Ominaispinta-alamääritykset ja adsorptiokokeet

Ominaispinta-ala vaikuttaa sekä bitumin määrälle että laadulle asetettaviin vaatimuksiin. Pinnaltaan karkeat kiviainesrakeet sitovat enemmän vettä kuin pinnaltaan tasaiset. Kiviaines, jonka ominaispinta-ala on suuri eli pinta on karkea, kuivuu sileää raetta hitaammin. Mitä suurempi kiviaineksen ominaispinta-ala on sitä enemmän myös sideainetta tarvitaan tasaisen kalvon muodostamiseksi kaikkien rakeitten ympärille. Karkeapintaisilla rakeilla saavutettu mekaaninen tartunta rakeen ja bitumin välillä on parempi kuin sileillä rakeilla, mikä sekoituksen onnistuessa parantaa päällysteen vedenkestävyyttä /35, 36/.

Suuri ominaispinta-ala on merkkinä yleensä rapautumalla syntyneen hienoaineksen suuresta määrästä ja kiviaineksen rapautumisherkkyydestä tai ainakin siitä, että raepinnat ovat olleet sään aiheuttamalle kemialliselle ja fysikaaliselle kulutukselle alttiina. Soramurskeiden hienoainekset ovat rakeisuudeltaan kalliomurskeiden vastaavaa lajitetta hienompia ja sisältävät pinta-alaa lisääviä rakeiden pinnalle kiteytyneitä saostumia. Kalliomurskeiden rakeet ovat terveempiä, pinnoilla ei ole ominaispinta-alaa kasvattavia huokosia /35/.

Tutkituista kiviaineksista soramurskeita oli kahdeksan ja kalliomurskeita neljä.

Verrattaessa sora- ja kalliomurskeiden hienoainesten (< 0,074 mm) ominaispinta-aloja havaitaan, että kalliomurskeiden pinta-alat ovat yleensä pienempiä.

Soramurskeiden ominaispinta-alat vaihtelivat välillä 3,0 - 6,1 m²/g ja kalliomurskeiden välillä 1,6 - 4,2 m²/g. Hienoaineksesta määritetyt ominaispinta-alat tutkituille kiviaineksille on esitetty taulukossa 23.

Veden adsorptiokyky määritettiin kiviaineksille kahdesti. Ensimmäisessä koesarjassa tutkittiin neutraalin veden (pH 7) ja toisessa happaman veden (pH 2)

adsorptiota mineraalipinnalle (taulukko 23). Happaman veden adsorboituminen vastaa tilannetta massan sekoitusvaiheessa, jolloin hapan bitumiemulsio lisätään kiviainekseen. Neutraalin veden adsorboitumisella tutkittiin tilannetta valmiissa päällysteessä, jossa vesi pyrkii syrjäyttämään bitumin kiviainesrakeitten pinnoilta.

Kiviaineksen hydrofiilisyyden mittarina käytetty pinta-alayksikköä kohden adsorboituneen veden määrä on esitetty taulukossa 23. Mitä suurempi hydro-fiilisyys on, sitä helpommin vesi adsorboituu kiviaineksen pinnalle. Hydrofii-lisyys kuvaa siis pinnan vesihakuisuutta.

Taulukko 23. Tutkittujen kiviainesten < 0,074 mm lajitteen ominaispinta-alat ja vedenadsorptiot sekä niiden adsorboiman veden määrä pinta-alayksikköä kohden.

KIVIAINES

Lukkarinmäki SrM 5,79 3,24 3,22 5,60 5,56

Tupuri SrM 5,02 2,11 2,03 4,20 4,04

Ristivuori SrM 6,05 1,71 1,77 2,83 2,93

Veskala SrM 3,32 1,05 1,00 3,16 3,32

Hailuoto KaM 1,59 1,55 1,14 9,75 7,17

Orresokka SrM 4,29 1,32 1,27 3,08 2,96

Kulkujoki SrM 4,00 1,18 1,29 2,95 3,23

Haapamaa SrM 5,68 2,15 2,33 3,79 4,10

Yllikkälä KaM 2,56 2,02 1,83 7,89 7,15

Pyhtää KaM 3,73 1,92 1,94 5,15 5,20

Pirttikoski SrM 2,96 1,06 1,08 3,58 3,65

Yläne KaM 4,18 1,96 1,78 4,69 4,26

KA SrM/KaM 4,64 / 3,02 1,73 / 1,86 1,75 / 0,36 3,65 / 6,87 3,72 / 5,95 KH SrM/KaM 1,17 / 1,17 0,75 / 0,21 0,76 / 0,36 0,91 / 2,38 0,87 / 1,45

Hydrofiilisyyden voidaan todeta olevan kalliomurskeilla suurempi kuin soramurskeilla. Hydrofiilisyyttä on tutkittu erikseen happamalla ja neutraalilla vedellä. Kiviaineksista määrutetyt pintaominaisuudet on taulukon 23 lisäksi koottu kuvaan 21.

Tehtyjen tutkimuksien mukaan ominaispinta-alan ja veden adsorption välillä on kiistaton korrelaatio. Tutkituilla kiviaineksilla adsorption ja ominaispinta-alan välinen korrelaatio oli soramurskeilla 0,78 ja kalliomurskeilla 0,71 eli mitä suurempi ominaispinta-ala on sitä enemmän kiviaines pystyy sitomaan vettä.

Kuva 21. Kiviaineksista tutkitut rakeitten pintaa kuvaavat ominaisuudet.

Suomen asfalttinormeissa /6/ on esitetty päällysteeseen käytettävän kiviaineksen hienoaineksen hydrofiilisyydelle raja-arvoksi 10 mg/m². Kaikki tutkitut kiviainekset alittavat kyseisen raja-arvon.

Adsorboitavan nesteen happamuuden merkitys osoittautui vähäiseksi, pinta-alayksikköä kohden adsorboituneen neutraalin ja happaman (pH 2) vesimäärän väliseksi korrelaatioksi saatiin 0,97. Selkeitä eroja syntyi ainoastaan kolmella kiviaineksella (Yläne, Yllikkälä, Hailuoto), jotka adsorboivat hapanta nestettä neutraalia huonommin (kuva 21). Massaa sekoitettaessa tämä merkitsee sitä, että hapan bitumiemulsio ei kykene syrjäyttämään vettä kuivaamattomien kiviainesrakeitten pinnoilta. Tällaisilla kiviaineksilla massan homogeeniseksi sekoittamisessa on odotettavissa vaikeuksia. Millään tutkituista kiviaineksista ei havaittu päinvastaista käyttäytymistä, jossa hapan neste selvästi syrjäyttäisi neutraalin veden kiviaineksen pinnalta.

Ominaispinta-ala ja veden adsorptiokyky ovat sitä suurempia mitä hienommasta lajitteesta on kyse. Tästä syystä päällystekiviaineksessa hienojen rakeiden pinta-alan suhteellinen osuus rakeiden kokonaispinta-alasta ja niihin adsorboituvan veden osuus koko kiviainekseen adsorboituvasta vedestä on suuri ja päällysteen toiminnan kannalta merkittävä. Pääosin tästä syystä tyydyttiin selvittämään kiviainesten ominaisuuksia < 0,074 mm lajitteesta, mutta karkeampien fraktioiden merkityksen tarkentamiseksi tehtiin < 2 mm rakeista seulakohtaisesti ominaispinta-ala- ja veden adsorptiokykymääritykset viidelle kiviainekselle.

Lajitteet seulottiin kolmeen kertaan puhtauden varmistamiseksi. Selvitettäessä kiviaineksen ominaispinta-alan ja veden adsorption vaikutuksia PAB-V-päällysteiden ominaisuuksiin merkitystä ei ole vain absoluuttisilla lukuarvoilla

vaan myös kyseisen lajitteen suhteellisella osuudella kiviaineksen koko rakeisuudesta.

Tutkittujen lajitteiden edellä mainitut ominaisuudet suhteitettiin murskeiden rakeisuuskäyriin eli laskettiin kunkin < 2 mm lajitteen osuus koko kiviaineksesta 0 - 16 mm ja tarkasteltiin alle 2 mm kiviainekseen kumuloitunutta ominaispinta-alaa, veden adsorptiota ja hydrofiilisyyttä. Näiden tutkimusten tulokset on koottu taulukkoon 24. Keskiarvoina ilmoitetut 0 - 2 mm lajitteen pinta-alat ja adsorptiot ovat lajitteiden suhteellisilla määrillä painotettuja keskiarvoja. Kunkin lajitteen suhteellinen osuus rakeisuudesta on määritetty kiviaineskohtaisesti rakeisuuskäyristä.

Taulukko 24. Ominaispinta-alat ja veden adsorptiot alle 2 mm kiviainesrakeista seulakohtaisista fraktioista määritettyinä. 0,074-0,125 1,6 1,56 0,64 4,11 1,4 2,70 0,69 2,55 3,1 2,10 0,9 4,30 0,125-0,25 4,1 1,25 0,56 4,48 3,3 2,03 0,63 3,11 3,9 1,75 0,72 4,10 0,25-0,5 5,5 0,93 0,40 4,30 4,0 1,84 0,65 3,57 5,8 1,49 0,53 3,59 0,5-1 7,5 0,76 0,31 4,10 5,7 1,72 0,60 3,46 6,6 1,47 0,48 3,24 1-2 9,7 0,69 0,31 4,53 9,6 1,26 0,55 4,34 6,5 1,44 0,43 2,96 Kumulat. < 2 0,50 2,01 1,43 0,7 2,22 1,03 0,68 2,67 1,19 0,074-0,125 1,1 1,61 0,94 5,83 2,0 1,37 0,31 2,29 0,125-0,25 1,3 1,59 1,04 6,53 4,7 1,20 0,37 3,13 0,25-0,5 1,6 1,21 0,83 6,91 4,3 1,26 0,40 3,10 0,5-1 2,9 0,82 0,55 6,68 5,7 1,29 0,46 3,55 1-2 5,6 0,50 0,41 8,34 7,0 1,33 0,52 3,92 Kumulat. < 2 0,33 2,25 1,40 0,62 1,44 1,08

Läp-% = lajitteen osuus koko kiviaineksesta (%) O = ominaispinta-ala (m²/g)

A = veden adsorptio (%) Hydr = hydrofiilisyys (mg/m²)

Kumulat. = alle 2 mm kiviainekseen kumuloituneet pintaominaisuudet

Eri fraktioista määritetyillä kiviaineksen ominaisuuksilla voidaan tarkentaa kiviaineksen käytettävästä rakeisuudesta saatavaa tietoa. Karkeiden lajitteiden

Tutkituista lajitteista karkeimpien (0,5 - 2 mm) ominaispinta-aloista havaitaan, että Yläneen, Ristivuoren ja Orresokan kiviainesten karkeat lajitteet ovat pinnaltaan epätasaisempia Tupurin ja Yllikkälän kiviaineksiin verrattuina.

Koska jokaisesta lajitteesta on pintaominaisuuksien määritykset tehtävä erikseen, moninkertaistuu työmäärä vastaavasti tutkittavien lajitteiden määrän kasvaessa.

Taulukossa 25 tarkastellaan kiviaineksen alle 2 mm fraktioista määritettyjen lajitteiden suhteellisilla määrillä painotettujen pintaominaisuuksien tunnuslukujen korrelaatioita vastaavalla tavalla hienommista fraktioista määritettyjen kumulatiivisten tunnuslukujen kanssa. Lisäksi on korrelaatiotarkasteluun otettu mukaan hienoaineksesta määritetyt tunnusluvut (< 0,074 mm abs.), joita ei ole painotettu lajitteen suhteellisella määrällä.

Taulukko 25. Eri lajitteista määritettyjen pintaominaisuuksien tunnuslukujen korrelaatiot.

Tutkimus osoittaa, että hienoaineksesta määritetty ominaispinta-ala ja veden adsorptio eivät kuvaa koko päällystekiviaineksen vastaavia ominaisuuksia.

Hienoaineksen tunnusluvuilla ei siten voi luonnehtia koko kiviainesta.

Kiviaineksen käyttäytymiseen päällysteessä ja etenkin päällysteen vedenkes-tävyyteen on hienoaineksella kuitenkin ratkaiseva vaikutus. Hienoaineksen ja sideaineen muodostama mastiksi sitoo karkeat rakeet päällysteessä. Jos mastiksin muodostuminen on puutteellista, karkeat vajaasti peittyneet rakeet purkautuvat päällysteestä. Tämän vuoksi on kohdassa 5.5 etsitty yhteyksiä hienoaineksen tunnuslukujen ja päällysteen vedenkestävyyden välille.

Ominaispinta-ala pienenee lineaarisesti raekoon funktiona yli 0,125 mm kokoisissa kiviainesrakeissa, mutta veden adsorptio-ominaisuuksien tunteminen edellyttäisi fraktioitten adsorptiokykyjen määrittämistä 0,5 mm asti. Työn helpottamiseksi veden adsorptio voitaisiin periaatteessa määrittää 0 - 0,5 mm näytteelle. Ominaispinta-alamääritykset on kuitenkin tehtävä lajitekohtaisesti, sillä ominaispinta-alamäärityksessä käytettävä näytekoko on niin pieni, että ominaispinta-alaa ei voi määrittää suhteistuneemmasta näytteestä. Ominaispinta-alan ja adsorption määrittäminen lajitekohtaisesti on hyvin työläs menettely, joka ei anna työläyteensä nähden riittävästi tietoa kiviaineksen käyttäytymisestä ollakseen perusteltu esitutkimusmenetelmä.

4.3.3 Mineraalikoostumukset

Veden adsorption ja ominaispinta-alan lisäksi mineraalikoostumus on muuttujana pyrittäessä selittämään eri kiviaineksista valmistetuilla PAB-V-päällysteillä havaittuja eroja toiminnallisissa ominaisuuksissa, lähinnä vedenkestävyydessä.

Tutkitut koeteillä käytetyt kiviainekset koostuivat kolmesta tai neljästä päämineraalista, joiden yhteinen osuus on noin 90 % mineraaleista (taulukko 26).

Päämineraaleina olivat kvartsi, plagioklaasi, kalimaasälpä ja sarvivälke sekä biotiitti. Lisäksi monissa kiviainesnäytteissä oli pieniä määriä kloriittia.

Päämineraalien vaikutus kiviaineksen ominaisuuksiin on hallitseva.

Taulukko 26. Koeteillä käytettyjen pehmeiden emulsiopäällystekiviainesten mineraalikoostumukset (%-yksikköä).

Sideaineen tarttumisen kannalta öljysoraa valmistettaessa haitallisiksi ovat osoittautuneet maasälpäryhmän mineraalit, etenkin kalimaasälpä, sekä kiilteet ja sarvivälke. Heikkoja tartuntaominaisuuksia voidaan selittää ainakin näiden mineraalien sileällä pintarakenteella, johon bitumi ei pysty mekaanisesti kiinnittymään /42/.

Mineraalikoostumuksen perusteella poikkesivat joukosta eniten Hailuodon, Yllikkälän ja Yläneen kiviainekset, joissa biotiittia oli poikkeuksellisen runsaasti.

Kulkujoen soramurske poikkesi muista tutkituista kiviaineksista korkean sarvivälke- ja alhaisen kvartsipitoisuutensa perusteella. Pyhtään kalliomurske sisälsi poikkeuksellisen paljon kalimaasälpää. Orresokan soramurskeessa oli runsaasti sekä kvartsia että kalimaasälpää, joten kiviaineksessa on piidioksidia eniten tutkituista kiviaineksista. Yllikkälän kiviaineksen mineraalikoostumus

poikkesi tutkituista kiviaineksista magnetiittipitoisuuden perusteella. Tämän kiven magnetiittipitoisuus oli päällystekiviainekseksi poikkeuksellisen korkea.

Yksittäisten mineraalien vaikutus tartuntaan on vaikea selvittää, koska vedenkestävyyskokeet tehtiin mineraalien sijasta useammasta mineraalista muodostuvilla kivilajeilla. Mineraalikoostumuksen määrittäminen hienoaineksesta saattaa osaltaan antaa käytettävän kiviaineksen minerologisesta koostumuksesta väärän kuvan, sillä pehmeimmät mineraalit murskautuvat hienoimmiksi ja rikastuvat hienoainekseen.

Koska öljysoran hienoaineksen ominaispinta-alalla ja veden adsorptiolla on havaittu olevan merkitystä tartunnan kannalta, pyrittiin selvittämään mineraa-likoostumuksen vaikutusta näihin kiviaineksen ominaisuuksien tunnuslukuihin.

Korrelaatiomatriisin avulla tutkittiin kiviainesten hienoaineksesta määritetyn ominaispinta-alan, adsorption ja mineraalikoostumuksen yhteyksiä. Kahdentoista kiviaineksen perusteella löydettiin kohdissa 4.3.2 ja 4.3.3 esitettyjen kiviaineksen ominaisuuksien välille seuraavat yhteydet:

- biotiitti kasvattaa kiviaineksen hydrofiilisyyttä (korrelaatio r = 0,69) - biotiitti lisää hienoaineksen määrää (r = 0,68)

- kalliomurskeet ovat soramurskeita hydrofiilisempiä (r = 0,74)

- happaman ja neutraalin nesteen adsorptiossa minaraalipinnalle ei ole pinta-alayksikköä kohden suurta eroa (r = 0,97)

- biotiitti adsorboi hapanta nestettä neutraalia huonommin (r = -0,61)

Kiviaineksen mineraalikoostumuksen ja adsorptio-ominaisuuksien välille ei löytynyt selkeää yhteyttä. Ainoastaan biotiitti osoittautui hydrofiilisyyttä kasvattavaksi, kiviaineksen hydrofobisuutta ei lisännyt yksikään mineraaleista.

Kiviaineksen koostumuksen perusteella laadituista hydrofiilisyyttä selittävistä malleista vain seuraava oli tilastollisesti merkitsevä.

HYDR = 0,2916

+ 0,0255 BT p = 0,0012

mallin R² = 0,53, p = 0,0074, jossa HYDR on hydrofiilisyys, mg/m²

BT biotiitin suhteellinen osuus kiviaineksesta, %.

Mineraalien suhteelliset osuudet tai kiviaineksen pinnan ominaisuudet eivät havaittavasti vaikuttaneet hienoaineksen määrään tai rakeisuuskäyrän muotoon muutoin.

In document Pehmeiden emulsiotekniikalla valmistettujen asfalttipäällysteiden (sivua 93-99)