2. Vesi tierakenteessa ja pohjamaassa, terminologiaa

2.1. Yleistä vedestä

Vesimolekyyli koostuu yhdestä happiatomista ja kahdesta vetyatomista. Vetyatomit muodostavat happiatomin kanssa 104.5° kulman. Vesimolekyyli on polaarinen, mikä tarkoittaa sitä, että happiatomilla on lievä negatiivinen varaus. Happiatomi sitoo elektroneja lähemmäs itseään johtuen sen elektronegatiivisuudesta ja tällöin vetyatomeilla säilyy lievä positiivinen varaus. Happi-vety -sidoksen pituus on 0,96Å.

Ympäristön lämpötila ja paine vaikuttavat veden olomuotoon. Kylmän alueen ilmassa vesi voi esiintyä tierakenteessa ja pohjamaassa kolmessa eri muodossa: kiinteänä (jää), nesteenä (vesi) ja kaasuna (vesihöyry). Veden määrä ja olomuoto (neste vai jää) vaikuttavat siihen, miten materiaali käyttäytyy tierakenteessa ja pohjamaassa. Lisäksi on muistettava, että veden olomuoto, veteen liuenneen ilman määrä ja kolloidipitoisuus vaikuttavat merkittävästi materiaalin jäykkyyteen, sen vastustuskykyyn pysyviä muodonmuutoksia vastaan sekä routimisherkkyyteen. Näitä tekijöitä ja yleistä terminologiaa on käsitelty seuraavissa kappaleissa.

2.2. Vapaa vesi, sitoutunut vesi, saturaatio ja huokoisuus

Maassa oleva vesi voidaan yleisesti luokitella kolmeen eri osaan: 1) adsorptiovesi (kutsutaan myös nimellä hygroskooppinen vesi) 2) viskoosinen vesi eli kapillaarivesi 3) vapaa vesi. Yksinkertaisemmin luokittelu voidaan jakaa kahteen eri luokkaan a) sitoutunut vesi ja b) vapaa vesi.

2.2.1. Sitoutunut vesi

Adsorptiovesi

Koska vesimolekyyli on polaarinen ja suurin osa mineraalien pinnoista on negatiivisesti varautuneita, ovat vesimolekyylit hyvin järjestäytyneitä lähellä mineraalista pintaa. Tämä adsorptiovesi koostuu kahdesta eri kerroksesta; tiukemmin ja löyhemmin sitoutuneesta vedestä. Tiukasti sitoutuneen adsorptiovesikerroksen paksuus on noin 0,002µm. Adsorptiovesi kondensoi vesimolekyylejä partikkeleiden pintaan suoraan ilmasta. Tiukasti sitoutuneen kerroksen ympärillä on löyhemmin sitoutunut adsorptiovesikerros. Tämän kerroksen paksuus vaihtelee välillä 0,002-0,006µm. Suola ohentaa adsorptiokerroksen paksuutta ja siten materiaalin tiivistyminen on helpompaa.

Adsorptiovettä voidaan kutsua myös sitoutuneeksi vedeksi, koska se käyttäytyy kuten ”sideaine” maapartikkelien välissä ja lisää kuivan materiaalin vetolujuutta. Tämän vuoksi joissakin maissa kuivia sitomattomia materiaaleja kutsutaan myös ”vedellä sidotuiksi materiaaleiksi” (water bound aggregates).

Myös mineraalien ominaispinta-ala säätelee adsorptioveden määrää. Mitä korkeampi ominaispinta-ala on, sitä korkeampi on vesipitoisuus. Kaikki adsorptiovesi ei kuitenkaan haittaa materiaalin käyttäytymistä. Esimerkiksi rautaoksidit voivat adsorboida valtavat määrät vettä, mutta vesi ei silti aiheuta ongelmia materiaalille.

Viskoosinen tai kapillaarinen vesi

Maa-aineksen kosteutta, joka ei ole sitoutunut mineraalirakeiden ympärille hygroskooppiseksi vedeksi ja joka ei reagoi painovoimaan, kutsutaan usein viskoosiseksi tai kapillaariseksi vedeksi. Kapillaarinen vesi voidaan jakaa ”sisempään” ja ”ulompaan” kerrokseen. Kun materiaalia tiivistetään juuri optimiproctorvesipitoisuuden kohdalla sisempi kapillaarivesikerros muuttuu uloimmaksi kapillaarikerrokseksi. Myös kapillaariset voimat ovat merkittäviä tekijöitä tien routanousuprosessissa.

Meniskus tai ”kutistuva kuori”

Kapillaarinen meniskus, jota kutsutaan myös termillä “contractile skin”, muodostuu vedellä kyllästymättömässä kerroksessa partikkeleiden vesivaipan ja välille. Vaikka ilman ja veden rajapinta on vain muutaman molekyylin paksuinen, on sen läsnäolo erittäin tärkeää maamekaniikan kannalta, sillä kerroksella on vetovoimaan liittyvä ominaisuus. Tätä ominaisuutta kutsutaan pintajännitykseksi. Sen voimakkuus riippuu lämpötilasta; jos lämpötila nousee, voimakkuus pienenee.

Yleisesti tiedetään, että kuivuvalla materiaalilla on parempi lujuus kuin kostuvalla materiaalilla samassa vesipitoisuudessa. Tämä selittyy sillä, että kuivuvassa materiaalissa meniskus on kovera ja paremmin rakentunut verrattaessa kostuvaan tilanteeseen, jossa meniskus on kupera ja uudet materiaaliin saapuvat vesimolekyylit rikkovat sen molekyylirakenteen. Ilmiötä kutsutaan myös nimellä hysteresis.

Meniskus on tärkeä tekijä matriisi-imupaineessa, jota on kuvattu myöhemmissä kappaleissa.

2.2.2. Vapaa vesi

Vapaa vesi (kutsutaan myös gravitaatiovedeksi) liikkuu maa-aineksen huokosissa painovoiman ansiosta. On tärkeää tiedostaa, että tien kuivatusjärjestelmään voi vaikuttaa myös tämän tyyppinen vesi. Vapaan veden määrä vähentää kantavuutta välittömästi. Se myös heikentää tien reunojen stabiiliutta ja aiheuttaa reunapainumia sekä eroosiota.  Vapaa vesi on tärkeä tekijä jäätymis-sulamisprosessissa. Syksyllä lämpötilan laskiessa alle nollan, vapaa vesi jäätyy ensimmäisenä muodostaen kuusikulmaisia kiteitä. Tällöin veden tilavuus kasvaa ja syntyy routanousuja.

2.2.3. Vedellä kyllästyneet ja kyllästymättömät materiaalit

Materiaalien käyttäytyminen liikenteen kuormituksen alla vaihtelee suuresti riippuen siitä, onko materiaali vedellä kyllästynyttä vai kyllästymätöntä. Vedellä kyllästyneen materiaalin huokostila on kokonaisuudessaan täyttynyt vedellä aivan kuin se olisi pohjaveden pinnan alla. Kyllästymättömällä materiaalilla huokostila on täyttynyt sekä vedellä että ilmalla. On tärkeää muistaa, että mineraali-vesi-ilma sekoituksessa vain ilma on kokoonpuristuvaa ja korkean paineen alla ilma voi osittain liueta veteen.

2.2.4. Huokoisuus, huokosluku ja kyllästyminen

Huokoisuus

Tiemateriaaleilla ja pohjamaalla termi huokoisuus (n) tarkoittaa prosenttiosuutta huokosten tilavuuden ja materiaalin kokonaistilavuuden välillä. Se lasketaan seuraavasti:

n = (V_v (100)) / V, missä

V_v= huokosten tilavuus, V = kokonaistilavuus

Huokoisuus vaihtelee maa-aineksen tyypin mukaan. Huokoisuuden tyypilliset arvot eri materiaaleille on esitetty taulukossa:

Lähde: Soil mechanics for unsaturated soil

Huokosluku

Huokosluku (e) on määritelty huokosten tilavuuden ja kiinteän aineksen tilavuuden välisenä kertoimena. Se lasketaan seuraavasti:

e = V_v / V_s , missä

V_v= huokosten tilavuus, V_s = kiinteän aineksen tilavuus

Huokosluku vaihtelee myös maalajityypin mukaan. Tyypilliset arvot eri materiaaleille on esitetty taulukossa:

Lähde: Soil mechanics for unsaturated soil

Kyllästyminen

Sitä prosenttiosuutta, jonka huokostilavuus sisältää vettä, kutsutaan saturaatioksi (S).

S = (V_w(100)) / V_v , missä

V_w= veden tilavuus, V_v = huokosten tilavuus

Kyllästymättömät maat voidaan jakaa edelleen kolmeen ryhmään riippuen onko ilmafaasi jatkuva vai koostuuko se erillisistä ”ilmakuplista”. Luokittelu voidaan tehdä kyllästymisasteen perusteella.

• S < 80%, kyllästymätön maa-aines jatkuvalla ilmafaasilla.
• S > 90%, kyllästymätön maa-aines, jonka sisällä ilmakuplia.
• 80% < S < 90%, siirtymävaihe jatkuvan ilmafaasin ja yksittäisten ilmakuplien välillä .

Kun materiaali on liikkuvan dynaamisen kuorman alla pidetään merkittävänä rajana  80 %:n kyllästymisastetta eikä tiemateriaalin tarvitse olla täysin vedellä kyllästynyt, jotta sen mekaaniset ominaisuudet alkavat muuttua.

2.3. Ilman ja veden yhteisvaikutus

2.3.1. Veden ja ilman sekoitukset

Vesi ja ilma voivat olla liittyneet toisiinsa joko sekoittuvana tai sekoittumattomana seoksena. Sekoittumattomalla seoksella tarkoitetaan veden ja ilman seosta ilman mitään yhteisvaikutuksia.  Ilman ja veden erottaa meniskus. Sekoittuneella ilma-vesi seoksella voi taas olla kaksi erilaista muotoa; ilma on liuenneena veteen tai vesihöyry on ilman joukossa. Ilmaa voi liueta veteen noin 2% veden tilavuudesta.

Mikäli maa-aineksen huokosista yli 80% on täyttynyt vedellä, alkaa ilma liueta veteen jos ja kun maamateriaalia kuormitetaan. Prosessi, jossa ilma liukenee veteen, voidaan jakaa kahteen vaiheeseen. Ensin ilma puristuu (Boylen laki) ja tämän jälkeen se liukenee veteen (Henryn laki). Veteen liukenevan ilman määrä on riippuvainen kuormitusajasta. Kuormituksen poistuessa tapahtuu käänteinen prosessi, joka saattaa kuitenkin kestää pidemmän aikaa. Tämä prosessi selittää palautumisaika-käsitteen sekä tiemateriaalien viskoelastisen käyttäytymisen.

2.3.2. Kokoonpuristuvuus

Muutokset huokosvedenpaineessa vaikuttavat suoraan vedellä kyllästymättömien pohjamaiden ja tiemateriaalien mekaaniseen käyttäytymiseen.  Huokospaineolosuhteet voidaan jakaa kahteen eri luokkaan; 1) Huokospaine liittyy veden virtaamiseen tai suotautumiseen maa-aineksen läpi ja 2) huokospaine aiheutuu ulkopuolisesta kuormituksesta. Huokospaine ei poistu maa-aineksesta kuormituksen aikana. Tilavuuden muutokset tapahtuvat puristumisen seurauksena. Tilavuuden muutokset huokosissa (eli vapaata ilmaa ja/tai vettä ja ilmaa liuenneena veteen) ovat riippuvaisia huokosvedenpaineessa tapahtuvista muutoksista. Huokosvedenpaine lisääntyy kun kyllästymätöntä materiaalia kuormitetaan.

2.3.3. Liukoisuus

Veteen liuenneen ilman määrä riippuu ilman- ja vedenpaineista. Ilman liukoisuutta voidaan kuvata ideaalikaasulain ja Henryn lain avulla. Ideaalikaasulain mukaan tasapainotilassa absoluuttinen liuenneen ilman paine on yhtä suuri vapaan ilman paineen kanssa. Tasapainotila saavutetaan, mikäli vapaata ilmaa ja liuennutta ilmaa on yhtä paljon. Mikäli kuormitus kasvaa, prosessi toistuu.

2.4. Maalajien ja –rakeiden kemialliset ja sähköiset ominaisuudet

2.4.1. Veden kemialliset ainesosat

Maa-aineksen joukossa oleva vesi sisältää yleensä orgaanista ja epäorgaanista ainesta vaihtevissa muodoissa. Ainesosat voivat olla joko liukenevia tai lietteen komponentteina. Viimeksi mainittu on tärkeä tekijä materiaalien mekaanisessa käyttäytymisessä. Tärkeimmät komponentit on kuvattuna seuraavassa:

a. Ionit. Vedessä on läsnä aina kaksi ionityyppiä, 1) kationit ja 2) anionit. Kationi on ioni, jolla on vähemmän elektroneja kuin protoneja ja siten kationilla on positiivinen varaus. Nämä positiiviset ionit vetävät puoleensa vesimolekyylien negatiivista kulmaa ja päinvastoin. Kationit vetävät puoleensa negatiivisesti varautuneita mineraalipintoja. Anioni taas on ioni, jolla on enemmän elektroneja kuin protoneja ja siten sillä on negatiivinen varaus.

b. Orgaaniset yhdisteet. Tiemateriaaleissa olevat orgaaniset yhdisteet lisäävät materiaalissa olevan veden adsorptio-ominaisuuksia ja vähentävät tiemateriaalin kestävyyttä pysyviä muodonmuutoksia vastaan.  Tästä esimerkkinä soratiet, joiden kulutuskerroksessa on suuri määrä orgaanisia yhdisteitä. Tällöin sorateiden kulutuskerros voi menettää kitkaa sateen aikana ja niistä voi tulla hyvin liukkaita. Lisäksi, jos materiaalissa on sekoittuneena orgaanista ainesta, sillä on korkea plastisuus ja pieni lujuus, kasvaa materiaalin kokoonpuristuvuus ja kutistuvuus mikä johtaa halkeiluun kun materiaali uudelleen kuivuu.

c. Suspensiossa olevat kolloidiset partikkelit. Huokosveden käyttäytymisen ymmärtäminen vaatii tietoa siitä, miten kolloidinen partikkeli käyttäytyy huokosvedessä erilaisissa olosuhteissa. Kolloidiset partikkelit sijaitsevat raekooltaan 10^-6 – 10^-9 m partikkelien ja liuenneiden yhdisteiden väliin. Vallitsevana ominaisuutena niillä on korkea plastisuus ja molekyylien adsorptio. Tiemateriaalien ja pohjamaan kolloidit voidaan luokitella a) hydrofiilisiin kolloideihin ja b) hydrofobisiin kolloideihin.

Kolloidien merkitystä tiemateriaalien ja pohjamaan käyttäytymiseen ei vielä tunneta tarpeeksi hyvin. Yksi syy tähän on niiden koko, joka on savipartikkeliakin pienempi ja siksi niitä on äärimmäisen vaikeaa analysoida. Suomessa heikkolaatuisia tiemateriaaleja tutkineissa projekteissa on havaittu, että nämä ongelmamateriaalit voivat  sisältää erilaisia kolloideja. Kolloidien vaikutus on myös todettu keväällä roudan sulamisen aikaan Percoasemalla mitatussa aineistossa. Siinä on havaittu sähkönjohtavuudessa selkeä piikki aina silloin, kun materiaalien sulamisvaihe on alkanut. Tämä piikki johtuu savipartikkeleiden pinnasta vapautuneiden kolloidien määrän lisääntymisestä huokosvedessä ja samanaikaisesti tien pinta tulee hyvin plastiseksi. Myöhemmin sähkönjohtavuus putoaa, mikä kertoo kolloidien flokkuloitumisesta eli yhteenkerääntymisestä. Tässä vaiheessa tien pinnan materiaalit alkavat kuivua, ne menettävät plastisuutensa ja kantavuus paranee. Huokosveden pH säätelee kolloidien koagulaatiota ja flokkulaatiota.

Savimineraaleja ja kolloideja voidaan verrata kooltaan samanlaisiin orgaanisiin yhdisteisiin. Savimineraalit ovat samankokoisia kuin bakteerit ja kolloidit ovat samaa kokoa virusten kanssa. Voi olla, että tulevaisuudessa huomataan kolloidien olevan tien terveydelle yhtä vaarallisia kuin virukset ovat ihmisen terveydelle…

d. Adsorboituneet ionit suspensiopartikkeleissa. Hydrofiiliset kolloidit adsorboivat hydratoituneita ioneja, joita ympäröi löyhästi sitoutunut vesikerros. Tämä aiheuttaa sen, että kaikkia hydrofiilisiä kolloideja ympäröi nestemäinen kalvo. Syklittäisen kuormituksen vaikutuksen alla nämä ”partikkelit” voivat kasvattaa huokosvedenpainetta.

Huokosveden pH

Yksi tärkeimmistä huokosveden kemiallisista ominaisuuksista on sen pH-arvo. pH-arvolla on merkittävä vaikutus eri materiaalien vetysidoksiin ja siten myös vetovoimaan. Jos materiaalin suolapitoisuus ja/tai hiilidioksidipitoisuus on noussut, pH arvo tulee laskemaan. Matala pH lisää positiivisen varauksen mineraalikulman ja negatiivisesti varautuneen mineraalin pinnan välistä vetovoimaa aiheuttaen yhdisteiden saostumista huokosveteen tai jäljelle jääneiden saostuneiden mineraalien pintoihin. Huokosveden pH:n ollessa korkea käy päinvastoin. Partikkelit jäävät suspensiona huokosveteen ja materiaali tulee herkemmäksi pysyville muodonmuutoksille.

2.4.2. Veden sähköiset ominaisuudet

Tiemateriaalien ja pohjamaan sähköisiin ominaisuuksiin kuuluu magneettinen suskeptibiliteetti, sähköjohtavuus ja dielektrisyysarvo. Näistä magneettinen suskeptibiliteetti on merkityksetön Pohjoisen Periferian alueella. Muutokset dieletrisyysarvossa ja sähkönjohtavuudessa liittyvät moniin tien mekaaniseen käyttäytymiseen liittyviin ilmiöihin. Mittaamalla ja analysoimalla näitä muuttujia saadaan tietoa erilaisista asioista, kuten herkkyydestä pysyviin muodonmuutoksiin, routivuudesta, kosteuspitoisuudesta, jäätymättömän veden määrästä jäätyneessä maassa, hienoainespitoisuudesta, kloridipitoisuudesta sekä asfaltin ja betonin vaurioista.

Dieletrisyysarvo kuvaa materiaalin volumetristä vesipitoisuutta. Se kertoo myös materiaalin vapaan veden määrästä mitattaessa polaaristen molekyylien liikkumista vaihtuvassa (AC) sähkökentässä.

Useat tekijät voivat vaikuttaa sähkönjohtavuuteen ja dielektrisyyteen:

• väliaineen rakenne
• rakenne-elementtien koko
• elementtien elektrokemiallinen laatu
• huokoisuus
• volumetrinen vesipitoisuus
• veden eri olomuotojen jakauma (vapaan veden määrä)
• ionipitoisuus
• lämpötila
• paine
• tiheys

2.5. Vesipitoisuus ja menetelmät sen määrittämiseksi

Kun puhutaan vedestä ja tiemateriaalien sekä pohjamaan ominaisuuksista, käytetään yleisimmin termiä vesipitoisuus. Vesipitoisuus on liian yleinen termi ja siksi tulisi selvästi määritellä, onko kyse gravimetrisesta vai volumetrisesta vesipitoisuudesta. Lisäksi tulisi kertoa, miten vesipitoisuus on mitattu, onko siinä rajoitettu vapaan veden määrää tai sisältyykö siihen sitoutunut vesi. Gravimetrisen ja volumetrisen vesipitoisuuden määritelmät ja niiden mittausmenetelmät on esitelty seuraavissa kappaleissa.

2.5.1. Gravimetrinen ja volumetrinen vesipitoisuus

Materiaalin gravimetrinen vesipitoisuus (w) määritellään veden ja kiinteän aineksen massojen suhteena.

w(%) = (M_w(100)) / M_s , missä

M_w= veden massa, M_s = kiinteän aineksen massa

Tämä tarkoittaa sitä, että kiviaineksen mineralogialla ja tiheydellä on merkittävä vaikutus gravimetriseen vesipitoisuuteen. Tämän vuoksi erityyppisten materiaalien gravimetrisia vesipitoisuuksia ei voi vertailla keskenään. Lisäksi gravimetrinen vesipitoisuus ei tarjoa mitään tietoa materiaalin tiheydestä tai kyllästymisasteesta. Näistä epäkohdista huolimatta gravimetristä vesipitoisuutta käytetään yleisesti kuvaamaan vesipitoisuutta, koska se on niin helppo mitata.

Volumetrinen vesipitoisuus  (?_w) on määritelty veden tilavuuden ja kokonaistilavuuden välisenä suhteena.

?_w = V_w / V , missä

V_w= veden tilavuus, V = kokonaistilavuus

p>Volumetrinen vesipitoisuus jättää huomioimatta mineraalien kuivatiheyden ja on parempi muuttuja keskusteltaessa tiemateriaalien ja pohjamaan mekaanisista ominaisuuksista. Tämä johtuu siitä, että volumetrinen vesipitoisuus voidaan esittää myös seuraavien termien avulla: huokoisuus, kyllästymisaste ja huokosluku.

?_w = (SV_v) / V , missä

S = kyllästymisaste, V_v= huokosten tilavuus, V = kokonaistilavuus

tai

?_w = Se / (1+e), missä

S = kyllästymisaste, e = huokosluku

Laskettaessa tilavuus-massasuhteita on hyvä tietää muutamia perusasioita maa-aineksen tiheydestä. Kokonaistiheys ja kuivatiheys ovat useimmin käytettyjä määritelmiä. Kokonaistiheys, jota kutsutaan myös irtotiheydeksi (?), on maa-aineksen kokonaismassan ja kokonaistilavuuden suhde.

? = M / V, missä

M = kokonaismassa, V = kokonaistilavuus

Kuivairtotiheys (?_d) on määritelty kiinteän massan suhteena kokonaistilavuuteen.

?_d = M_s / V, missä

M_s = kiinteän maa-aineksen massa, V = maa-aineksen kokonaistilavuus

Maksimi- ja miminikuivatiheys vaihtelee eri materiaaleilla.  Eri materiaalien tyypillisiä arvoja on esitetty alla olevassa taulukossa.

Lähde: Soil mechanics for unsaturated soil

Volumetrinen vesipitoisuus on usein käyttökelpoisempi kuin gravimetrinen vesipitoisuus, koska sitä voidaan soveltaa paremmin vesipitoisuuksien vaihteluiden laskentaan ja laskelmissa, paljonko maa-ainekseen tulisi lisätä tai vähentää vettä. Nämä kaksi vesipitoisuuden laskentatapaa selittää eroavaisuudet erilaisten tutkimusten välillä. Gravimetrinen vesipitoisuus riippuu materiaalin kuivatiheydestä ja on noin 1.5 – 2 kertaa pienempi kuin volumetrinen vesipitoisuus.

Tiivistymisaste vaikuttaa vesipitoisuuteen. Tiivistetyllä materiaalilla on suurempi volumetrinen vesipitoisuus kuin löyhällä materiaalilla. Tiivistämisen aikana huokosten tilavuus (huokoset ovat osittain täyttyneet vedellä) tulee pienemmäksi samalla kun maapartikkelit asettuvat tiiviimmin.

Kun maapartikkelit lähenevät toisiaan tiivistyksen aikana, partikkelien pintaan sitoutunut vesi löyhenee ja muuttuu sitomattomaksi vapaaksi vedeksi. Tämä aiheuttaa sen, että dielektrisyysarvo nousee samalla kuin sitomattoman veden määrä kasvaa.

2.5.2. Perinteiset laboratoriokoemenetelmät

Gravimetristä vesipitoisuutta voidaan mitata laboratorioissa monin eri tavoin. Tavallisimmin käytettyjä menetelmiä ovat uunissa kuivattamismenetelmä ja kalsiumkarbidi CaC2 kaasupainemittausmenetelmä.

Yksinkertaisin menetelmä gravimetrisen vesipitoisuuden määrittämiseen on uunissa kuivattaminen. Ensin märkä näyte punnitaan. Tämän jälkeen sitä kuivataan kiertoilmauunissa 105°C ± 5°C lämpötilassa. Kuivausaika riippuu vaihtelevista muuttujista, kuten maa-aineksen tyypistä, näytteen koosta ja uunin ominaisuuksista. Riittävä aika on yleensä 16-24 tuntia. Kuivausvaiheen tulisi kestää niin pitkään, että saavutetaan näytteen vakiopaino. Näytteen kuivaamisen jälkeen se punnitaan uudelleen ja gravimetrinen vesipitoisuus lasketaan alla olevaa yhtälöä käyttäen:

w = (m₁ – m₂) / (m₂ – m_c) * 100 = m_w / m_d * 100, missä

w = vesipitoisuus,
m₁ = näyteastian ja märän näytteen massa,
m₂ = näyteastian ja kuivan näytteen massa,
m_c = näyteastian massa,
m_w = veden massa,
m_d = kuivan näytteen massa

Kalsiumkarbidikaasupainemenetelmä perustuu siihen, että maanäytteessä vesi absorboituu kalsiumkarbonaattiin ja muodostaa asetyleenikaasua tämän kemiallisen reaktion lopputuotteena. Asetyleenikaasunpaine on suoraan verrannollinen annostellun asetyleenin määrään ja näin ollen näytteessä olevan veden määrään. Tällätavoin mitattu vesipitoisuus on myös gravimetrinen vesipitoisuus.

Ei ole olemassa mitään erityisiä ohjeita siitä, miten volumetrinen vesipitoisuus tulisi mitata laboratoriossa. Yleensä mittaukset alkavat näytteen tarkan tilavuuden mittaamisella ja sen jälkeen näytettä kuivataan samalla tavalla kuin gravimetrista vesipitoisuutta mitattaessa. Tästä saadaan kiviaineksen ja veden massat. Tämän jälkeen kiviaineksen tiheys määritetään erilaisia menetelmiä käyttäen ja volumetrinen vesipitoisuus voidaan laskea olettaen, että veden tiheys on 1.0 g/cm³.

2.5.3. Muut laboratoriossa ja kentällä tehtävät tutkimusmenetelmät

Vesipitoisuus voidaan mitata laboratoriossa ja kentällä erilaisia koemenetelmiä ja laitteita apuna käyttäen. Tällä hetkellä yleisin kosteuspitoisuuden mittaamiseen kentällä käytetty tekniikka on Time Domain Reflectometer mittari (TDR). Muut menetelmät, joita voidaan käyttää kosteuspitoisuuden mittaamiseen, ovat kapasitanssiin perustuvat sensorit ja maatutkaluotaus (GPR). Säteilyyn (gamma-gamma) perustuvat mittaukset ja magneettinen resonanssimittaus (NMR) ovat myös satunnaisesti käytettyjä menetelmiä. Myös sähkönjohtavuutta on käytetty vesipitoisuuden mittaamiseen, mutta tuloksiin voi vaikuttaa materiaalien lämpötila ja kolloidien olotila ja siksi se ei ole luotettava. Hyviä menetelmiä ovat TDR, kapasitanssiin perustuvat anturit ja maatutkaluotaus, jotka kaikki mittaavat materiaalin dielektrisyysarvoa, joka edelleen kertoo volumetrisesta vesipitoisuudesta. Näissä mittauksissa käytettyyn taajuuteen perustuen voidaan karkeasti arvioida vapaan ja sitoutuneen veden määrä. Nämä tekniikat esitellään seuraavassa:

TDR-tekniikassa lähetetään elektromagneettisia pulsseja maa-aineksen läpi ja tuloksena saadaan tietoa aineen dielektrisyysominaisuuksista (dielektrisyysarvo, dielektrisyysvakio). Kun jäätyneen maan vesipitoisuutta mitataan TDR-menetelmää käyttäen, tulisi muistaa, että jäätyneen maan dielektrisyysvakio on 4 eikä 1, mikä sen on otaksuttu olevan joissakin aiemmissa tutkimuksissa.

Kapasitanssiin perustuvia sensoreita voidaan käyttää mittaamaan maa-aineksen volumetrista vesipitoisuutta mittaamalla sen dielektrisyysarvoa. Sensorit havaitsevat vapaan veden määrän muutoksia mittaamalla maa-aineksen kapasitanssissa tapahtuvia muutoksia ja vertaamalla niitä ilman kapasitanssiin.  Yleensä toimitaan taajuusalueella 50-100 MHz. Kapasitanssiin perustuvia sensoreita voidaan käyttää maassa, jossa on korkeampi suolapitoisuus kuin siellä, missä TDR sensoreita voidaan käyttää. Luotettavien mittaustulosten saamiseksi on erityisen tärkeää, että maan ja sensorin välillä on hyvä kontakti. Vesipitoisuutta mitattaessa sensorit tulee kalibroida jokaiselle maalajille sopiviksi. ROADEX-projekti suosittelee kapasitanssiin perustuvien sensorien käyttöä Tube Suction-kokeessa, jossa arvioidaan kantavan kerroksen kosteusherkkyyttä sekä routivuutta ja testataan kantavan kerroksen stabilointiin käytettäviä aineita.

Lähde: Kolisoja & Vuorimies raportti:  Material Treatment Techniques

Maatutkaluotaus (GPR) on rakennetta rikkomaton tutkimusmenetelmä, jota voidaan käyttää teiden, rautateiden, siltojen, lentokenttien, ympäristökohteiden ja muiden vastaavien kohteiden tutkimisessa. Maatutkan avulla saadaan jatkuva profiili tierakenteesta ja pohjamaasta. Tekniikan käyttö tietutkimuksissa on myös lisääntynyt, koska tutkamittaus liikkuvasta autosta ei aiheuta häiriötä muulle tiellä olevalle liikenteelle.

Menetelmä perustuu ilma- että maavasteantennilla lähetettäviin ja materiaalin läpi kulkeviin lyhyisiin elektromagneettisiin energiapulsseihin. Kun elektromagneettinen aalto saavuttaa sähköisiltä ominaisuuksiltaan erilaisen aineen rajapinnan, osa aallosta heijastuu takaisin ja antenni mittaa sen amplitudin ja kulkuajan. Loput aallosta joko kulkeutuu edelleen alempana oleviin kerroksiin tai siroaa eri suuntiin. Materiaalin dielektrisyyttä voidaan mitata käyttäen erilaisia maatutkaluotaustekniikoita, kuten WARR ja CMP. Ilmavasteantennin heijastusamplituditekniikan avulla voidaan mitata myös epäsuorasti vesipitoisuutta. Maatutkalla voidaan määrittää kosteiden alueiden sijainti ja jäätymättömän veden määrä jäätyneessä maassa tai tierakenteessa.

2.6. Vesi ja termodynamiikka

2.6.1. Yleistä, termodynaaminen tasapaino

Vuodenaikojen vaihtelulla on merkittävä vaikutus tierakenteiden käyttäytymiseen Pohjoisen Periferian alueella. Muutokset johtuvat pääasiassa maan lämpötilan ja volumetrisen veden muutoksista. Jäätymis-sulamisprosessit ovat merkittävin syy tien vaurioihin ja käytännössä yli puolet päällysteiden vaurioista pohjoisten alueiden teillä tapahtuu kevään aikana. Keväällä heikoimman jakson aikana yksikin rekka voi saada aikaan merkittäviä vaurioita. Ongelman takana olevien prosessien ymmärtäminen edellyttää muutamien perusasioiden ymmärtämisen termodynamiikasta.

Tie on termodynaaminen järjestelmä, joka vaihtaa materiaalia ja energiaa ympäristönsä kanssa. Järjestelmän on yleisesti sanottu olevan termodynaamisessa tasapainossa, jos siinä ei tapahdu muutoksia ajan kuluessa. Tasapainon osa-alueet ovat seuraavat: lämpötilatasapaino, kemiallinen tasapaino ja mekaaninen tasapaino. Tierakenne, joka on rekkojen dynaamisen kuormituksen alaisuudessa, joka jäätyy talvella, sulaa keväällä ja lämpenee kesällä, ei täytä näitä vaatimuksia.  Vesi on merkittävin välittäjä, joka pyrkii tasaamaan termodynaamista epätasapainoa.

2.6.2. Kyllästymättömän maan ja tiemateriaalien imupaineominaisuudet

Pohjamaalla ja sitomattomilla kiviaineksilla, joilla on matala kosteuspitoisuus, imupaineominaisuudet muodostavat voimia maapartikkelien välille huokosvedessä. Tämä lisää materiaalin jäykkyyttä, mikä taas johtaa korkeisiin moduuliarvoihin. Vesipitoisuuden kasvaessa, materiaalin imupaineominaisuudet pienenevät, kunnes riittävän korkea vesipitoisuus saavutetaan. Tällöin materiaaliin alkaa muodostua positiivista huokosvedenpainetta. joka altistaa materiaalin pysyville muodonmuutoksille. Tärkeimmät imupainekomponentit sitomattomien tierakennemateriaalien ja pohjamaan mekaanisessa käyttäytymisessä ovat 1) matriisi imupaine 2) osmoottinen imupaine ja kylmillä alueilla 3) cryo imupaine. Matriisi- ja osmootisen imupaneen summaa kutsutaan myös ”kokonaisimupaineeksi”.

Huokosluku, huokosten koko ja materiaalin hienoainespitoisuus säätelevät matriisi-imupainetta. Ioniyhdisteiden määrä vaikuttaa puolestaan osmoottisen imupaineen tasoon. Hyvänä esimerkkinä teiden imupaineesta on ilmiö, jossa sorateiden kulutuskerrokseen muodostuu vetolujuutta. Soratien kulutuskerroksen pölyämisherkkyyttä voidaan vähentää kahdella tekniikalla. Kun lisätään hienoainespitoisuutta kulutuskerroksessa, lisätään myös materiaalin matriisi-imupainetta. Toisaalta kun lisätään pölynsidontaa lisääviä suoloja (klorideja) lisätään materiaalin osmoottista imupainetta.

Cryo-imupaine on voima, joka saa veden (jos sitä on saatavilla) virtaamaan jäätymisrintamaan ja sen jälkeen muodostamaan segregaatiojäätä. Cryo-imupaine alkaa vaikuttaa lämpötilan laskiessa alle 0°C. Cryo-imupaineeseen ei vaikuta materiaalin kokonaisimupaine.

2.7. Pohjavesi – kapillaarinen vyöhyke – pohjaveden yläpuolinen vesikerros

Tierakenteessa ja pohjamaassa oleva vesi voidaan jakaa kahteen tai kolmeen pääasialliseen vyöhykkeeseen, joiden termodynaamiset voimat ovat erilaiset. Alin näistä vyöhykkeistä on pohjavesivyöhyke, jossa materiaalin huokoset ovat täysin vedellä kyllästyneitä. Pohjaveden pinta erottaa kyllästymättömän ja kyllästyneen vyöhykkeen toisistaan. Kyllästymätöntä vyöhykettä voidaan myös kutsua pohjaveden yläpuoliseksi vesikerrokseksi ja kyllästynyttä vyöhykettä pohjavesikerrokseksi.

Pohjaveden yläpuolinen vyöhyke voidaan jakaa edelleen kolmeen vyöhykkeeseen:

• 1. kapillaarinen vyöhyke
• 2. adsorptiovesivyöhyke
• 3. pintavesivyöhyke

Kapillaarinen vyöhyke sijaitsee pohjavedenpinnan tason yläpuolella ja siinä vettä (vesimolekyyliä) ikäänkuin ”vedetään” pohjavedestä ylöspäin matriisi-imupaineesta johtuen. Kuten aiemmin on tullut esille, materiaalin huokoskokojakauma vaikuttaa kapillaarivoimiin (matriisi-imupaine) ja kapillaarinen nousu on suurempi, kun huokoset ovat pienempiä. Kapillaarivyöhyke voi vaihdella muutamista senteistä (esim. karkea rakeiset maalajit) muutamiin metreihin (esim. hienorakeiset maarakeet).

Adsorptiovyöhykkeessä / pohjaveden pinnan yläpuolella oleva vesi pysyy paikoillaan imupainevoimien ansiosta. Kun tien pintakerros (päällyste) on hyvässä kunnossa ja vettä läpäisemätön, tässä kerroksessa pidättyvän veden määrä pitäisi olla suhteellisen vakio, lähellä kenttäkapasiteettia. Kevätkelirikon tai muiden märkien jaksojen aikana vesipitoisuus voi olla korkeampi. Kun päällyste halkeaa, vesi virtaa tien pinnasta adsorptiovyöhykkeen läpi kapillaariseen vyöhykkeeseen.

Pintavesivyöhyke on lähimpänä tien pintaa. Kun päällyste tai kulutuskerros on hyvässä kunnossa, tämän vyöhykkeen vesipitoisuus pitäisi olla suhteellisen vakio, lähellä kenttäkapasiteettia. Vesipitoisuus voi olla myös vieläkin vähemmän sääolosuhteista riippuen. Kun päällyste alkaa halkeilla tai vaurioituu, vesi voi suotautua halkeamien läpi tierakenteisiin. Sateisten jaksojen aikana vesipitoisuus pintavesikerroksessa nousee ja kerros voi jopa tulla täysin kyllästyneeksi.

2.8. Mitä tapahtuu tien / maa-aineksen jäätyessä

Erilaiset prosessit ja voimat alkavat vallita maassa lämpötilan pudotessa alle 0?C, jolloin maa-aineksessa oleva vesi alkaa jäätyä. Ensinmäisenä jäätyy suurimmissa huokosissa oleva vesi; toisin sanoen lämpötilan ollessa välillä 0?C…-0.5?C ensin jäätyy vapaa vesi. Tällöin voimakas cryoimupaine syntyy jäätymisrintamaan.  Jäätymisrintama kykenee imemään vesimolekyylejä hyvinkin kaukaa jäätymisrintaman alapuolelta jos siellä on vapaata vettä saatavilla. Jäätyvä vesi laajenee ja samalla laajentaa rakenteen huokosia ja löyhentää kiviaineskerroksia. Kun tämä materiaali vastaavasti sulaa, olemassa oleva vesi jää kerrokseen tehden siitä heikomman ja herkemmän pysyville muodonmuutoksille.

Hienorakeisilla maalajeilla on suuri ominaispinta-ala, jolloin, lämpötilan pudotessa alle 0?C, ne voivat pidättää suuria määriä jäätymätöntä adsorptiovettä. Kun lämpötila on alle -0,5?C adsorptiovesi alkaa jäätyä ja veden virtaus jatkuu jäätymisrintamaan.

Routanousun määrä riippuu osittain myös paikallisista sääolosuhteista. Jos lämpötila putoaa materiaalissa nopeasti esimerkiksi lämpötilaan -10°C, jäälinsseillä ei ole aikaa kasvaa yhtä suureksi kuin lämpötilan laskiessa hitaasti. Maa-aineksen jäätymättömän veden määrään vaikuttavia ominaisuuksia ovat mineralogia, suolapitoisuus, rakeisuus, ominaispinta-ala ja pintajännitys.

Tässä kappaleessa käytetyt lähteet (muut kuin ROADEX informaatio): Andrew Dawson: Water in road structures D. G. Fredlund & H. Rahardjo: Soil mechanics for unsaturated soil