJ 1:1 70kg/m³ Yse 100kg/m³ CaO+Yse 1:1 150kg/m³ GTC 150kg/m³ Yse+KJ 1:1 150kg/m³ Yse 100kg/m³ CaO+Yse 1:1 150kg/m³ GTC 150kg/m³ Yse+KJ 1:1 150kg/m³ 0 salj w =45% Sa w =73% Sa w =87% Runkomateriaali ljsa w = 130% salj w = 170% Kaavio 1 Normaalimenetelmän lujuustulokset 28 vuorokauden ikäisillä kappaleilla Normaalimenetelmän 90 vrk lujuustulokset Puristuslujuus (kpa) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Yse 50kg/m³ CaO+Yse 1:1 70kg/³ FTC 70kg/m³ Yse 50kg/m³ CaO+Yse 1:1 70kg/m³ GTC 70kg/m³ Yse+KJ 1:1 50kg/m³ Yse+LT 1:1 70kg/m³ Yse 70kg/m³ CaO+Yse 1:1 100kg/m³ GTC 100kg/m³ Yse+KJ 1:1 70kg/m³ Yse 100kg/m³ CaO+Yse 1:1 150kg/m³ GTC 150kg/m³ Yse+KJ 1:1 150kg/m³ Yse 100kg/m³ CaO+Yse 1:1 150kg/m³ GTC 150kg/m³ Yse+KJ 1:1 150kg/m³ 0 salj w=45% Sa w=73% Sa w=87% ljsa w= 130% salj w= 170% Runkomateriaali Kaavio 2 Normaalimenetelmän lujuustulokset 90 vuorokauden ikäisillä kappaleilla

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 32(67) 4.2 Lämpökäsittelyn vaikutuksen arviointi Tässä luvussa on arvioitu lämpökäsittelyn vaikutusta stabiloitavuuskoekappaleiden lujuustuloksiin säilytysajan suhteen. Tarkastelu on tehty sideaineittain vertailemalla normaalimenetelmällä saavutettuja lujuustuloksia ja lämpökäsiteltyjen kappaleiden lujuustuloksia. Tulokset on esitetty kaavioissa 3-22, joista ilmenevät myös käytetty runkoaine, sideaineseos ja sen määrä (kg/m³), kappaleiden säilytyslämpötila, koestusiät ja niillä saavutetut puristuslujuudet (kpa). Voidaan todeta että työohjelmaan valitut säilytyslämpötilasta riippuvat kappaleiden koestusiät olivat oikeanlaiset, sillä kappaleiden lujuus kasvoi melko tasaisesti koestusikien välillä ja lujuustuloksille saatiin selkeä ero eri säilytyslämpötilojen välillä. Lujuuden kehitys tämän tutkimuksen koekappaleilla oli pääasiassa loogista, yksittäiset poikkeavat tulokset voivat olla seurausta esimerkiksi koekappaleita valmistettaessa runkoaineeseen epätasaisesti sekoittuneesta sideaineesta, jolloin yksittäiseen kappaleeseen on voinut tulla liian suuri/pieni määrä sideainetta. Lämpökäsitellyillä kappaleilla on normaalimenetelmää vastaavaksi lujuustasoksi katsottu hyväksyttävän vain puristuslujuudet, jotka ovat saavuttaneet 100% normaalimenetelmän lujuustasosta.

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 33(67) Sideaineena Yleissementti salj w=45%, sideaineena Yse 50kg/m3 Puristuslujuus (kpa) 700 600 500 400 300 200 100 270 240 315 256 323 420 324 395 519 414 590 656 263 547 409 +8 C +20 C +25 C +30 C 0 2 3 5 7 14 28 90 Koestamisikä (vrk) Kaavio 3 Yleissementillä stabiloitujen, runkoaineesta salj w=45% valmistettujen kappaleiden lujuustulokset. Kaaviossa 3 esitetyt tulokset ovat loogisia, sekä koestusikien ja säilytyslämpötilojen välille saadut erot ovat järkeviä. Normaalimenetelmän 28 vuorokauden ikäisellä kappaleella saatiin puristuslujuudeksi 263 kpa. Kaaviosta 3 nähdään, että säilytyslämpötilan ollessa +20 C tuota vastaava lujuustaso saavutettiin n. 5 vuorokauden ikäisellä kappaleella. +25 C:ssa säilytetyillä kappaleilla vastaava lujuustaso saavutettiin n. 3 vuorokauden ja +30 C:ssa säilytetyillä kappaleilla 2 vuorokauden ikäisellä kappaleella. Kaaviosta 3 nähdään, että normaalimenetelmän 90 vuorokauden ikäisellä kappaleella saatiin puristus-lujuudeksi 409 kpa. Säilytyslämpötilan ollessa +20 C tuota vastaava lujuustaso saavutettiin 14 vuorokauden ikäisellä kappaleella. +25 C:ssa säilytetyillä kappaleilla vastaava lujuustaso saavutettiin n. 7

TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU OPINNÄYTETYÖ 34(67) vuorokauden ja +30 C:ssa säilytetyillä kappaleilla 5 vuorokauden ikäisellä kappaleella. Sa w=73%, sideaineena Yse 50kg/m3 Puristuslujuus (kpa) 700 600 500 400 300 200 100 275 240 309 274 288 426 310 339 450 347 471 601 250 420 382 +8 C +20 C +25 C +30 C 0 2 3 5 7 14 28 90 Koestamisikä (vrk) Kaavio 4 Yleissementillä stabiloitujen, runkoaineesta Sa w=73% valmistettujen kappaleiden lujuustulokset. Kaaviosta 4 nähdään, että +20 C:ssa ja +25 C:ssa säilytettyjen kappaleiden lujuudet ovat lähes samansuuruiset koestusaikoina 5 vuorokautta ja 7 vuorokautta. Muut tulokset ovat loogisia sekä koestusikien ja säilytyslämpötilojen välille saadut erot ovat järkeviä. Normaalimenetelmällä saatiin puristuslujuudeksi 250 kpa 28 vuorokauden ikäisellä kappaleella. Kaaviossa 4 esitetyistä tuloksista nähdään, että säilytyslämpötilan ollessa +20 C tuota vastaava lujuustaso saavutettiin 5 vuorokauden ikäisellä kappaleella. +25 C:ssa säilytetyillä kappaleilla vastaava lujuustaso saavutettiin n. 3 vuorokauden ja +30 C:ssa säilytetyillä kappaleilla 2 vuorokauden ikäisellä kappaleella. Kaaviossa 4 esitetyistä tuloksista nähdään, että normaalimenetelmällä saatiin puristuslujuudeksi 382 kpa 90 vuorokauden ikäisellä kappaleella. Säilytyslämpötilan ollessa +20 C puristuslujuus oli 14 vuorokauden kohdalla 347 kpa ja 28 vuorokauden kohdalla 420 kpa.. Mikäli lujuus kasvaa vakionopeudella