TUTKIMUKSESSA KÄYTETYT MATERIAALIT
4 TUTKIMUSTEN TULOKSET JA NIIDEN TARKASTELU
4.1 PEHMEITTEN EMULSIOPÄÄLLYSTEIDEN TILAVUUSSUHDETUTKIMUKSET
4.2.2 Vanhennuslaitteella vanhennettujen koekappaleitten halkaisuvetolujuudet
Edellä esitetyillä laboratoriokokeilla pystyttiin selvittämään PAB-V-päällysteiden lujuuden kasvua ensimmäisien kuukausien kuluessa päällystämisestä. Usean vuoden ikäisen päällysteen toiminnallisten ominaisuuksien ennustaminen edellyttäisi kuitenkin huomattavasti pitempiaikaista seurantaa, johon ei useinkaan ole mahdollisuutta. Koska päällysteen lopullisen lujuuden ennustaminen mahdollisimman lyhytaikaisin laboratoriokokein osoittautui tarpeelliseksi, vanhennettiin tämän tutkimuksen yhteydessä koekappaleita nopeutetusti laboratoriossa.
Emulsiopäällysteiden vanhennustutkimuksen tarkoituksena oli selvittää PAB-V:n lujuuden kehittymistä ja etenkin lopullisia lujuuksia. Vanhennustutkimuksessa haluttiin päällysteen lopullisien lujuuksien ohella selvittää mahdollisuutta vanhentaa pehmeitä päällysteitä laboratoriossa yksinkertaisin laittein ja lyhyessä ajassa sekä löytää ajallinen yhteys nopeutetun ja luonnollisen vanhenemisen välille.
Tutkimuksessa määritettiin laboratoriossa sekoitetuista massoista tehtyjen koekappaleiden halkaisuvetolujuudet 1 vrk ikäisinä ja myöhemmin, kun kappaleita on vanhennettu puhaltamalla niihin + 65 °C lämpöistä ilmaa 14 ja 21 vuorokauden ajan. Korotetussa lämpötilassa emulsiovesi poistuu paremmin tuoreesta päällysteestä, mikä nopeuttaa tartunnan kehittymistä. Myöhemmin
Ultraviolettisäteilyn tai säätilan vaikutuksia ei tällä yksinkertaistetulla menetelmällä ollut mahdollista ottaa huomioon.
Lujuuden suuruuden ja kasvunopeuden kannalta keskeisiksi muuttujiksi arvioitiin kiviaineksen lujuus, sideaineen viskositeetti ja massan lämmittäminen sekoitusvaiheessa. Tutkitut massat valittiin siten, että niiden avulla pystytään arvioimaan edellä mainittujen muuttujien vaikutusta lujuuden kehittymiseen ja lopulliseen lujuuteen. Referensseinä tutkittiin lisäksi öljysoraa ja pehmeän bitumin V1500 lisäämistä emulgoimatta. Tulokset on esitetty neljästä rinnakkaisesta koekappaleesta saatujen laboratoriotutkimusten tuloksten keskiarvona (taulukko 19).
Vanhennuslaitteen tehokkuuden selvittämiseksi verrattiin keskenään laborato-riossa keinotekoisesti vanhennettujen ja käyttölämpötilassa UV-säteille alttiina säilytettyjen kappaleitten halkaisuvetolujuuksia. Tarkoituksena oli selvittää minkä ikäistä päällystettä 14 vrk ja 21 vrk vanhennettu koekappale vastaa. Nopeutetulla menettelyllä vanhennettujen massojen tuloksia on verrattu vuonna 1992 saatuihin lujuustuloksiin (taulukko 18), jotka kuvaavat koeteiltä otetuista massanäytteistä mitattuja lujuuksia 1 vrk, 14 vrk ja 150 vrk:n ikäisinä. Vertailtavina ovat olleet myös talven yli varastokasoissa säilytetyt PAB-V-massat. Taulukossa 19 esitettyjä vanhennettuja massoja vastaavat koetieosuudet on rakennettu kesällä 1993.
Vertailua vaikeuttaa se, että koetiekohteissa on käytetty eri kiviaineksia vuosina 1992 ja 1993.
Kiviainesten eroista huolimatta vanhennusajan vaikutus lujuuteen ilmenee tuloksista. Vanhennuslaitteen tehokkuuden selvittämiseksi verrattiin vanhen-nuslaitteessa vanhennettujen koekappaleitten halkaisuvetolujuuksia (taulukko 19) huoneenlämmössä säilytettyjen kappaleitten lujuuksiin (taulukko 18).
Vanhennuslaitteessa säilytetyt koekappaleet saavuttivat 14 vrk:ssa saman lujuuden kuin huoneenlämmössä säilytetyt kappaleet puolessa vuodessa. Kolmen viikon vanhentamisen jälkeen koekappaleitten HVL vastasi kahden vuoden ajan huoneenlämmössä säilytettyjen koekappaleitten lujuutta. Lujuudet eivät vanhennusaikaa jatkettaessa enää nousseet merkittävästi, joten 21 vrk vanhennuksella saavutettavaa lujuutta voidaan pitää päällysteen lopullisena lujuutena.
Keinotekoinen koekappaleitten vanhentaminen laboratoriossa mahdollistaa päällysteen lopullisen stabiliteetin arvioimisen kohtuullisen lyhyessä ajassa.
Menetelmä vaatii kuitenkin käytetyn tehoisella laitteella kolmen viikon vanhennusajan ja kaksinkertaisen määrän koekappaleita verrattuna siihen, että laboratoriokokein määritettäisiin ainoastaan päällysteen alkustabiliteetti. Tästä syystä suunnittelua helpottaisi ja nopeuttaisi mahdollisuus ennustaa päällysteen lopullista lujuutta pelkästään sen alkulujuuden perusteella.
Taulukko 19. Tuoreiden ja 14 sekä 21 vrk vanhennettujen koekappaleitten halkaisuvetolujuudet (kPa).
HALKAISUVETOLUJUUS 1 vrk
Kiviaines Sideaine Keskiarvo Keskihajonta
Tupuri BÖ 2 / 3,6 % 54 2,5
Tupuri BE-PAB bitumista V1000 / 3,6 % 44 3,9
Tupuri BE-PAB1 / 3,6 % 61 1,8
Tupuri BE-PAB3 / 3,6 % 83 8,6
Lukkarinmäki 2/3 BE-PAB1 + 1/3 BE-PAB6 / 3,4 % 85 2,8
Veskala V1500 / 3,5 % 62 2,1
Veskala BE-PAB1 / kylmä / 3,5 % 81 5,1
Veskala BE-PAB1 / lämmin / 3,5 % 129 5,7
VANHENNUSLAITTEESSA SÄILYTETTYJEN KOEKAPPALEITTEN LUJUUDET HALKAISUVETOLUJUUS (kPa)
14 vrk vanhennettu 21 vrk vanhennettu
KIVIAINES Keskiarvo Keskihajonta Keskiarvo Keskihajonta
Tupuri 125 10,5 129 12,6
Tupuri 94 3,3 119 3,8
Tupuri 179 15,4 218 7,4
Tupuri 264 19,8 338 8,6
Lukkarinmäki 291 24,2 354 19,6
Veskala 157 12,2
Veskala 202 3,9
Veskala 235 9,8
Tupurin soramurskeesta valmistettiin tutkimuksessa kolmella viskositeetiltaan erilaisella emulgoidulla sideaineella neljä rinnakkaista koekappaletta kullakin.
Näiden tulosten perusteella päällysteen lopullista lujuutta HVLlop voidaan ennustaa mallilla
HVLlop = -33,303
+2,4181 HVL1 p = 0,0000 +0,0584 VISK p = 0,0000
mallille R² = 0,97, p = 0,0000, jossa HVLlop on päällysteen lopullinen lujuus, kPa
HVL1 1 vrk ikäisen laboratoriossa tiivistetyn näytteen lujuus, kPa
VISK sideaineena olevan bitumin viskositeetti, mm²/s.
Edellä esitetty malli pätee samasta kiviaineksesta tehdyille PAB-V-päällysteille, joissa sideaineen jäykkyys muuttuu. Kiviaines vaikuttaa kuitenkin sekä lujuuden absoluuttiseen arvoon että lujuuden kasvunopeuteen. Vuosien ikäisen päällysteen
lujuus on siten arvioitavissa kiviaineskohtaisesti alkustabiliteetin perusteella, mutta stabiliteetin kasvua ei voida ennustaa, kuten edellä kohdassa 4.2.1 ilmeni.
Öljysoran lopullisen lujuuden laskemiseen mallia ei voida käyttää, sillä öljysoralla 21 vrk aikana saavutettu lujuus ei vielä vastaa päällysteen lopullista lujuutta.
Koekappaleisiin jää tämän vanhennusajan jälkeen vielä haihtuvia komponentteja.
Kiviaineksen lämmittämisen vaikutusta päällysteen lujuuden kasvuun voidaan arvioida Veskalan kiviaineksella vanhennuslaitteessa säilytettyjen koekappaleitten halkaisuvetolujuuksien perusteella. Lämmittämisellä saavutettu lujuuden lisäys on suurimmillaan heti päällystämisen jälkeen. Veskalan kiviaineksesta kylmänä tehtyjen vuorokauden ikäisten koekappaleitten lujuus oli 63 % lämpimänä sekoitetusta massasta tehtyjen kappaleitten lujuuksista, mutta 14 vrk vanhennetuilla kappaleilla vastaava lujuuden osuus oli jo 86 % (taulukko 19).
Koska lämmittämisen vaikutusta tutkittiin ainoastaan bitumiemulsiolla BE-PAB1, ei sideaineen viskositeetin vaikutusta ole mahdollista arvioida.
Lujuuden kasvua Veskalan soramurskeella selittää seuraava malli:
HVL14 = 284,40
-1,0270 HVL1 p = 0,0479 + 83,290 T p = 0,0007
mallin R² = 0,94, p = 0,0009,
jossa HVL14 on päällysteen lujuus 14 vrk päällystämisen jälkeen, kPa HVL1päällysteen lujuus 1 vrk päällystämisen jälkeen, kPa
T massan sekoituslämpötila, °C.
Kun Veskalan SrM:lla tehtyjen kappaleitten rinnalla tarkastellaan Tupurin SrM:lla tehtyjä koekappaleita havaitaan, että lopullisen lujuuden tapaan myös stabiliteetin kasvua ennustettaessa tärkeimmät muuttujat ovat juuri sideaineen viskositeetti ja alkulujuus, joiden merkitys on suurempi kuin päällysteen kiviaineksen tai sekoituslämpötilan:
HVL14 = 0,1070
+0,0575 VISK p = 0,0000 +1,1972 HVL1 p = 0,0000
mallin R² = 0,84, p = 0,0000, jossa HVL14 on päällysteen lujuus 14 vrk päällystämisen jälkeen, kPa
HVL1päällysteen lujuus 1 vrk päällystämisen jälkeen, kPa VISK sideaineena olevan bitumin viskositeetti, mm²/s.
PAB-V:n lopullisen lujuuden absoluuttista arvoa enemmän kiinnostaa sen merkitys päällysteen toiminnan kannalta. Öljysoran korvaaminen edellyttää PAB-V-päällysteiltä sellaista lujuutta, joka mahdollistaa päällysteen käytön öljysoran tapaan. Päällyste, joka ei ole öljysoraa jäykempää, täyttää varmasti tämän vaatimuksen. Tästä syystä on taulukossa 20 verrattu sideaineen eri viskositeeteilla valmistettujen ja eri-ikäisten emulsiopäällystekoekappaleitten stabiliteetteja vastaavan ikäisien öljysorakoekappaleittein stabiliteetteihin. Koska pelkkien halkaisuvetolujuustulosten perusteella ei voida täysin arvioida päällysteen toiminnallisia ominaisuuksia, tutkittiin niitä myös koeteillä emulsiopäällysteitä repimällä ja varastokasaan valmistettuja PAB-V-päällysteitä levittämällä.
Koeteiltä saadut kokemukset on koottu kohtaan 4.5.
Taulukko 20. Tupurin SrM:sta valmistettujen PAB-V-koekappaleitten hal-kaisuvetolujuudet öljysoraan verrattuina.
HALKAISUVETOLUJUUS (kPa) Sideaine
(emulgoitu)
1vrk 14vrk vanh 21vrk vanh lopullinen
V1000 0,8 x ÖS 0,8 x ÖS 0,9 x ÖS 0,5 x ÖS
V1500 1,1 x ÖS 1,4 x ÖS 1,7 x ÖS 0,9 x ÖS
V3000 1,5 x ÖS 2,1 x ÖS 2,6 x ÖS 1,3 x ÖS
Taulukosta 20 ilmenee eri ikäisistä PAB-V-koekappaleista määritettyjen lujuuksien osuus vastaavan öljysorakoekappaleen lujuudesta. Lopullista lujuuden suhdetta laskettaessa on otettu huomioon, että öljysoralla lujuuden kasvu jatkuu vielä, kun se PAB-V:llä on jo päättynyt. Kolmen viikon nopeutettu vanhennus ei riitä haihduttamaan kaikkea sideaineessa olevaa liuotinta. Lopullisena öljysoran lujuutena on tarkasteluissa käytetty tästä syystä kohdassa 4.2.1 esitettyä 7 - 14 vuoden ikäisistä öljysorista määritettyjen halkaisuvetolujuuksien keskiarvoa 260 kPa (kohta 4.2.1, kuva 18).
Lujuudeltaan öljysoraa selvästi heikommaksi osoittautui ainoastaan PAB-V, jonka sideaineena oli V1000. Sen alkulujuus ja lopullinen lujuus ovat öljysoran vastaavia arvoja pienempiä. Tämä pehmeä päällyste soveltuu parhaiten paikkausmassaksi ja routivilla alustoilla Pohjois-Suomessa käytettäväksi.
PAB-V-päällysteet, joiden sideaineena on V1500 tai V3000, ovat tuoreina öljysoraa jäykempiä. Niiden levittäminen kylmänä onnistui kuitenkin hyvin.
Vuoden ikäisinä lujuudet ovat näillä emulsiopäällysteillä 28 % ja 57 % öljysoralla vastaavan ajan jälkeen mitattua arvoa korkeampia. Myös kovempi päällyste saattaa olla varastoitavissa ja revittävissä. Koska kokemuksia on vain öljysoralla, on öljysoran halkaisuvetolujuutta käytetty tässä tutkimuksessa vertailuarvona pehmeiden emulsiopäällysteiden halkaisuvetolujuuksille. Lähimmäksi öljysoran lopullista lujuutta päästään PAB-V:llä jonka sideaineena on V1500. Sillä alkustabiliteetti on hieman tuoreen öljysoran lujuutta parempi, ja lujuus kasvaa emulsiopäällysteille ominaisesti öljysoran lujuutta nopeammin. Lopullinen lujuus
on kuitenkin lähellä öljysoran lujuutta, ja päällyste on vielä revittävissä ja varastoitavissa.
Jäykin tämän tutkimuksen yhteydessä kokeilluista päällysteistä oli PAB-V, jonka sideaineena oli V3000. Tämä päällyste osoittautui öljysoraa selvästi jäykemmäksi.
Sen karhittavuuden selvittäminen edellyttää repimisen kokeilua koeteillä.
Varastokasamassojen levitettävyyttä koskevien laboratoriokokeiden tulokset on esitetty kohdassa 4.5.9. Niiden perusteella päällysteen levittäminen varastokasasta on selvästi vaikeampaa, kun sideaineen viskositeetti nousee 1 500 mm²/s:sta 3 000 mm²/s:iin.
Tutkimuksen suurimmat lujuudet saavutettiin uusiomassoilla (taulukko 21).
Ongelmat uusiopäällystemassojen tekemisessä ovat samat kuin lisättäessä sideaine puhtaaseen kiviainekseen. Kun massan jäykkyys kasvaa, heikkenee sen työstettävyys.
Taulukko 21. 1 vrk:n ikäisten ja 14 vrk vanhennettujen uusiopäällystekoekap-paleitten halkaisuvetolujuudet.
HALKAISUVETOLUJUUDET (kPa)
Kiviaines Sideaine 1vrk 14vrk vanh.
Hailuoto BE-PAB1 / RC 60 / 3,3 % 143 399 Hailuoto BE-PAB6 / RC 60 / 4,0 % 231 589