Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009

Saarenketo Timo Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 Tiehallinnon sisäisiä julkaisuja 41/2009

Saarenketo Timo Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 Tiehallinnon sisäisiä julkaisuja 41/2009 Tiehallinto Helsinki 2009

Kannen kuva: Roadscanners Oy ISSN 1457-991X TIEH 4000716 Verkkojulkaisu pdf (www.tiehallinto.fi/julkaisut) ISSN 1459-1561 TIEH 4000716-v Asiantunnus TIEHALLINTO Keskushallinto Opastinsilta 12 A 00521 HELSINKI Puhelin 0204 22 11

Saarenketo Timo: Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009. Helsinki 2009. Tiehallinto, Keskushallinto. Tiehallinnon sisäisiä julkaisuja 41/2009, 23 s., liitteet 7 s. ISSN 1457-991X, TIEH 4000716, ISSN 1459-1561, TIEH 4000716-v. Asiasanat: raskaat ajoneuvot, kuorma-autot, koekuormitus, tierakenne Aiheluokka: 70 TIIVISTELMÄ Rovaniemen hoitoalueella sijaitsevan pt 19735 Jyrhämäjärven hydrofobisten käsittelyaineiden koekohteella järjestettiin 1.6.2009 koekuormitus, jonka tavoitteena oli selvittää, miten koerakenteet käyttäytyvät keväällä kelirikkoaikana toistuvien raskaan ajoneuvojen kuormitussyklien alla. Koekuormituksessa käytettiin neljällä akselilla varustettua 32 tn sorakuorma-autoa ja koekohteen yli ajettiin autolla yhteensä 18 kertaa. Rakenteen käyttäytymistä seurattiin mittamaalla kohde ennen ja jälkeen kuormituksia maatutkalla ja pudotuspainolaitteella. Lisäksi kohde mitattiin lämpökameralla ja poikkileikkauksia vaaittiin. Kantavuusmittausten tulosten analyysit osoittivat, että raskaan ajoneuvon kuormitus heikensi merkittävästi tierakenteen jäykkyyttä ja kykyä jakaa kuormitusta heikon pohjamaan päällä. Mitatut BCI -arvot olivat pääosin 10 50 % heikompia ja pahimmillaan jopa yli kaksinkertaisia kuormituksen jälkeen kuin ennen sitä. Pinnan jäykkyyttä kuvaavat SCI -arvot kasvoivat vasemmassa urassa 15 20 %, mutta paikoin ne jopa paranivat osoittaen rakenteen tiivistymistä. Mitatut venymät olivat kaikkialla yli 1000 microstrain ja suurimmillaan kuormituksen jälkeen jopa yli 4000 microstrain Sacocell - jakson lopussa, jossa päällyste oli pahoin vaurioitunut. Moduulilaskelmat osoittivat, että päällysteen ja käsitellyn kerroksen sekä tierakenteen moduulit laskivat keskimäärin 33-34 %. Pohjamaan moduulit olivat hyvin alhaisia ja vaikeasti tarkasti laskettavissa, mutta keskimäärin lasku oli noin 10 %. Rakenteesta lasketut E2 -moduulit putosivat noin 30 %, Polyroad -osuudella lasku oli hieman suurempaa kuin Sacocell -osuudella. Odemark -menetelmällä laskettu suhteellinen kantavuuden putoaminen oli takaisinlaskentamenetelmästä riippuen 28 35 % Polyroad -kohteella ja 21 28 % Sacocell -kohteella. Odemark -kantavuus putosi 18 ylityksen jälkeen 50 60 MPa:sta 30 40 MPa:iin, mikä kertoo rakenteen merkittävästä heikkenemisestä. Maatutkamittaustulokset osoittivat myös, että siellä missä Polyroad ja Sacocell -käsittelysyvyys on ollut riittävän paksu, tien ohut päällyste on kestänyt yllättävän hyvin ja tavatut vauriot ovat olleet lähinnä reunahalkeamia. Sacocell -kohteen loppuosassa, missä käsittelysyvyys oli pienempi ja/tai käsittely ei ollut onnistunut, oli kohde vaurioitunut lähes täysin. Maatutkalla mitatut kantavan kerroksen pinnan dielektrisyysmittaustulokset osoittivat, että jos käsittelysyvyys oli 20 cm, ei vesi pumppautunut kuormituksen aikana kerroksen läpi ja näissä kohteissa myös päällysteen venymät olivat pienempiä. Vaaitustulokset osoittivat, että Polyroad -kohteella urautuminen oli suurempaa kuin Sacocell -kohteella. Kohteella testattiin myös lämpökameran käyttöä; miten tien pintalämpötila kertoo tievaurioista ja miten menetelmällä voidaan seurata kuormituksen aiheuttamaa kylmän veden pumppautumista tien pintaan.

Saarenketo Timo: Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009. Helsinki 2009. Finnish Road Administration, Central Administration. Finnra Internal Reports 41/2009, 23 pages + 7. ISSN 1457-991X, TIEH 4000716, ISSN 1459-1561, TIEH 4000716-v.

Saarenketo Timo: Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009. Helsinki 2009. Finnish Road Administration, Central Administration. Finnra Internal Reports 41/2009, 23 pages + 7. ISSN 1457-991X, TIEH 4000716, ISSN 1459-1561, TIEH 4000716-v. SUMMARY A loading test was arranged on a section of road 19735 Jyrhämäjärvi to test the effectiveness of different kinds hydrophobic treatment agents against permanent deformation. The goal in this test, arranged in 1.6.2009, was to test how structures perform during the spring thaw weakening period under repeated heavy vehicle load cycles. The test truck was a four axle 32 tn aggregate truck and 18 passes were made over the test sections. The condition of the structure was monitored, before and after the loading, using ground penetrating radar and falling weight deflectometer. In addition the road was monitored with thermal cameras and the level of the selected cross sections was surveyed. The results of the FWD analysis showed the heavy vehicle loading reduced markedly the stiffness of the road structure and the ability to spread the laod over a weak subgrade soil. Measured BCI values were normally 10-50 % higher and at maximum even two times higher after loading compared with the values before. SCI values describing the stiffness of the upper part of the pavement structure increase in left wheel path 15-20 % but in other parts of the cross section they were partly getting even lower indicating the compaction of the structure. Measure strains were in all point more than 1000 microstrain and at highest after the loading more than 4000 microstrain at the end of Sacocell test section where pavement suffered from serious damage. Calculations of moduli values that the moduli of pavement and treated base were reduced 33-34 %. The moduli values of subgrade were very low and thus difficult calculate but in general they were reduced by about 10 %. The E2 values went down about 30 %, the drop was slightly lower in Polyroad section compared with Sacocell section. The surface modulus calculated using Odemark method dropped, based on the moduli calculation method, 28-35 % in Polyroad section and 21-28 % in the Sacocell section. The absolute values dropped from 50-60 MPa before the loading down to 30-40 MPa after the loading which reveals a significant weakening of the road stiffness. GPR results showed that in those sections where treatment depth of Polyrioad and Sacocell test structures were thick enough the thin pavement over the treated base had performed well with hardly any signs of distress and only damages were edge cracking. The pavement was totally damaged at the end of Sacocell test site, where treatment depth was thinner and/or treatment had partly failed. The dielectric values of the treated base course surface showed that if the thickness was 20 cm the water was not pumped to the road surface trough the base course during the loading. In these places the pavement strains were also lower. The leveling results showed that the deformation was bigger in Polyroad section compared with the Sacocell sections. During the loading test thermal camera was also used to test how this technique could be used to analyze pavement distress and how technique can be used to monitor how cold water is pumped to the road surface during the loading test.

ESIPUHE Tämän tutkimuksen on tehnyt Tiehallinnon toimeksiannosta Roadscanners Oy. Maatutkamittauksista ja vaaituksista vastasi Tomi Herronen, lämpökameratutkimukset teki Timo Saarenpää ja pudotuspainolaitemittausten analyysit suoritti Annele Matintupa. Raportin kirjoittamisesta vastasi Timo Saarenketo. Raportin tekijät haluavat erityisesti kiittää Nuutti Vuorimiestä ja Pauli Kolisojaa TTY:sta avusta ja arvokkaista kommenteista. Tekijät haluavat kiittää myös Lapin tiepiiriä avusta kokeiden järjestämisessä. Rovaniemellä marraskuussa 2009 Timo Saarenketo, Roadscanners Oy

Sisältö TIIVISTELMÄ 3 SUMMARY 6 ESIPUHE 7 1 JOHDANTO 3 2 TUTKIMUSMENETELMÄT JA ANALYYSIT 4 2.1 Koekuormitus 4 2.2 Maatutkamittaukset 4 2.3 Lämpökameratutkimukset 5 2.4 Kantavuusmittaukset 6 2.5 Visuaalinen tarkastelu ja vaaitukset 6 3 TUTKIMUSTULOKSET 7 3.1 Maatutkamittaukset ja tien vauriot 7 3.2 Lämpökamera 12 3.3 Kantavuusmittaukset 13 3.3.1 Yleistä 13 3.3.2 BCI arvot ja pohjamaan moduulit 13 3.3.3 SCI -arvot ja venymät 15 3.3.4 Rakenteiden moduulit 17 3.4 Vaaitustulokset 21 4 YHTEENVETO 22 LIITE 1. 400 MHZ MAATUTKA-ANTENNILLA MITATUT POIKKILEIKKAUKSET. 24 LIITE 2. VAAITUSTULOKSET POIKKILEIKKAUKSISTA 268

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 3 1 JOHDANTO Tampereen teknillinen yliopisto on tehnyt Väkäste - ja ROADEX - projektien rahoittamana useita vuosia tutkimusta uusien hydrofobisten käsittelyaineiden vaikutuksesta ongelmallisten murskeiden laadun ja deformaatiokestävyyden parantamiseen. Käsittelyaineiden on toivottu parantavan murskeiden vastustuskykyä pysyviin muodonmuutoksiin etenkin kelirikkoaikana. Tutkimuksiin on kuulunut mittava määrä laboratoriotutkimuksia sekä muutamia koerakenteita, joista osa on tehty Lapissa Lapin tiepiirin tieverkolla sekä Rovaniemen kaupungin katuverkolla. Tähän tutkimukseen valittu testikohde, pt 19735 Jyrhämäjärvi, sijaitsee Rovaniemen hoitoalueella Rovaniemen pohjoispuolella. Tie on kärsinyt etenkin keväisin kelirikosta, minkä vuoksi se aikoinaan valittiin koerakentamiskohteeksi. Kohteessa testataan kahta eri hydrofobista käsittelyainetta, markkinointinimiltään Sacocell ja Polyroad. Koerakenteet on tehty lokakuussa 2005. Keväällä 2009 haluttiin selvittää, miten koerakenteet käyttäytyvät raskaan ajoneuvon toistuvien kuormitusten alla. Kuormitustestit suoritettiin 1.6.2009, jolloin routa oli sulamassa pohjamaassa. Testeissä käytettiin mm. maatutkamittauksia, tiestön videointia, lämpökamerakuvauksia, vaaituksia sekä pudotuspainolaitemittauksia, ja tie tutkittiin ennen ja jälkeen koekuormituksen. Tässä raportissa esitellään näiden testien keskeiset tulokset ja niistä saadut johtopäätökset. Kuva 1. Jyrhämäjärven koekohde 2005 2009.

4 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 2 TUTKIMUSMENETELMÄT JA ANALYYSIT 2.1 Koekuormitus Koekuormituksessa käytettiin Napapiirin Kuljetus Oy:n soralla kuormattua kuorma-autoa (kuva 1), jossa oli neljä akselia. Ajoneuvon kokonaispaino oli 32 tn, josta nettokuorman osuus oli 18,15 tn. Akselien painot olivat edestä lukien 1) 8 tn, 2) 6 tn, 3) 9,35 tn ja 4) 8,65 tn. Renkaat olivat normaalit paripyörät ja rengaspaineet olivat eturenkaassa 8 kpa ja muissa renkaissa 7,5 kpa. Kuva 2. Koekuormituksessa käytetty maa-ainesten kuljetuksiin käytetty kuormaauto Kuormituksessa alkuperäisenä tarkoituksena oli kuormittaa koekohdetta aluksi 10 edestakaisella ylityksellä, sen jälkeen mitata tie valituilla tutkimusmenetelmillä ja toistaa vielä 10 edestakaista kuormitusylitystä, jonka jälkeen suoritettaisiin loppumittaus. Kuitenkin koekohde ja ennen kaikkea soratieosuudet koekohteen ympäristössä alkoivat vaurioitua niin pahoin, että kuormitukset piti lopettaa yhdeksän edestakaisen ylityksen jälkeen. Tästä syystä tämä raportti keskittyy lähinnä mittausten ennen/jälkeen vertailuun. Sora-auton kuormituksen lisäksi tulee muistaa, että kokeen aikana tieltä ajettiin puutavaraa 60 tn puutavararekalla. Siksi tien alkutilanne ennen koekuormitusta ei ollut täysin kuormittamaton. 2.2 Maatutkamittaukset Maatutkamittausten tavoitteena oli selvittää, miten tien pinnan sekä tien rakennekerrosten ja pohjamaan ominaisuudet muuttuvat kuormituksen aikana.

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 5 Maatutkamittauksia tehtiin GSSI:n laitteistolla useilla eri antenneilla ennen ja jälkeen kuormituksen aloittamista. Pituuslinjat mitattiin tien ulkourista ja tien keskeltä 1.0 GHz ja 400 MHz antenneilla. Poikkileikkauslinjat mitattiin 7 kohdasta 1.5 GHz ja 2.6 GHz antenneilla. Kuva 3. Poikkileikkausmittauksia 2,6 GHz antennilla. Kuvassa auton edessä näkyy mittauksissa käytetty 1,0 GHz:n ilmavasteantenni ja auton katolla oikealla näkyy mittauksissa käytetty lämpökamera ja vasemmalla RD CamLink - telineessä videokamera. 2.3 Lämpökameratutkimukset Lämpökuvaukseen käytettiin FLIR ThermoVision Inc:n valmistamaa, automaatio- ja tutkimuskäyttöön suunnattua lämpökameraa. Kamera oli sijoitettu auton katolle siten, että sillä pystyttiin kuvaamaan tien pintaa auton katolta kulkusuuntaan päin. Radiometrisen lämpökameratiedon, videon sekä GPS -signaalin tallentamisessa käytettiin hyväksi Roadscanners Oy:n kehittämää RD CamLink sovellusta. Mittaus suoritettiin maatutkamittausten yhteydessä sekä ennen kuormitusta että niiden välissä. Kokeen alkaessa vallitsi pilvinen, hieman kostea sää. Kuormituksen aikana aurinko alkoi paistaa ja tämä aiheutti varjoja kohteeseen sekoittaen päällysteen pintalämpötiloja. Mittausaineisto käsiteltiin ja analysoitiin Road Doctor -sovelluksilla yhdessä muun kohteesta kerätyn aineiston kanssa. Analysointivaiheessa tietoa käsiteltiin sekä perinteisen videokuvan kaltaisena kuvana että yksittäisenä pikselikuvista muodostettuina tasokuvina.

6 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 2.4 Kantavuusmittaukset Kantavuusmittauksia tehtiin Destian KUAB -pudotuspainolaitteella; ennen kuormitusta ja kuormitusten loputtua 9 kaksoisylityksen jälkeen. Mittaukset tehtiin 20 m pistevälein kolmelta linjalta: vasen reunaura, keskilinja sekä oikea reunaura. Kantavuusmittaustulokset linkitettiin Road Doctor -projektiin ja ohjelmalla laskettiin mittauksissa perinteiset kantavuusparametrit SCI (200), BCI ja E2 pintamoduuli sekä ns. ruotsalaiset kantavuusparametrit, kuten venymä (strain) ja pohjamaan moduuli. Lisäksi kerrosmoduulit laskettiin Elmod - ohjelmalla sekä Road Doctor -ohjelmiston uudella Forward Calculation - optiolla. Kuva 4. Kantavuusmittauksissa käytetty Destian KUAB pudotuspainolaite. 2.5 Visuaalinen tarkastelu ja vaaitukset Tien kunto tallennettiin digitaalivideolle ennen kuormitustestin aloittamista sekä kuormituskokeen jälkeen. Kuormituksen aikana tien käyttäytymistä kuorma-auton alla dokumentoitiin myös videolla. Kohteissa, joista maatutkalla mitattiin poikkileikkaukset, vaaittiin viidestä pisteestä ennen ja jälkeen kuormituksen. Mittaukset tehtiin viidestä pisteestä: molemmista reunoista, vasemman ja oikean uran keskeltä sekä tien keskeltä. Pituusleikkausta varten vaaittiin vielä muutama piste.

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 7 3 TUTKIMUSTULOKSET 3.1 Maatutkamittaukset ja tien vauriot Maatutkamittaukset antoivat erinomaista tietoa tien kunnon muuttumisesta kuormituksen aikana. Kuvassa 5 on esitetty 1.0 Ghz maatutka-antennin mittaustuloksia ennen ja jälkeen koekuormituksen vasemmasta (reunasta) ajourasta ja kuvassa 6 on esitetty vastaavat tulokset oikeasta (reunasta) ajourasta. Molemmista kuvista nähdään, että päällysteen alapinnan dielektrisyys (kosteus) on korkeampi kohteissa, joissa Polyroadilla tai Sacocellillla käsitellyn kerroksen paksuus on ohut. Tämän lisäksi kuormitusaikana päällysteen dielektrisyys nousee huomattavasti enemmän näissä ohuissa jaksoissa, mikä kertoo, että vettä pumppautuu kuormituksen ansiosta tien pintaan. Parhaiten tie näytti kestävän kuormitusta Polyroad - jaksolla paaluvälillä 2220 2240 m, jossa käsittelysyvyys on 20 cm. Sacocell -jakson alussa (2270-2280 m), jossa paksuus on suurin, olivat myös dielektrisyyden muutokset pienimmät. Kuormituksen vaikutus päällysteen pinnan dielektrisyyteen ja kantavan kerroksen yläosan dielektrisyyteen kaikilla mittauslinjoilla on esitetty kuvissa 7 ja 8. Niistä nähdään, että päällysteen dielektrisyys kasvaa ajourissa kuormituksen aikana huomattavasti enemmän verrattuna tien keskikohtaan, jossa voitiin mitata vain erittäin pieni kasvu. Päällysteen Er -arvot olivat alunperin korkeat kohdissa, missä päällyste oli ohuin. Kantavan kerroksen dielektrisyyttä vertailtaessa voidaan havaita, että niillä kohdilla tien keskilinjaa, joissa dielektrisyysarvot olivat jo aiemmin koholla, kohosivat arvot voimakkaasti kuormituksen aikana. Tämä kertoo, että näillä kohteilla kosteutta puristui kuormituksen aikana myös tien keskiosaan (ks. myös vaaitustulokset kpl 3.4). Myös näistä kuvista nähdään, että paaluvälillä 2220-2240 m, jossa Polyroad -kerroksen paksuus on 20 cm, tien keskiosassa kantavan pinnan kosteus ei nouse käytännössä lainkaan kuormituksen aikana. Kuvissa 9 ja 10 on esitetty valokuvakuvasarjat ennen koekuormitusta molemmilta koekohteilta. Näistä nähdään, että tien pinta on parhaimmassa kunnossa jaksoilla, joissa käsittelyaineen paksuus on suurin ja dielektrisyys on alhainen sekä päällysteen pinnassa että käsitellyn kantavan kerroksen pinnassa. Kuvassa 11 on esitetty 400 MHz maatutkadata ja niiden tulkinnat koekohteelta. Kuvasta nähdään, että mittauksen aikana, 1.6.2009, tien alla pohjamaassa oli vielä noin 40-50 cm paksu kerros routaa, jonka yläpinta mittauslinjoilla oli noin 1,4-1,5 metrin syvyydellä. Mielenkiintoinen havainto oli, että pahiten vaurioituneella Sacocell -koekohteen loppuosalla routaraja oli lähimpänä pintaa. Tämä viestii siitä, että tällä kohtaa on myös ollut eniten routalinssejä lähellä tierakennetta ja näin ollen roudan heikentävä vaikutus tällä jaksolla on ollut suurin.

8 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 Kuva 5. Jyrhämäjärven koekohteen vasemmasta reunaurasta mitatun 2.0 Ghz:n ilmavasteantennin maatutkadata (ylin) sen tulkinnat sekä päällysteen pinnan (1) ja kantavan kerroksen pinnan (2) dielektrisyysarvot ennen (musta) ja jälkeen (punainen) koekuormituksen. Alinna on maatutka-antennin huojuntadata, joka esittää tien epätasaiset kohdat. Kuva 6. Jyrhämäjärven koekohteen oikeasta reunaurasta mitatun 2.0 Ghz:n ilmavasteantennin maatutkadata (ylin) sen tulkinnat sekä päällysteen pinnan (1) ja kantavan kerroksen pinnan (2) dielektrisyysarvot ennen (musta) ja jälkeen (punainen) koekuormituksen. Alinna on maatutka-antennin huojuntadata, joka esittää tien epätasaiset kohdat.

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 9 Kuva 7. Päällysteen dielektrisyys ennen (musta) ja jälkeen (värillinen) koekuormitusta. Ylin profiili on tien vasemmasta ajourasta, keskimmäinen tien keskeltä ja alimmainen profiili tien oikeasta ajourasta. Kuva 8. Käsitellyn kantavan kerroksen pinnan dielektrisyys ennen (musta) ja jälkeen (värillinen) koekuormitusta. Ylin profiili on tien vasemmasta ajourasta, keskimmäinen tien keskeltä ja alimmainen profiili tien oikeasta ajourasta.

10 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 Kuva 9. Kuvasarja päällysteen kunnosta Jyrhämäjärven koekohteen päällystetyllä Polyroad-osuudella 2110 2260. 2280 2315 2330 2345 Kuva 10. Kuvasarja päällysteen kunnosta Jyrhämäjärven koekohteen Sacocellosuudella 2260 2360 m.

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 11 Kuva 11. 400 MHz maavasteantennilla mitatut maatutkaprofiilit ja niiden tulkinta. Ylin mittaus on tien vasemmasta urasta (punainen), keskimmäinen tien keskeltä (vihreä) ja alimmainen oikeasta reunasta (sininen). Tulkinnassa ylemmät viivat kertovat tierakenteen alapinnan syvyydestä ja alemmat viivat roudan yläpinnan syvyydestä mittaushetkellä. Tiestä mitatut poikkileikkaukset tuottivat myös mielenkiintoista tietoa tien rakenteista sekä rakenteiden käyttäytymisestä. Kuvassa 12 on esitetty esimerkki 400 Mhz antennilla mitatusta poikkileikkauksesta, jossa näkyy, että tie kärsii heikolle pohjamaalle tyypillisestä Mode 2 -urautumisesta (www.roadex.org). Tie on levennyt oikealle ja tässä reunassa olevat vauriot selittyvät erittäin ohuella rakenteella. Yleisesti ottaen poikkileikkaukset osoittivat kuitenkin, että tien vasemmassa reunassa rakenteet ovat ohuempia kuin oikeassa ajourassa. Tämä selittää sen, että kantavuudet tien vasemmassa urassa ovat oikeaa uraa selvästi pienempiä. Kaikki poikkileikkaukset on esitetty liitteessä 1. Kuva 12. 400 MHz antennilla mitattu poikkileikkaus paalulta 2265 m.

12 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 3.2 Lämpökamera Kuva 13 esittää lämpökameran mittausnäkymää vaurioituneesta kohdasta koeosuudella. Aurinkoisen päivän johdosta halkeilleet kohteet näkyivät huomattavasti lämpimimpinä alueina, mutta paikoin tien pintaan pumppautuva vesi näkyi kylmempänä, kuten kuvassa vasemman rengasuran sisäpuolella olevat tummemmat alueet. Kuva 13. Näkymä lämpökamerakuvasta Sacocell osuudelta. Kuvassa 14 on esitetty 1.0 GHz maatutkadatan lisäksi koekohteesta tehdyt lämpötilajakaumakartat ennen ja jälkeen koekuormituksen. Kuvasta nähdään, että alkutilanteessa ohuet Polyroad -kohteet näkyivät ympäristöään kylmempinä ja lämpötilat tieurissa olivat jo ennen kuormitusta kylmempiä. Tämä kertoo puutavara-ajon jo pumpanneen kylmää vettä tien pintaan. Kuormituksen jälkeen etenkin Sacocell -jakson lopussa olevassa jaksossa oli suuria muutoksia. Kuva 14. Näkymä lämpökamerakuvasta Sacocell -osuudelta. Pintalämpökarttojen väriskaala on ylemmässä kartassa, joka on mitattu ennen kuormitusta 18 21 o C ja kuormituksen jälkeen mitatussa alemmassa kartassa 20 23 o C.

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 13 3.3 Kantavuusmittaukset 3.3.1 Yleistä Kantavuusmittausten analyyseja vaikeutti hieman se, että tien alla oli vielä mittaushetkellä routaa. Kuitenkin tarkemmat analyysit osoittivat että routa oli niin syvällä, että se ei vaikuttanut mittaustuloksiin kuin korkeintaan tien loppuosassa, jossa routa oli lähempänä tien pintaa (ks kuva 11) sekä muutamissa hajapisteissä. Toinen analyysien tarkkuutta vähentävä seikka oli mitattujen taipumien suuruus; suurimmillaan ne olivat yli 8000 mikronia ja tällöin esimerkiksi takaisinlasketut moduuliarvot eivät ole tarkkoja, vaan pelkästään suuntaa antavia. 3.3.2 BCI arvot ja pohjamaan moduulit Pudotuspainolaitteen BCI-arvo kuvaa miten tien päällysrakenne kykenee jakamaan akselikuormaa heikosti kantavan pohjamaan päällä. Kuvissa 15 on esitetty BCI -arvot ennen ja jälkeen kuormituksen ajourista ja tien keskeltä. Kuvat osoittavat, että oikeassa ja vasemmassa ajourassa BCI - arvot olivat pääasiassa noin 10-50 % suurempia kuormitusten jälkeen kuin ennen niitä. Keskilinjalla puolestaan oli eniten tapauksia, joissa BCI - arvo oli jopa pienempi kuormitusten jälkeen. Tämä osoittaa, että toistuvat kuormitussyklit heikensivät selvästi tierakenteen kykyä jakaa kuormaa laajemmalle alueelle pohjamaata ja näin ollen pohjamaan rajapinnassa olevat jännitystilat kasvoivat lisäten riskejä muodonmuutoksiin. Nämä näkyvät Mode 2 -tyypin urautumisena ja tien levenemisenä. Esimerkiksi kohdassa pl 2205, jossa BCI -arvo nousi huomattavasti kuormituksen aikana, tien oikea sisäluiska oli pahasti valunut ojaan. Kun mittausten tuloksia verrattiin aikaisempiin tutkimustuloksiin, havaittiin, että kevään 2009 BCI -arvot olivat suurempia kuin aikaisemmat kevätarvot, mutta noudattavat samaa trendiä kuin aiemmin mitatut 2007 ja 2008 arvot. Selittävänä tekijänä näiden kevätarvojen vaihteluun on todennäköisesti roudan syvyys kullakin mittaushetkellä. Kesäarvoihin verrattuna ennen kuormituksia mitatut arvot olivat suurin piirtein samaa suuruusluokkaa kesän 2008 arvojen kanssa. Kuormituksen jälkeen arvot olivat paikoin reilustikin suurempia

14 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 Kuva 15. Pudotuspainolaitteella mitatut BCI-arvot eri kohdista tietä ennen ja jälkeen koekuormituksen.

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 15 3.3.3 SCI -arvot ja venymät SCI -arvot kuvaavat päällysrakenteen yläosan jäykkyyttä kuormituksen alla. Tässä työssä on käytetty SCI 200 -arvoa. Kuvissa 16 on esitetty SCI - arvot ennen ja jälkeen kuormituksen eri osissa tien poikkileikkausta. Kaikki mitatut SCI -arvot olivat erittäin suuria ja kertovat erittäin heikosta päällysrakenteen yläosasta. Kuvasta nähdään, että vasemmassa ajourassa SCI -arvot ovat suuremmat kuin oikeassa urassa. Tämä selittyy sillä, että tierakenteet vasemman uran kohdalla olivat keskimäärin ohuemmat kuin oikean uran alueella (ks. poikkileikkaukset liitteessä 1). Tulosten tilastollinen analyysi osoitti, että vasemman kaistan ulkourassa SCI -arvojen kasvu oli keskimäärin 15 %. Erikoista oli, että oikeassa ulkourassa SCI -arvot kasvoivat keskimäärin 21 %, kun taas puolessa pisteitä arvot laskivat noin 5 %. Tien keskilinjalla SCI -arvot olivat pääasiassa noin 10 % pienempiä kuormitusten jälkeen kuin ennen niitä. Kun tuloksia verrattiin aiempiin mittaustuloksiin, voitiin havaita, että 2009 arvojen vaihtelut noudattivat samaa trendiä kuin aikaisempien vuosien SCI -arvot. Polyroad -osuuden arvot olivat samaa luokkaa kevään 2008 SCI -arvojen kanssa kun taas Sacocell -osuudella kevään 2008 arvot olivat paikoin yli kaksinkertaisia vuoden 2009 arvoihin verrattuna. Toisaalta kesän 2008 arvoihin verrattuna Sacocell -osuudella kevään 2009 arvot olivat muutamaa pistettä lukuun ottamatta suurempia. Polyroad - osuudella 2009 arvot olivat pääasiassa suurempia kuin aikaisemmat kesäarvot. Kuvassa 17 on esitetty maatutkadata vasemmasta ajourasta sekä ruotsalaisten kaavojen mukaan lasketut venymät eri puolilta tien poikkileikkausta. Kuvan esittämä venymien jakauma on samankaltainen kuin SCI - arvoissa ja kaikki venymä-arvot ovat selvästi yli 1000 microstrain, mikä kertoo että päällyste vaurioituu nopeasti raskaan kuormituksen alla - jos ei ole jo vaurioitunut. Selkeästi parhaiten käyttäytyi Sacocell -jakson alkuosa.

16 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 Kuva 16. Pudotuspainolaitteella mitatut SCI-arvot eri kohdista tien poikkileikkausta ennen ja jälkeen koekuormituksen.

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 17 Kuva 17. 1.0 GHz maatutka-antennin data ja tulkinnat vasemmasta ajourasta sekä alla pudotuspainolaitteella mitatuista taipumasuppiloista lasketut venymät eri kohdista tien poikkileikkausta ennen ja jälkeen koekuormituksen. 3.3.4 Rakenteiden moduulit Rakenteiden ja pohjamaan moduulit laskettiin Road Doctor -ohjelmistolla Forward Calculation -optiolla sekä Elmod 5 -ohjelmistolla. Laskelmat tehtiin oikeasta urasta, mikä edusti parasta kantavuutta poikkileikkauksessa. Kuvassa 18 on esitetty päällysteen ja käsitellyn kantavan kerroksen moduulit ennen ja jälkeen kuormituksen ja kuvassa 19 on esitetty vastaavat moduulit tierakenteesta. Suurimmat pudotukset olivat Polyroad -jaksolla siellä missä lähtökantavuudet olivat tavanomaista korkeampia ja kuormitus pudotti ne normaalille tasolle. Tilastollisten analyysien mukaan Forward Calculation -optiolla lasketut rakenteen yläosan (päällyste + stabiloitu kerros) moduulit olivat noin 33 % pienempiä kuormitusten jälkeen kuin ennen niitä. Tierakenteen lasketut moduulit olivat noin 34 % pienempiä kuormitusten jälkeen kuin ennen niitä. Nämä tulokset kertovat, että koko tierakenne näyttäsi pehmenevän kuormituksen aikana. Kuvassa 20 on esitetty Elmod -ohjelmalla oikeasta ajourasta lasketut pohjamaan moduulit ennen ja jälkeen kuormituksen. Tulosten mukaan pohjamaan moduuli putoaa 10-40 % kuormituksen aikana. Kuvassa 21 on tarkasteltu ruotsalaisilla kaavoilla laskettuja pohjamaan moduuleja jokaisella mittauslinjalla. Kuva osoittaa, että suuret pudotukset ovat paikallisia ja liittynevät kohteisiin, joissa tien alla on ollut haurasta jäätä ja joka on sitten kuormituksen alla murskaantunut. Ruotsalalaisilla kaavoilla lasketut pohjamaan moduulit ovat myös huomattavasti alhaisempia kuin Elmod - ohjelmalla lasketut moduulit ja ovat todennäköisesti lähempänä totuutta.

18 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 Polyroad Sacocell Kuva 18. Oikeasta ajourasta Elmod-ohjelmalla lasketut päällysteen ja käsitellyn kantavan kerroksen yhteismoduuli ennen ja jälkeen kuormituskokeen. Polyroad Sacocell Kuva 19. Oikeasta ajourasta Elmod-ohjelmalla lasketut tierakenteen moduulit ennen ja jälkeen kuormituskokeen. Polyroad Sacocell Kuva 20. Oikeasta ajourasta Elmod-ohjelmalla lasketut pohjamaan moduulit ennen ja jälkeen kuormituskokeen.

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 19 Kuva 21. Road Doctor ohjelman ruotsalaisilla laskukaavoilla lasketut pohjamaan moduulit eri mittauslinjoilta ennen (musta) ja jälkeen (punainen= vasen ura, vihreä= tien keskeltä, sininen=oikea ura) koekuormituksen. Yllä on esitetty 400 MHz pituusleikkaus vasemmasta ajourasta Kuvassa 22 on esitetty perinteiset rakenteen E2-moduulit oikeasta ajourasta. Koko jaksolla E2-moduuli pienenee keskimäärin 25 % kuormitusten aikana verrattuna ennen kuormitusta olleeseen tilanteeseen. Sacocell -osuudella pieneneminen on hieman vähäisempää ollen keskimäärin 20 % kun Polyroad -osuudella E2 -arvot putosivat 27,5 %. Polyroad Sacocell Kuva 22. Oikeasta urasta mitatut E2-moduulit ennen ja jälkeen koekuormituksen sekä moduulien suhteellinen putoaminen kuormituksen aikana. Lopuksi tutkittiin kuormituksen aiheuttamaa kantavuuden alenemaa vertailemalla eri menetelmillä (FWC ja ELMOD) laskettujen moduulien pohjalta Road Doctor -ohjelmalla laskettuja Odemark -pintakantavuuksia (kuva 23 ja taulukko 1). Tulosten mukaan kantavuus on keskimäärin noin 50 MPa luokkaa ja se alenee koko kohteella 28,1-30,2 %. Polyroad - osuudella kantavuus laskee enemmän (28,4-35,9 %) kuin Sacocell - osuudella (27,6-21,3 %). Tämä kuten myös muut tulokset osoittivat, että pudotus Sacocell -kohteella oli hieman pienempi kuin Polyroad kohteella,

20 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 mutta erot olivat erittäin pieniä. Elmod -ohjelmalla lasketuilla moduuleilla havaittiin myös suuremmat erot kuin FWC-menetelmällä lasketuilla moduuleilla. Polyroad Sacocell Kuva 23. Road Doctor Forward Calculation -optiolla (yllä) ja Elmod -ohjelmalla (alla) lasketut moduulit ja niiden perusteella lasketut Odemark -kantavuudet ennen (vihreä) ja jälkeen (punainen) koekuormituksen. Laskelmat on tehty oikeasta ajourasta. Taulukko 1. Tilastollisia tuloksia Road Doctor Forward Calculation -optiolla ja Elmod -ohjelmalla lasketuista moduuleista ja niiden perusteella lasketuista keskimääräisistä Odemark -pintakantavuuksista ennen ja jälkeen koekuormituksen- Lisäksi on laskettu kantavuuden suhteellinen pudotus (alenema). FWC, keskimääräinen kantavuus (MPa) Elmod, keskimääräinen kantavuus (MPa) Alkutilanne Lopputilanne Alenema (%) Alkutilanne Lopputilanne Alenema (%) Koko kohde 57 41 28,1 47 33 30,2 Polyroadosuus 61 44 28,4 46 30 35,9 Sacocellosuus 51 37 27,6 50 39 21,3

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 21 3.4 Vaaitustulokset Liitteessä 2 on esitetty vaaitustulokset poikkileikkauksista tehdyistä mittauksista. Mittapiste 1 on vasen reuna, 2 edustaa vasenta uraa, 3 keskilinjaa, 4 oikeaa uraa sekä 5 oikeaa reunaa. Vaaitustuloksista nähdään, että etenkin Polyroad -kohteilla tie urautui koekuormituksen aikana jopa yli 1 cm. Poikkileikkaukset vahvistavat myös, että urautuminen on Mode 2 -tyypin urautumista, jossa deformaation johdosta tien keskiosa jopa hieman nousee. Poikkileikkauksista voidaan nähdä myös, että roudan sulamisen vuoksi tie on myös hieman painunut kuormituksen aikana. Sacocell -kohteilla muodonmuutokset olivat poikkileikkauksissa huomattavasti pienempiä. Toinen havainto Sacocell -kohteella oli se, että siellä tien vasen reuna näyttäisi painuneen alemmaksi kuin oikea reuna.

22 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 4 YHTEENVETO Jyrhämäjärven koekohteiden rakenteiden käyttäytyminen ja myös tämän koekuormituksen tulokset osoittavat, että uusia hydrofobisia käsittelyaineita ei välttämättä kannata käyttää kohteissa, joissa pohjamaan kantavuus on erittäin heikko ja tien urautuminen tapahtuu pääasiassa tierakenteen ja pohjamaan rajapinnassa (Mode 2). Toisaalta tulokset osoittivat myös, että siellä missä Polyroad ja Sacocell -käsittelysyvyys on ollut riittävän paksu, on tien ohut päällyste kestänyt yllättävän hyvin ja tavatut vauriot ovat olleet lähinnä reunahalkeamia. Sacocell -kohteen loppuosassa, missä käsittelysyvyys oli pienempi ja/tai käsittely ei ollut onnistunut, oli kohde vaurioitunut lähes täysin. Maatutkalla mitatut kantavan kerroksen pinnan dielektrisyysmittaustulokset osoittivat, että jos käsittelysyvyys oli 20 cm, ei vesi pumppautunut kuormituksen aikana kerroksen läpi ja näissä kohteissa myös päällysteen venymät olivat pienempiä. Kantavuusmittausten tulosten analyysit osoittivat, että kuormitus heikensi merkittävästi tierakenteen jäykkyyttä ja kykyä jakaa kuormitusta heikon pohjamaan päällä. Mitatut BCI -arvot olivat pääosin 10 50 % heikompia ja pahimmillaan jopa yli kaksinkertaisia kuormituksen jälkeen kuin ennen sitä. Pinnan jäykkyyttä kuvaavat SCI -arvot kasvoivat vasemmassa urassa 15 20 %, mutta toisissa mittauslinjoissa ne paikoin jopa paranivat osoittaen rakenteen tiivistymistä. Mitatut venymät olivat kaikkialla yli 1000 microstrain, mikä kertoo, että päällyste ei tule kestämään kohteessa kovin pitkään. Suurimmat venymät olivat jopa yli 4000 microstrain Sacocell - jakson lopussa, jossa päällyste oli pahoin vaurioitunut. Rakenteen ja pohjamaan moduulit laskettiin Elmod -ohjelmalla ja Road Doctor -ohjelman Forward Calculation -optiolla. Nämä laskelmat osoittivat, että päällysteen ja käsitellyn kerroksen moduulit laskivat keskimäärin 33 % kuormituksen aikana ja muun tierakenteen moduulit keskimäärin 34 %. Pohjamaan moduulit olivat hyvin alhaisia ja vaikeasti tarkasti laskettavissa, keskimäärin lasku oli noin 10 %. Näiden laskelmien luotettavuutta haittasi pohjamaassa 1,5 m syvyydellä oleva routa. Rakenteesta lasketut E2 -moduulit putosivat noin 30 %. Polyroad -osuudella tämä lasku oli hieman suurempaa kun Sacocell -osuudella. Odemark -menetelmällä laskettu kantavuuden putoaminen oli takaisinlaskentamenetelmästä riippuen 28 35 % Polyroad -kohteella ja 21 28 % Sacocell -kohteella. Yleistäen voidaan todeta, että kantavuus putosi 18 ylityksen jälkeen 50 60 MPa:sta 30 40 MPa:iin, joka kertoo rakenteen merkittävästä heikkenemisestä. Kohteella tehdyt vaaitustulokset osoittivat, että Polyroad -kohteella urautuminen oli suurempaa kuin Sacocell -kohteella. Kohteella testattiin myös lämpökameran käyttöä ja sen avulla saatiin arvokasta tietoa, miten tien pintalämpötila kertoo tievaurioista ja miten kuormituksen aiheuttama kylmän veden pumppautuminen tien pintaan

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 23 muuttaa sitä. Ongelmia aiheutti kuitenkin aurinko ja siksi lämpökameratestit tulisi tehdä yöllä tai pilvisellä ilmalla.

24 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 LIITE 1. 400 MHZ MAATUTKA-ANTENNILLA MITATUT POIKKILEIKKAUKSET.

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 25

26 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 5

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 27

28 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 LIITE 2. VAAITUSTULOKSET POIKKILEIKKAUKSISTA 1 2 3 4 5 30 31 32 33 leveys 4,4 m 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 Poikkileikkaus 2165 Polyroad 49 50 1 2 3 4 5 62 63 64 65 leveys 4,35 m 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 Poikkileikkaus 2185 Polyroad 80 81 82 1 2 3 4 5 60 61 62 63 leveys 4,45 m 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 Poikkileikkaus 2205 Polyroad 78 79 80

Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 29 1 2 3 4 5 98 99 100 101 leveys 4,25 m 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 Poikkileikkaus 2245 Polyroad 117 118 1 2 3 4 5 115 116 117 118 leveys 4,20 m 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 Poikkileikkaus 2265 Polyroad / Sacocell 134 135

30 Jyrhämäjärven koerakenteiden kuormitustestit keväällä 2009 1 2 3 4 5 132 133 134 135 leveys 4,15 m 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 Poikkileikkaus 2285 Sacocell 151 152 1 2 3 4 5 140 141 142 143 leveys 3,90 m 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 Poikkileikkaus 2305 Sacocell 159 160

ISSN 1459-991X TIEH 4000716