3. Vesi ja tien mekaaniset ominaisuudet

3.1. Vesi ja tien mekaaniset ominaisuudet

3.1.1. Yleistä

Kosteus on pääsyy teiden kantavuusongelmiin ja vaurioitumisiin vähäliikenteisillä teillä. Esimerkkinä tästä on pohjaveden virtaaminen tien ali sivukaltevassa maastossa. Tämä pohjaveden virtaus voi padottua, jos läsnä on kalliota, jäätynyttä maata tai lähellä tien pintaa on läpäisemätöntä materiaalia. Nämä saavat veden virtaamaan ylös tierakenteita kohti lisäten vesipitoisuutta ja vähentäen tien kantavuutta. Tämän vuoksi tien kuivatusjärjestelmä tulee olla riittävän tehokas koko päällysteen eliniän ajan – ei vain muutamien vuosien ajan. Kun kuivatus on saatu kuntoon tielle voidaan suunnitella taloudellisia ja kestäviä rakenneratkaisuja.

3.1.2 Vesi ja resilient ominaisuudet

Termi “resilient moduuli” kuvaa jännityksen ja joustavan venymän keskinäistä suhdetta. Sitä käytetään laskettaessa kuormituksen vaikutusta tierakenteeseen. Pudotuspainolaitemittauksia (PPL) käytetään yleensä arvioitaessa päällysrakenteen jäykkyyttä. Eri rakennekerrosten moduulit voidaan laskea PPL-aineistoa käyttäen joko takaisin- tai eteenpäinlaskentamentelmällä (back calculation, forward calculation).

Materiaalin resilient-moduuli riippuu sen ominaisuuksista ja ympäristöstä. Siihen vaikuttavat päätekijät ovat:

• Raekokojakauma (hieno – karkea materiaali). Esimerkiksi hienorakeisten materiaalien resilient moduuli voi vesipitoisuuden lisääntyessä kasvaa jopa 60%. Karkeilla materiaaleilla kasvua voi tapahtua jopa 25%.
• Kiinteä olomuoto, ympäristö (jäätymissulamissyklit, lämpötila) Esimerkiksi silttimailla moduuli voi olla niinkin alhainen kuin 2 MPa kriittisen jakson (kelirikon) aikana ja nousta jopa tasolle 100 MPa tai jopa korkeammaksi materiaalin ollessa täysin kuiva.
• Kosteuspitoisuus Esimerkiksi vedelle herkillä materiaaleilla 1 % kosteuspitoisuuden kasvu vähentää resilient-moduulia 7,2%:lla. Vastaavasti hyvälaatuisissa materiaaleissa kosteuspitoisuuden 1% kasvu pienentää moduulia vain 2,8%:lla.

Resilient-moduuli voidaan laskea kosteuspitoisuuden, kuivatiheyden ja pääjännitysten summan välisellä yhtälöllä. Seuraava yhtälö on kehitetty laboratorioanalyysien perusteella:

log M_r = k₁ + k₂log ?₁ + k₃w + k₄ ?_d, missä

k₁, k₂, k₃ ja k₄ ovat jokaiselle maalajille tyypillisiä vakioita

w – vesipitoisuus
?_d – kuivatiheys
?₁– pääasiallisten jännitysten summa (1. stress invariant)

Mikäli kaikki muut muuttujat kosteuspitoisuutta lukuun ottamatta ovat vakioita, yhtälö voidaan kirjoittaa seuraavasti:

Mr = Kx10^k3w missä K on vakio.

Kun regressio yhtälö on muutettu SI-yksikköjärjestelmään, kantavan kerroksen k₃ arvo vaihtelee välillä -0.0124 … -0.0324. Pohjamaan k₃ muuttujan arvo vaihtelee välillä -0.0122 … – 0.0554.

Laboratoriokokeet osoittavat, että vakiojännitystasossa maksimimoduuli saavutetaan optimivesipitoisuutta (Proctor) alhaisemmassa kosteuspitoisuudessa.  Ero optimivesipitoisuuden ja maksimi moduuliarvon omaavan vesipitoisuuden välillä riippuu seoksen hienoainespitoisuudesta. Mitä korkeampi hienoainespitoisuus on, sitä suurempia ovat muutokset vesipitoisuus-moduuli suhteessa kuivumis- ja kastumissyklien aikana.

3.1.3 Vesi ja pysyvät muodonmuutokset

Tierakenteen pysyvät muodonmuutokset voi nähdä eri urautumisen muodoissa. Pysyvät muodonmuutokset käsittävät urautumisen ja muut pystysuuntaiset muutokset tierakenteessa. Syynä urautumiselle voivat olla: plastiset muodonmuutokset sidotuissa kerroksissa, liikenteen tiivistävä vaikutus, päällysteen kuluminen ja/tai kantavan / jakavan kerroksen tai pohjamaan pysyvät muodonmuutokset.

ROADEX projekti esittää luokituksen, jossa pysyvät muodonmuutokset jaetaan neljään eri tyyppiin:

Tyypin 0 urautuminen. Vedellä kyllästymättömien materiaalien tiivistyminen tierakenteessa voi aiheuttaa tyypin 0 urautumista. Käytännössä tierakenteessa tapahtuu aina jonkinasteista tien rakentamisen jälkeistä tyypin 0 tiivistymistä. Tyypin 0 urautuminen on hyvin yleistä jäätyneiden sitomattomien kerrosten sulaessa keväällä. Urautumistyyppi 0 on yleensä itsestään tasaantuva, jolloin alkuvaiheessa tapahtuva tiivistyminen estää myöhemmän lisätiivistymisen. Lisäksi materiaalin kantavuus lisääntyy ja kuormitus leviää laajemmalle. Vedellä on normaalisti vain vähäinen vaikutus tyypin 0 urautumiseen. Mikäli vesipitoisuus kasvaa, voi esiintyä myös tyypin 1 urautumista.

Tyypin 1 urautuminen. Tyypin 1 urautuminen johtuu renkaan alla tai välittömässä läheisyydessa tapahtuvasta plastisesta leikkautumisesta heikkolaatuisissa sitomattomissa materiaaleissa. Tämä puolestaan aiheuttaa tien pinnan kohoamista ajouran ympärillä ja materiaalin löyhtymistä. Pääasiassa tyypin 1 urautuminen on seurausta tien yläosassa olevan sitomattoman kiviaineksen, useimmiten kantavan kerroksen, riittämättömästä leikkauslujuudesta. Vesipitoisuus on merkittävä tekijä tyypin 1 urautumisen aiheuttajana. Materiaaleilla, joilla on matala kosteuspitoisuus, matriisi-imupaine aiheuttaa vetovoiman kehittymisen mineraalipartikkeleiden välillä ja se tekee materiaalista jäykän. Jos volumetrinen vesipitoisuus nousee, materiaalin leikkausvoima laskee.

Tyypin 2 urautuminen. Päällysrakenne voi urautua kokonaisuutena, vaikka rakenteessa olisi käytetty hyvälaatuisia materiaaleja. Tämä näkyy ideaalitapauksessa niin, että rakennekerrokset urautuvat kokonaisuudessaan ilman kerrosten ohenemista. Tien pinnalle muodostuu leveä ura ja etäällä ajourasta pinta nousee hieman. Tämä johtuu pohjamaassa tapahtuvista siirtymistä. Kuten tyypin 1 urautumisessa, vesipitoisuudella on merkittävä vaikutus myös pohjamaan leikkauslujuuteen ja tyypin 2 urautumiseen.

Tyypin 3 urautuminen. Pohjoisen Periferian alueella tyypin 3 urautuminen liittyy lähinnä vain nastarenkaiden aiheuttamaan kulumiseen päällystetyillä teillä, mutta kulumisen aiheuttamaa urautumista voi syntyä myös sorateillä. Sorateillä urautuminen johtuu siitä, että kulutuskerroksessa ei ole tarpeeksi kivirakeet toisiinsa sitovaa hienoainesta (materiaalin häviäminen). Tyypin 3 urautuminen ei ole kovin yleistä vähäliikenteisillä teillä ja ongelma se alkaa olla vasta sitten, kun liikennemäärä (KVL) on yli 3000 ajoneuvoa vuorokaudessa. Korkea vesipitoisuus voi kasvattaa tyypin 3 urautumisnopeutta etenkin bitumipäällysteissä. Sorateillä vaikutus on vähäistä ja korkeampi vesipitoisuus lisää riskiä lähinnä tyypin 1 urautumiselle.

The lesson on Pysyvistä muodonmuutoksista on kerrottu enemmän aihetta käsittelevässä eLearning paketissa.

3.2 Vesi, routa ja routimiskäyttäytyminen

Tierakenteen ja pohjamaan lämpötilan laskiessa alle 0C,ne jäätyvät. Jäätyneet materiaalit ovat pääasiassa jäykempiä ja jäätyneen maan kantavuus on parempi talvella verrattuna kesän tilanteeseen. Ongelmia tulee kuitenkin aina, kun tapahtuu routimista. Pohjoisessa Periferiassa roudan on todettu olevan pääasiallinen syy tiestön kuntoon liittyvissä ongelmissa.

Cryoimupaineella on yksi merkittävimpiä rooleja routimisprosessissa, koska se vaikuttaa tierakenteessa ja pohjamaassa olevaan veteen. Tien routimisen käynnistyminen edellyttää kolmen eri tekijän läsnäoloa. Ensimmäiseksi lämpötilan tulee laskea alle 0^oC, toiseksi vettä on oltava saatavilla ja kolmanneksi materiaalin tulee olla routimisherkkää.

Tiemateriaalin tai pohjamaan jäätyessä ensimmäiseksi jäätyy huokosissa oleva vapaa vesi. Tällöin muodostuu kuusikulmaisia kiteitä, jotka aiheuttavat samalla tilavuuden kasvua. Jäätyneen jään ja mineraalipinnan erottaa ohut adsorptiovesikalvo. Tätä aluetta, missä jäätymätöntä vettä on jäätymisrintamassa, kutsutaan nimellä ”frozen fringe”. Cryoimupaine aiheuttaa negatiivisen huokosvedenpaineen, joka puolestaan aiheuttaa vesimolekyylien virtaamisen jäätymisrintamaan, missä segregaatiojäätä muodostuu. Tällöin kasvavat jäälinssit aiheuttavat routanousua yläpuolella olevissa rakenteissa. Kapillaariset ”putket” johtavat vettä jäälinsseihin, jotka pienenevät kun lämpötila edelleen laskee. Kun lämpötila on -5^oC, jäätymättömän veden määrä on enää 2-12% kokonaisvesipitoisuudesta riippuen materiaalin ominaisuuksista. Jos lämpötila edelleen laskee, jäätymättömän veden määrä vähenee, kunnes veden virtaaminen jäätyvään vyöhykkeeseen loppuu.

Käytännössä tämä tarkoittaa sitä, että leudon alkutalven (päivittäinen lämpötila on välillä 0^oC – -5^oC) seuratessa sateista syksyä, suuria määriä segregaatiojäätä muodostuu lähelle tien pintaa. Kun tämä kerros myöhemmin sulaa, volumetrinen vesipitoisuus on enemmän kuin 100%. Toisaalta, jos alkutalven lämpötilat ovat alhaisia, jäätymisrintama tunkeutuu nopeasti alas syvempiin kerroksiin, jolloin muodostuvat jäälinssit eivät aiheuta niin paljon ongelmia.

Kun sulamisprosessissa vapautuu sulavasta lumesta tai kevätsateista suuria määriä vettä, se kerääntyy tielle sekä sen välittömään ympäristöön. Kylmillä alueilla sulaminen alkaa yleensä tien yläosista ja jatkuu alaspäin samalla kun pieni määrä sulamista tapahtuu jäätyneen maan alaosassa. Esimerkiksi Suomessa jäätymisrintama sulaa sekä alhaalta että ylhäältä päin kohdaten noin 1,1 – 1,3 m syvyydellä. Tämä tarkoittaa sitä, että aikaisin keväällä sulavasta jäälinssistä vapautuva vesi aiheuttaa sen, että tierakenne  ”kelluu” vettä läpäisemättömän jään pinnalla. Tällöin syntyvä huokosvedenpaine voi aiheuttaa merkittäviä pysyviä muodonmuutoksia raskaanliikenteen kuormituksen alla.

ROADEX-projektin yhteydessä Suomessa toteutetut kuivatuksen seurantaprojektit ovat antaneet mielenkiintoisia tuloksia liittyen siihen miksi kuivatuksen tulee toimia hyvin, kun lumi alkaa sulaa ja vesi alkaa täyttää ojia. Routanousujen mittaaminen liikkuvaa laserskannerlaitteistoa käyttäen osoitti, että suuria routanousuja voi ilmestyä tieosille, joilla on  paannejäätä tai jaksoilla, joissa tien vierellä olevat ojat täyttyvät sulamisaikaan vedellä. Tulokset osoittavat, että vesi voi virrata ojista tierakenteeseen, muodostaa jäälinssejä ja aiheuttaa routanousuja. Tämän vuoksi olisi huomioitava, että ojien toimivuus varmistettaisiin sekä talvella että aikasin keväällä.

3.3 Vuodenaikaisvaihtelut

Tierakenteen vesipitoisuus vaihtelee vuodenaikojen mukaan. Kesällä vesipitoisuus laskee hitaasti johtuen haihtumisesta.  Syksyllä vesipitoisuus alkaa jälleen nousta, sillä sademäärä on suuri ja kylmän lämpötilan vuoksi haihtuminen on vähäistä. Kylmillä alueilla tie ja pohjamaa jäätyvät talvella, jolloin jäätymättömän veden määrä on pienimmillään. Lämpimämmillä alueilla, kuten Skotlannissa ja Irlannissa, tierakenteen vesipitoisuus on korkeimmillaan rankkasateiden jälkeen, joita seuraa jäätymis-sulamissyklit. Keväällä tierakenteen alkaessa sulaa, vesipitoisuus nousee nopeasti ja saavuttaa vuosittaisen maksiminsa. Kesää kohti mentäessä vesipitoisuus jälleen laskee ja alkaa olla vakaa. Vesipitoisuuskuvaajissa on piikkejä yleensä rankkojen sateiden, jäätymis-sulamissyklien ja kevätsulamisen aikoihin.

3.4 Sidotut kerrokset ja vesi

Sidottujen kerrosten veden läpäisevyys riippuu huokosten koosta (tyhjätilasta) sekä siitä miten huokoset ovat yhteydessä toisiinsa. Tutkimuksissa on todettu, että asfaltin vedenläpäisevyys putoaa merkittävästi kun tyhjätila on vähemmän kuin 7-8%. Jos ilmahuokosia on enemmän, vedenläpäisevyys nousee nopeasti. Todennäköisin syy tähän on se, että huokoset ovat yhteydessä tosiinsa, kun tyhjätila on suurempi.  Syynä siihen, että massassa on suuri tyhjätila on yleensä se, että massan koostumus on puutteellinen tai se on levitetty ja/tai tiivistetty puutteellisesti, ja päällysteeseen on jäänyt vettä läpäiseviä huokosia tai halkeamia. Vedellä täyttyneet asfaltin ilmahuokoset voivat laajentua jäätymisen aikana, mikä voi edelleen kasvattaa tyhjätilaa.

Mikäli sidotut kerrokset alkavat vaurioitua, suuri määrä vettä voi suotautua tierakenteeseen mikro- ja makrohalkeamien kautta. Suotautumiseen vaikuttaa halkeamien ja saumojen veden läpäisevyys, olemassa olevien halkeamien määrä, halkeaman yläpuolella olevan alueen koko sekä sateen rankkuus ja kesto.

Vedelle (ja jäänestosuolaukselle) altistuneet päällysteet voivat menettää kiviainesta ennenaikaisesti. Ilmiötä kutsutaan purkautumiseksi. Tämä voi johtaa reikien muodostumiseen.

Päällysteen vauriot voivat joskus johtua bitumisten kerrosten hajoamisesta. Tämä rapautuminen voi johtua siitä, että huonolaatuinen päällyste imee vettä ja/tai sidottujen kerrosten alapuolella olevien sitomattomien kerrosten kuivatus on huonoa (stripping). Stripping on ongelma erityisesti paksuilla päällysteillä. Korkea vesipitoisuus bitumisten kerrosten alapuolella voi aiheuttaa raskaan liikenteen pyöräkuormituksen alaisena sidottujen kerrosten alapintaan korkean hydraulisen paineiskun. Nämä paineaallot rikkovat sidoksia bitumin ja kiviaineksen välillä. Jos päällysteessä on korkea huokostilavuus, vastaavassa tilanteessa voi syntyä pumppautumista.

Vedellä on myös vaikutus bitumisen materiaalin eri komponentteihin ja niiden välisiin sidoksiin jopa ilman perinteistä mekaanista kuormitusta. Veden on todettu olevan osallisena seuraavissa fysikaalisissa prosesseissa:

1) veden molekulaarinen diffuusio päällystemassan läpi
2) advektio kulkeutuminen, eli veden vaikutuksesta tapahtuva bitumisen mastiksin poiskulkeutuminen toisiinsa yhteydessä olevien makrohuokosten läpi.
3) routiminen

Mekaaniset prosessit, joissa vedellä on merkittävä rooli:

1) liikenteen kuormituksen aiheuttama voimakas vedenpaine asfalttimassan sisällä
2) pumppautuminen.

Käytännössä kaikki sidottujen materiaalien fysikaaliset rapautumisprosessit ovat vuorovaikutuksessa mekaanisten prosessien ja veden kanssa. Lisäksi laaja tiesuolan käyttö yhdessä jäätymis-sulamissyklien kanssa voi aiheuttaa bitumisissa päällystekerroksissa vakavia vaurioita.

Lähteet, joita on käytetty tässä kappaleessa, muut kuin ROADEX informaatio: Andrew Dawson: Water in road structures