Stabiliteetin määrittäminen

Koekappaleitten lujuudet määritettiin halkaisuvetokokeella (TIE 407, PANK 4202). Halkaisuvetolujuuskokeessa sylinterinmuotoista koekappaletta kuormi-tetaan pituusakselin suuntaisessa tasossa kuormitusnopeudella 50 mm/min, kunnes saavutetaan kappaleen halkeamisen aiheuttava murtokuorma. Koejär-jestely ilmenee kuvasta 7 /37, 56/.

Halkaisuvetokokeen on öljysorapäällysteellä todettu kuvaavan hyvin päällysteen lujuutta, kiinteyttä ja koossapysyvyyttä. Päällysteen toiminnan kannalta stabiliteetilla on merkitystä sen työstettävyyteen ja vaurioitumisherkkyyteen /56/.

Halkaisuvetolujuus (HVL) lasketaan kaavasta 8.

HVL = 2* F

* h* d

, π

(8)

jossa HVL on halkaisuvetolujuus, kPa F_max murtokuorma, kN

h koekappaleen korkeus, m d koekappaleen halkaisija, m.

Halkaisuvetokokeita tehtiin eri ikäisille, lämpöisille ja sideaineen viskositeetilta erilaisille koekappaleille. Ennen koestusta kappaleet temperoitiin. Hal-kaisulämpötilana käytettiin +5 °C asfalttibetonin koestuslämpötilana käytetystä +10 °C poiketen.

3.2.4 Kiviainestutkimukset

3.2.4.1 Ominaispinta-ala typpiadsorptiomenetelmällä

Ominaispinta-ala määritellään kivirakeen ulkopinnan alana massayksikköä kohden, ja sen yksikkönä käytetään m²/g. Ominaispinta-alaan vaikuttavat kiviaineksen rakeisuus, rakeiden muoto ja niiden pinnan ominaisuudet.

Ominaispinta-alaa kasvattaa voimakkaasti rakeiden suuri mikrokarkeus.

Ominaispinta-alalla on merkitystä tarttuvuuden, optimisideainepitoisuuden ja massan sekoittuvuuden kannalta /35/.

Kiviainesrakeiden pintojen alaa voidaan mitata erilaisilla adsorptiomenetelmillä.

Tässä tutkimuksessa käytettiin typpiadsorptiomenetelmää (TIE 215-93, PANK 2401), jossa rakeiden pinnoille kiinnittyneen typpikaasun määrän avulla saadaan ominaispinta-ala laskettua. Tuloksena saadaan massayksikköä kohden laskettu rakeiden yhteispinta-ala.

Ominaispinta-alaa tutkitaan yleensä hienoaineksesta. Tässä tutkimuksessa hienoaineksena on ollut < 0,074 mm lajite. Samoin kuin hienoaineksen tyhjätilamäärityksissä siirrytään myös ominaispinta-alamittauksissa käyttämään viimeistään 1.1.1997 alkaen < 0,063 mm lajitetta seulakoon muuttuessa EN-standardin mukaiseksi, mikä on otettu huomioon PANK-menetelmäkuvauksessa.

Hienoaineksen ominaispinta-alaan vaikuttavat sekä rakeiden pintarakenne että hienoaineksen rakeisuus. Jos hienoaineksen ominaispinta-ala on hyvin suuri, hienoaines sisältää todennäköisesti runsaasti siltti- ja savifraktioita. Tällaisen murskeen käyttö päällystekiviaineksena on kyseenalaista. Kun halutaan tutkia ainoastaan rakeiden pinnan karkeutta, käytetään lajitetta 0,074 - 0,125 mm /35/.

3.2.4.2 Veden adsorptio

Hydrofiilisyydellä tarkoitetaan kiven kykyä adsorboida eli kiinnittää fysikaalisesti pinnalleen vesimolekyylejä. Hydrofiilinen eli vesihakuinen materiaali kostuu helpommin vedellä kuin öljyllä. Kiviaineksen adsorptiokykyyn vaikuttavat

ainakin rakeisuus ja ominaispinta-ala. Vedenadsorptiokyky ilmoitetaan vedenadsorptiolukuna (%) tai kiviainekseen sitoutuneen veden määränä (mgH2O/g).

Adsorptiokokeet tehdään menetelmien TIE 214-93 ja PANK 2108 mukaisesti säilyttämällä kiviainesnäytettä avoimessa lasimaljassa eksikkaattorissa 100 % suhteellisessa kosteudessa, jotta adsorboituva vesimäärä olisi mahdollisimman suuri ja mittausten suhteellinen virhe pieni. Koe tehdään yleensä hienoaines-näytteelle, jonka kuivapaino on määritetty kuivaamalla se uunissa. Kokeen tuloksena määritetään vedenadsorptioluku, jolla tarkoitetaan tietyssä ajassa näytteeseen adsorboituneen veden määrää painoprosentteina näytteen kuivapai-nosta ilmaistuna. Kiviainesnäytteitä säilytetään eksikkaattorissa niin kauan, että rakeiden pinnoille ei enää adsorboidu lisää kosteutta.

3.2.4.3 Mineraalikoostumus

Kivet koostuvat mineraaleista, jotka ovat useiden alkuaineiden yhdisteitä.

Mineraalikoostumuksella tarkoitetaan kiviaineksen muodostavien mineraalien suhteellisia osuuksia. Yksittäisessä kiviainesrakeessa on yleensä useita eri mineraaleja.

Murskeen mineraalikoostumus vaikuttaa sen lujuuteen, iskun- ja kulutuksen-kestävyyteen sekä rapautumisherkkyyteen. Mineraalikoostumus on mielen-kiintoinen päällysteen vedenkestävyyttä arvioitaessa, koska sillä on vaikutusta kiviaineksen ja sideaineen väliseen tarttuvuuteen /36/.

Mineraalikoostumus määritettiin röntgendiffraktioanalyysillä ns. puolikvanti-tatiivisella menetelmällä (PANK 2301), jolla on mahdollista määrittää mineraalien lisäksi niiden suhteelliset määrät. Menetelmässä mineraali tunnistetaan kiteen hilatasosta heijastuvan säteen heijastuskulman perusteella. Mineraalin määrää kuvaa heijastuksen voimakkuus, jota verrataan vain yhtä mineraalia sisältävän näytteen heijastuksen intensiteettiin. Menetelmä perustuu Braggin lakiin, jonka mukaan kiteisen aineen atomitasoilta heijastuvat säteet vahvistuvat tietyllä säteen tulokulmalla. Mineraalikoostumus määritetään hienoaineksesta, jossa heijastuvan säteen taittava kiderakenne parhaiten tulee esiin. Mineraalien erilainen lujuus saat-taa vaikutsaat-taa kiviainesta murskattaessa syntyvien lajitteiden mineraalikoostu-muksiin siten, että heikoimmat mineraalit jauhautuvat kovia hienommiksi. Tästä syystä hienoaineksen ja karkeampien lajitteiden mineraalikoostumus ei aina ole sama. Murskatun kiviaineksen mineraalikoostumuksen luotettava selvittäminen edellyttää sekä hienoaineksen että karkeammasta lajitteesta jauhetun näytteen tutkimista.

3.2.4.4 Kiven pintapotentiaali (zeta-potentiaali)

Kuivan kiviaineksen mineraalipinnalla on mineraalien kiderakenteen ionien aiheuttama sähkövaraus. Kun pinta kostuu, muodostuu pinnalle ionikerros, jonka varauksia kutsutaan potentiaalia määrääviksi ioneiksi. Pinnan sähkövaraus

neutraloituu pinnan läheisyyteen adsorboituneiden vastaionien ansiosta.

Vastaionien oletetaan pysyvän partikkelin pinnalla sen liikkuessa vesifaasissa.

Yhdessä potentiaalia määräävät ionit ja vastaionit muodostavat mineraalipinnalle kaksoiskerroksen eli Sternin kerroksen, kuva 8. Sternin kerroksen ulkopuolella on diffuusiokerros, jossa on sekä negatiivisia että positiivisia ioneja /32, 36, 40/.

Kuva 8. Zeta-potentiaalilla mitattava varaus.

Kiviainesrakeen pinnalla sähkövaraus on itseisarvoltaan suurin. Kun etäisyys pinnasta kasvaa, potentiaali laskee vähitellen. Diffuusin kerroksen ulkorajalla potentiaali on nolla. Sternin kaksoiskerroksen ja diffuusin kerroksen rajapinnassa vallitsevaa sähkövarauksen arvoa kutsutaan elektrokineettiseksi potentiaaliksi eli zeta-potentiaaliksi. Se ei kerro partikkelin todellista pintavarausta, vaan on mitta diffuusin kerroksen varaukselle ja sen etäisyydelle partikkelin pinnasta. Zeta-potentiaalia käytetään kuvaamaan kiviaineksen pintaZeta-potentiaalia /32/.

Zeta-potentiaali määritetään elektroforeettisella menetelmällä, jossa tutkitaan sähköisesti varatun mineraalihiukkasen liikettä sähkökentässä. Menetelmässä mitataan hiukkasen nopeutta eli elektroforeettista liikkuvuutta. Sähkökentän voimakkuutta ja väliaineen pH-arvoa voidaan säätää. Molemmilla muuttujilla on vaikutusta zeta-potentiaaliin. Sähkökentän voimistaminen nopeuttaa hiukkasten liikettä. Happo-emäsreaktioita voi tapahtua kiviaineksen mineraalien ja väliaineena toimivan nesteen välillä sen ollessa erittäin hapanta tai emäksistä /32, 36/.

Zeta-potentiaalimittausten avulla voidaan arvioida bitumin kiinnittymistä eri kiviainesten pintaan. Kiviainespinnan potentiaalin mahdollisimman suuri poik-keama nollasta parantaa bitumin adsorptiota. Kun rajapinnan varaustiheys kasvaa, kiviaineksen ja sideaineen välinen vuorovaikutus kasvaa.

3.2.4.5 Kiviaineksen pinnan happamuus

Sideaineen ja kiviaineksen väliseen tartuntaan on mahdollista vaikuttaa tartukkeen avulla muuttamalla bitumin happamuutta. Tartukkeina käytetyt amiinit ovat emäksiä, ja tartuketta lisäämällä voidaan hapan bitumi muuttaa emäksiseksi.

Kiviainesten pintahappamuudet määritettiin termometrisesti titraamalla.

Menetelmällä mitataan pinnan happoryhmien neutraloitumisessa vapautuvaa lämpömäärää. Neutralointiin käytettiin väkevyydeltään vakioitua emästä vakiomäärä, joten vapautuvaan lämpömäärään vaikutti ainoastaan kiviainesrakeen pinnan happamuus /40/.

Kiven pintahappamuus määritettiin hienoaineksesta. Happamuus suhteutettiin alaan, jolloin saatiin hapon määrä hienoaineksen ominaispinta-alayksikköä kohden.