TEKNILLINEN KORKEAKOULU Rakennus-ja ympäristötekniikan osasto
Talonrakennustekniikan laboratorio
Pälvi Sääksvuori
RAKENNUSPOHJAN VAIKUTUS RYÖMINTÄTILAN KOSTEUSOLOIHIN
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä
hyväksyttäväksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa 11.6.2001
Työn valvoja: Prof. Martti Viljanen Työn ohjaaja: DI Jari Hänninen
TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä ja työn nimi: Pälvi Sääksvuori
Rakennuspohjan vaikutus ryömintätilan kosteusoloihin Päivämäärä: 11.6.2001
Osasto: Rakennus-ja ympäristötekniikan osasto Professuuri: Talonrakennustekniikka Työn valvoja: Prof. Martti Viljanen
Työn ohjaaja: DI Jari Hänninen
Työssä tutkittiin maan kosteusteknisiä ominaisuuksia ja niiden vaikutusta ryömintätilan kosteusolosuhteisiin laboratorio ja kenttäkokein. Laboratoriokokeissa mitattiin kitkamaalajien kapillaarista nousukorkeutta ja -nopeutta ja maan kosteustuottoa. Kenttäkohteessa mitattiin maan kosteuden ja lämpötilan vaihtelua vuoden pituisena tutkimusjaksona. Lisäksi tutkimus sisälsi sekä laboratoriossa että kentällä tehtyjä maan sähkönvastusmittauksia, jotka eivät tuottaneet riittävän tarkkaa tulosta maan kosteuspitoisuuden määrittämiseksi.
Ryömintätilan suurimmat kosteuden tuottajat ovat yleensä tuuletusilma ja maasta haihtuva kosteus. Maan kosteustuoton määrittämistä varten kehitettiin laitteisto, jolla maanäytteestä haihtuvan kosteudenmäärää voitiin mitata yli virtaavan ilman eri nopeuksilla. Ympäröivät olosuhteet, kuten lämpötila, säteily ja RH, olivat vakioita. Kosteudentuotto määritettiin neljältä savi-, yhdeltä sepeli- ja kahdelta hiekka- ja soranäytteeltä. Savella kosteustuotto oli suurin ja hiekalla se oli melkein saman suuruinen. Lisäksi tutkittiin haihtumiseristeellä peitetyn saven kosteustuottoa. Tutkitut haihtumiseristeet olivat tehokkaimmasta alkaen polystyreeni, rei’itetty muovi, kevytsora ja sepeli. Haihtumiseriste vähensi kosteustuottoa parhaimmillaan 98-99 %.
Kosteustuoton perusteella laskettiin haihtumiskerroin, joka oli esimerkiksi savella ja hiekalla 0,00200-0,01100 m/s, salaojasoralla 0,00003-0,00007 m/s ja savi + polystyreenillä 0,00001- 0,00003 m/s.
Laskennallisin tarkasteluin tutkittiin rakennuspohjan maalajin, ilmanvaihdon suuruuden ja ryömintätilan pohjalle mahdollisesti asennettavan lämmöneristeen vaikutusta ilman lämpötilaan ja suhteelliseen kosteuteen ryömintätilassa. Laskennassa käytettiin kosteudentuottokokeen haihtumiskertoimia. Homeriskin rajaksi asetettiin RH 80 % ja lämpötila +5° C samanaikainen ylittyminen. Tutkitut maan pohjaratkaisut olivat paljas savi, savi+ sepeli, savi +kevytsora ja pelkkä sora.
Veden -ja kosteudeneristysohjeessa ryömintätilan tavoitearvo on 0,5... 1 vaihtoa tunnissa.
Mittausten ja laskennallisen analyysin perusteella tavoitearvon suuruisella tuuletuksella ryömintätilan olosuhteet ylittävät riskirajan kesällä eikä siten ole riittävä. Riskin pienentämiseksi maan kosteustuottoa on rajoitettava ja ryömintätilan ilman lämpötilaa nostettava. Maan kosteustuottoa on vähennettävä käyttämällä haihtumiseristettä erityisesti tapauksissa, joissa perusmaa on savea tai hiekkaa. Tämän lisäksi ryömintätilan ilman lämpötilaa on nostettava RH:n laskemiseksi, sillä pelkästään tuuletusilman tuoma kosteus aiheuttaa RH riskirajan ylityksen.
Kun ryömintätilan pohjalla käytetään materiaalia, joka on sekä haihtumiseriste että lämmöneriste, ryömintätilan lämpötila nousee ja homeriski pienenee. Tällaisia materiaaleja ovat esimerkiksi polystyreeni ja kevytsora, jota laskelman mukaan tarvitaan 20 cm.
Tulosten perusteella tulisi maa-ainesten kosteustuottomittauksia laajentaa, jotta suunnittelussa voitaisiin entistä paremmin varmistaa ryömintätilan kosteustekninen toiminta. Erityisesti tämä koskee salaojasorina käytettävien maa-ainesten ominaisuuksia.____________________________
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
ABSTRACT OF A MASTER’S THESIS Author and the name of thesis: Pälvi Sääksvuori
The Effect of the Base Ground on Moisture in Crawl Spaces Date: 11.6.2001
Faculty: Civil and Environmental Professorship: Structural Engineering and Building
Engineering Physics
Supervisor: Prof. Martti Viljanen Instructor: M. Sc. Jari Hänninen
In this research moisture behaviour of the ground and its effects on moisture conditions in crawl spaces was studied by laboratory and field measurements. In laboratory tests was measured the capillary rise and velocity of friction soils and moisture supply from the ground surface. In field measurements temperature and moisture content of ground was observed over period of one year.
This study consists also laboratory and field measurements of electricity resistance in ground, which didn’t give enough exact results on moisture content of ground.
Usually in crawl spaces the main sources of moisture are ventilation air and ground moisture evaporation. A measuring device was developed and used to study moisture supply from different soil samples, while the velocity of the air flow over the sample varied. Surrounding conditions, like temperature, radiation and relative humidity in air, were constants. The moisture supply was measured from four clay, one crushed stone, two sand and one gravel samples. Clay was the greatest moisture producer, but sand was almost as great. Also was studied the effect of using different kind of ground covers on clay surface. The purpose of ground covers was reduce the moisture evaporation of clay. The ground covers in the tests were, in order of effectiveness, expanded polystyrene, plastic sheet with holes, lightweight expanded clay and crushed stone. The best ground covers reduced the moisture evaporation 98-99 %. Moisture transport coefficients derived from ground moisture evaporation. Moisture transport coefficient rates are for example for sand and clay 0,0
0200-0,01100 m/s, for gravel suitable for drains 0,00003-0,00007 m/s and clay covered with expanded polystyrene 0,00001-0,00003 m/s.
By numerical analysis was studied the effects of the soil type of the base ground, air change rate and possible ground cover with thermal insulation on temperature and relative humidity in the crawl space air. In calculation was used the moisture transport coefficients, which were the results of moisture supply tests. In this study the limit of the mould growth was a RH over 80 % and temperature over 5° C at the same time. The base structures in the study were clean clay, clay + crushed stone, clay + lightweight expanded clay and pure gravel.
The Finnish Building Code gives ventilation rate of 0,5...1 changes in hour as a desired value.
Measurements and numerical calculation show this is not enough in the summer. To diminish the risk of the mould growth the moisture supply of ground has to be limited and the temperature in the crawl space air has to be raised. The evaporation of the ground has to reduce by using ground covers particularly in case of clay and sand. Because the moisture content in ventilation air is big enough to cause risk of the mould growth, its necessary to raise the temperature in the crawl space air to reduce RH. This can be done by using materials like lightweight expanded clay or expanded polystyrene, which are at the same time also thermal insulating and limiting evaporation,________
ALKUSANAT
Tämä diplomityö liittyy Teknillisen korkeakoulun Talonrakennustekniikan ja LVI- tekniikan laboratorion yhteiseen tutkimusprojektiin: ”Ryömintätilan tuuletus ja kosteuskäyttäytyminen”, jonka tutkimuksen julkaisussa ”Ryömintätilan tuuletus ja kosteuskäyttäytyminen ” on esitetty osa diplomityön tuloksista.
Diplomityössä on tutkittu eri maa-ainesten kosteuskäyttäytymistä. Tavoitteena on ollut selvittää ryömintätilan perusmaan ja mahdollisen haihtumiseristeen kosteustuottoa, ja sen merkitystä ryömintätilan kosteus- ja lämpöoloihin. Diplomityön on rahoittanut Talonrakennustekniikan laboratorio.
Haluan kiittää professori Martti Viljasta työn valvonnasta ja DI Jari Hännistä työn ohjauksesta. Lisäksi haluan kiittää työssä avustaneita Pohjarakennus ja maamekaniikan ja Talonrakennustekniikan laboratorioiden teknistä henkilökuntaa, erityisesti laboratoriotyöteknikko Veikko Halttusta. Suuri kiitos myös perheelleni, sukulaisilleni ja ystävilleni saamastani tuesta ja kannustuksesta.
Otaniemessä 11.6.2001 Pälvi Sääksvuori
SISÄLLYSLUETTELO
TIIVISTELMÄ ABSTRACT
ALKUSANAT... 4
SISÄLLYSLUETTELO...5
MERKINNÄT...8
OSAA PERUSTEET...9
1 JOHDANTO... 9
2 3 RAKENNUSPOHJAN OMINAISUUDET... 2.1 Maalajiluokitus... 2.2 Veden esiintyminen maassa... 2.3 Vedenläpäisevyys... 2.3.1 Yleistä virtauksesta... 2.3.2 Virtaus huokoisessa aineessa... 2.3.3 Maalajien vedenläpäisevyys... 2.4 Kapillaarisuus... 2.4.1 Kapillaarinen nousukorkeus... 2.4.2 Kapillaarinen imunopeus... RYÖMINTÄTILAN LÄMPÖ- JA KOSTEUSTEKNINEN KÄYTTÄYTYMINEN 3.1 Ryömintätilan lämpö- ja kosteusolot... 3.2 Kosteuslähteet... 3.3 Ryömintätilan tuuletus... 3.4 Ryömintätilan kosteustasapaino... .11 .11 .15 .21 .21 .22 .23 .24 .25 .27 .29 .29 .30 .34 .36 OSA B KOKEELLINEN OSA 41 4 LABORATORIOMITTAUKSET...42
4.1 Kapillaari sen nousukorkeuden ja nopeuden mittaus...42
4.1.1 Koejärjestelyt... 42
4.1.2 Tutkimustulokset... 43
4.1.3 Tulosten tarkastelu... 48
4.2 Maan kosteuspitoisuuden määrittäminen sähkönvastuksen avulla...49
4.2.1 Maan kosteuspitoisuuden määrittäminen sähköisillä menetelmillä...49
4.2.2 Koejärjestelyt... 50
4.2.3 Tulokset... 51
4.2.3 Tulosten tarkastelu...53
4.3 Maan kosteustuoton mittaus...54
4.3.1 Mittalaitteen kehittäminen...54
4.3.2 Mittausohjelma... 57
4.3.3 Tulokset... 61
4.3.4 Tulosten tarkastelu... 71
5 KENTTÄMITTAUKSET...81
5.1 T utkimuskohde... 81
5.2 Mittausohjelma... 84
5.3 Mittaustulokset... 86
5.3.1 Maapohjan kosteusvaihtelut...86
5.3.2 Ryömintätilan lämpö- ja kosteusolosuhteet...91
5.3.3 Maan kosteuspitoisuuden määrittäminen sähkönvastuksen avulla... 92
5.4 Tulosten tarkastelu... 97
5.4.1 Maapohjan kosteusolosuhteet...97
5.4.2 Ryömintätilan pintamaan maalajijakauma...98
5.4.3 Maan kosteustuotto... 99
5.4.4 Saven kosteuspitoisuuden määrittäminen sähkönvastuksen avulla... 104
6 PÄÄTELMÄT...105
7 YHTEENVETO...117
KIRJALLISUUS...120
LIITTEET...122 A Maalajimääritykset
• A.l Rakeisuusmääritys Pisteet K3 ja K5
• A.2 Rakeisuusmääritys, pesuseulonta Piste K3pinta
• A.3 Kiintotiheyden määritys Pisteet KSpinta, K5 ja K3pinta
• A.4 Humuksen määritys K3 ja K5
• A.5 Rakeisuusmääritys Piste K1
• A.6 Rakeisuusmääritys Piste LI
• A.l Humuksen määritys Pisteet LI ja K1
• A.8 Maanäytteiden tutkimustulokset Pisteet LI ja K1 B Jokiniemen tutkimuskohteen mittaustulokset
• B.l Maan lämpötila 5, 10 ja 15 cm:n syvyydessä 16.12.1997- 11.6.1998
• B.2 Lämpötilat ryömintätiloissa keskikorkeudelta mitattuna ja ulkoilman lämpötila
• B.3 Ilman suhteellinen kosteuspitoisuus luonnollisessa ja koneellisessa ryömintätilassa keskikorkeudelta mitattuna. Arvot kahden vuorokauden keskiarvoja
C Valokuvat
• C.l Savinäyte 3.3.1998
• C.2 Savinäyte 10.3.1998
• C.3 Jokiniemen sepeli kosteudentuottokokeessa
• C.4 Kivi sillan sora kosteudentuottokokeessa
• C.5 Kapillaarisuus koe: Näytteet Kivisillan sora (vas.) ja Ruthin hiekka
• C.6 Kosteudentuottokokeen laitteisto
• C.l Maanäytteet kosteuspitoisuuskokeessa helmikuussa 1998
D Kosteustuottokokeet
• D.l S avi näyte 2
• D.2 Savinäyte 3
• D.3 Savinäyte 4
• D.4 Savi + sepeli 3cm
• D.5 Savi + rei'itetty muovi
• D.6 Savi + hiekkamoreeni 3 cm
• D.7 Savi + kevytsora 5cm
• D.8 Jokiniemen sepeli
• D.9 Laajasalon sora
• D. 10 Ruthin hiekka, näyte 1
• D.ll Ruthin hiekka, näyte 2
• D.12 Kivisillan sora, vedenpinnan etäisyys haihduttavasta pinnasta 15 cm
• D.13 Kivisillan sora, vedenpinnan etäisyys haihduttavasta pinnasta 10 cm
• D.14 Kivisillan sora, vedenpinnan etäisyys haihduttavasta pinnasta 5 cm
E Maan kosteusjakauma
• E.l Pisteen K3 maan kosteuspitoisuus lokakuusta 1997 maaliskuuhun 1998
• E.2 Pisteen K3 maan kosteuspitoisuus huhtikuusta 1998 syyskuuhun 1998
• E.3 Pisteen K5 maan kosteuspitoisuus lokakuusta 1997 maaliskuuhun 1998
• E.4 Pisteen K5 maan kosteuspitoisuus huhtikuusta 1998 syyskuuhun 1998
• E.5 Pisteen L4 maan kosteuspitoisuus lokakuusta 1997 maaliskuuhun 1998
• E.6 Pisteen L4 maan kosteuspitoisuus huhtikuusta 1998 syyskuuhun 1998
• E.l Pisteen L7 maan kosteuspitoisuus lokakuusta 1997 maaliskuuhun 1998
• E.8 Pisteen L7 maan kosteuspitoisuus huhtikuusta 1998 syyskuuhun 1998
• E.9 Pisteen K4 maan kosteuspitoisuus lokakuusta 1997 maaliskuuhun 1998
• E. 10 Pisteen K4 maan kosteuspitoisuus huhtikuusta 1998 syyskuuhun 1998
Merkinnät A B Cp K
Le
Le Mw Q R Re Sr T V a b d e g h i k 1 n n P q r t v z a
P
5 Y Tl e p a v
pinta-ala
kapillaarisuusluku
ilman ominaislämpökapasiteetti ominaispermeabiliteetti
karakteristinen pituus Lewisin kerroin veden molekyylipaino tilavuusvirta
yleinen kaasuvakio Reynoldsin luku kyllästysaste lämpötila tilavuus
ilman vesihöyrypitoisuus leveys
halkaisija, paksuus huokosluku
maasta haihtuva kosteus korkeus
hydraulinen gradientti läpäisevyyskerroin pituus
huokoisuus ilmanvaihtoluku paine
ilmanvaihto säde
aika
virtausnopeus vesihöyrynvastus
konvektion lämmönsiirtokerroin massansiirtokerroin, haihtumiskerroin vesihöyrynläpäisevyys
tilavuuspaino
dynaaminen viskositeetti kulma
tiheys jännitys
kinemaattinen viskositeetti
kg/m2Vs J/kgK m2 m
0,018 kg/mol m3/s
8314 J/mol K
%
°C, K m3 g/m3 m m g/s m m/s m
l/h Pa m3/s m s m/s m/s W/m2K m/s m2/s N/m3 Ns/m2 O kg/m3 N/m2 m2/s Alaindeksit
h s w ground air
huokonen maa vesi
maan pinta ilma
OSAA
P
erusteet1 JOHDANTO
Tuulettavalla alustatilalla eli ryömintätilalla tarkoitetaan rakennuksen alapohjan, sokkelin ja perusmaan rajoittamaa tarkoituksellisesti järjestettyä ilmatilaa. Ryömintätilainen alapohjarakenne on paljon käytetty ratkaisu sekä pien- että kerrostaloissa. Pientaloissa ryömintätilainen perustustapa on hyvin vanha, sen sijaan kerrostalorakentamisessa ryömintätilaiset rakenteet ovat yleistyneet vasta viime vuosikymmeninä. Kerrostalojen, toimisto-, liike- ja julkisten sekä teollisuusrakennusten rakenteena on usein paaluanturalle tuetut sokkelipalkit. Pientaloissa käytetään yleisesti anturan päälle harkoista muurattua sokkelia. Alapohja on yleensä betonirakenteinen mutta myös puurakenteista alapohjaa käytetään pientalorakentamisessa.
Ryömintätilaisella alapohjarakenteella on monia etuja maanvaraiseen alapohjarakenteeseen verrattuna. Ryömintätilainen alapohjarakenne ei ole kosketuksissa maanpintaan, jolloin liiallisen kosteuden kerääntyminen alapohjaan on estettävissä ryömintätilan tuuletuksella.
Tuulettamalla voidaan vähentää myös haitallisen radon-kaasun tunkeutumista huonetilaan.
Ryömintätilaisen rakennuksessa ryömintätilaan voidaan sijoittaa vesi- ja viemäriputket, jolloin niiden huoltaminen ja korjaaminen on huomattavasti vaivattomampaa kuin
maanvaraisen perustamisen yhteydessä.
Ryömintätilallista rakenneratkaisuun liittyy myös ongelmia. Eri maalajien kosteustuottoa ei riittävästi tunneta, joten tuuletuksen riittävyyttä ei voida laskennallisesti tarkistaa.
Ryömintätilan olosuhteet ovat usein kosteat ja lämpimät, ja tästä syystä otolliset mikrobikasvustolle. Mikrobikasvun raja-arvoina käytetään yleensä ilman suhteellista kosteutta 80 % ja lämpötilaa +5° C. Näiden raja-arvojen samanaikaisesti ylittyessä mikrobien kasvu on todennäköistä. Tämä raja-arvo ylittyy ryömintätilassa usein.
Kivirakenteisissa taloissa ongelmat ilmenevät usein sisätilojen hajuna ja kohonneina mikrobipitoisuuksina, mutta puurakenteisissa taloissa saattaa esiintyä tämän lisäksi lahoa.
Ryömintätilan olosuhteisiin voidaan vaikuttaa sekä ilmanvaihdon avulla että rakenteellisin keinoin. Kun oikeilla rakennusratkaisuilla on varmistettu, ettei ryömintätilaan pääse valumaan sade- eikä pintavesiä eikä ryömintätilassa esiinny putkistovuotoja, niin suurimpana kosteuslähteenä on usein maaperästä haihtuva kosteus ja kesäisin tuuletusilman kosteus. Maasta haihtuvan kosteuden suuruuteen vaikuttavat erityisesti maalaji ja pohjavedenpinnan asema. Maasta haihtuvan kosteuden määrää voidaan vähentää peittämällä maanpinta erilaisilla haihtumiseristekerroksilla.
Ryömintätilan suunnittelun lähtökohtana on se, että ryömintätilan ilman suhteellisen kosteuden tulee olla riittävän alhainen ja tilan tulee tuulettua kauttaaltaan. Ongelmana on, kuinka sellainen kuiva ja tuulettuva ryömintätila saadaan aikaan. Ryömintätilan lämpö-ja kosteusteknistä käyttäytymistä ei voi käsitellä erillisinä, vaan erilaiset rakenneratkaisut ja
toimenpiteet muuttavat sekä lämpö- että kosteusoloja. Esimerkiksi homekasvuston kannalta tärkeä ilman suhteellisen kosteuspitoisuuden arvo riippuu sekä absoluuttisesta kosteudesta että lämpötilasta. Ryömintätilan lämpö- ja kosteusolojen suunnittelu on moninainen ja siihen sisältyy sade- ja pintavesien viemäröinti, salaojitus, perusmuurin kosteuseristys, ryömintätilan tuuletuksen järjestäminen sekä maanpinnasta haihtuvan kosteuden vähentäminen.
Diplomityössä tutkittiin rakennuspohjan maalajin ja sen kosteuskäyttäytymisen vaikutusta ryömintätilan kosteusolosuhteisiin. Tutkimus koostui laboratorio- ja kenttämittauksista ja laskennallisesta tarkastelusta. Kenttäkohteena oli asuinkerrostalon ryömintätila, jossa mitattiin maan kosteussisällön vaihtelua vuoden pituisen mittausjakson aikana. Sekä kentällä että laboratoriossa suoritettiin sähkönvastusmittauksia, joilla selvitettiin maan sähkönvastukseen perustuvan mittausmenetelmän soveltuvuutta saven kosteuspitoisuuden määrittämiseksi. Laboratoriokokeissa tutkittiin ensin kitkamaalajien kapillaarista nousukorkeutta ja -nopeutta ja näitä tuloksia hyödynnettiin maan kosteustuoton mittaamisessa. Maan kosteudentuottokokeessa laboratoriossa kehitettiin laitteisto, jolla maanäytteestä haihtuvan kosteuden määrää mitattiin vakio lämpötilassa ja ilman suhteellisessa kosteuspitoisuudessa. Tutkittavat näytteet olivat hiekkaa, sepeliä, soraa ja savea. Saven kosteustuoton rajoittamista tutkittiin peittämällä savi erilaisilla haihtumiseristeillä, joita olivat sepeli, kevytsora, polystyreeni ja rei'itetty muovi.
Tutkimukseen liittyi myös laskennallinen tarkastelu, jossa arvioitiin eri rakennuspohjamateriaalien vaikutusta ilman suhteelliseen kosteuspitoisuuteen ja lämpötilaan ryömintätilassa tietokoneohjelman avulla. Tulosten perusteella voidaan entistä paremmin suunnitella ryömintätilainen alapohja.
2 RAKENNUSPOHJAN OMINAISUUDET
2.1 MAALAJILUOKITUS
Rakennuspohjalla tarkoitetaan välittömästi perustamistason alla olevaa luonnollista maa- ja kalliopohjaa. Jos perustukset rakennetaan täytemaalle, rakennuspohja käsittää täytemaakerroksen ja sen alla olevan luonnollisen maa- ja kalliopohjan. Rakennuspohjan maalajit voivat poiketa suuresti toisistaan ominaisuuksiltaan, ulkonäöltään ja sopivuudeltaan rakennuspohjaksi. Geotekninen maalajiluokitus on eräs tapa luokitella erilaisia maalajeja. Maalajit luokitellaan geologisen syntytapansa sekä raekoon ja humuspitoisuuden perusteella neljään ryhmään. Maalajit on esitetty taulukossa 2.1.
Taulukko 2.1. Maalajiryhmät /12./
Maalajiryhmät Lyhennys Ominaisuudet
Eloperäiset maalajit E Sisältää eloperäistä ainesta > 20 paino-%
Hienorakeiset maalajit H Hienoainespitoisuus ( < 0,06mm) >50%
Lajittuneita
Humuspitoisuus < 20 paino-%
Karkearakeiset maalajit K Hienoainespitoisuus < 50%
Lajittuneita
Moreenimaalajit M Useita eri lajitteita sisältäviä
Rakennuspohjaominaisuuksiltaan parhaimmat maalajit kuuluvat moreeneihin tai karkearakeisiin maalajeihin. Myös hienorakeisia maalajeja voidaan käyttää rakennuspohjassa sen sijaan eloperäiset maalajit eivät sovellu rakennuspohjamaaksi.
Eloperäisiä maalajeja ovat turve, muta, lieju ja humusmaa. Maalajitteella tarkoitetaan tiettyä raekokoa olevaa, kivennäismaasta erotettavissa olevaa osaa. Maalajitteet on lueteltu taulukossa 2.2.
Taulukko 2.2 Kivennäismaalajien lajitteet / 5. /
Päälajite
Nimi Lyhennys
Alalajite Rakeiden läpimitta, mm
Savi Sa <0,002
Siltti Si
Hienosiltti Keskisiltti Karkeasiltti
> 0,002...0,06
> 0,002...0,006
> 0,006...0,02
> 0,02...0,06
Hiekka Hk
Hienohiekka Keskihiekka Karkeahiekka
> 0,06...2,0
> 0,06...0,2
> 0,2...0,6
> 0,6...2,0
Sora Sr
Hienosora Keskisora Karkeasora
> 2,0...60,0
> 2,0...6,0
> 6,0...20,0
> 20,0...60,0
Kivet Ki
Pienet kivet Suuret kivet
> 60...600
> 60...200
> 200...600
Lohkareet Lo > 600
Lajittuneilla maalajeilla tarkoitetaan maalajeja, joissa on yleensä yksi tai korkeintaan kaksi päälajitetta. Lajittumattomat maalajit, kuten moreenit, sisältävät useita eri lajitteita, yleensä siltistä soraan asti. Hienoaineeksi nimitetään savi- ja silttilajitteita, jotka ovat raekooltaan pienempiä kuin 0,06 mm.
Maalajin nimeäminen
Maalajin nimi määräytyy kivennäisaineksen lajitepitoisuuden sekä eloperäisen aineksen suhteellisen osuuden perusteella. Maalajien nimeämisperusteet on esitetty taulukossa 2.3.
Taulukko 2.3. Geotekninen maalajiluokitus. Maalajit / 5. /
Maalajiryhmä Maalaji Lyhennys
Lajitepitoisuus, paino-%
Savi Hienoaines Sora
Raekoko djo-mm
Eloperäiset E Turve Tv
maalajit Lieju Lj
Hienorakeiset H Savi Sa > 30
maalajit Siltti Si < 30 > 50 <5 <0,06
Karkearakeiset Hiekka Hk < 50 < 50 > 0,006...2
maalajit Sora Sr <5 > 50 > 2...60
Moreenimaa- M
lajit Silttimoreeni SiMr > 50 > 5 <0,06
Hiekkamoreeni HkMr 5...50 5...50 > 0,06...2
Soramoreeni SrMr > 5 > 50 >2
Kivennäismaalajit nimetään läpäisyprosenttia 50 vastaavan päälajitteen mukaan, lukuun ottamatta savia. Savet nimetään savilajitteen määrän mukaan. Eloperäisissä maalajeissa eloperäisen eli humukseen osuus on yli 20 paino- %. Maalaji on lajittunutta, mikäli siinä on yhtä lajitetta enemmän kuin puolet kokonaismäärästä.
Maalajien lisänimet
Maalaji voi saada täsmennyksen nimeensä humus-, savi-, siltti-, hiekka- ja sorapitoisuuden tai raekokosuhteen vuoksi.
Humuspitoisuuden mukaan maalaji saa lisänimen kun - humus- % < 2, ei lisänimeä
- humus- % 2...6, lisänimi liejuinen
- humus- % 6...20, päänimeksi lieju (Lj) ja lisänimi savinen (sa) tai silttinen (si) - humus- % > 20, päänimi lieju (Lj), ei lisänimeä
Savipitoisuuden perusteella maalaji saa lisänimen kun - savipitoisuus <10 %, ei lisänimeä
- savipitoisuus 10...30 %, lisänimi savinen (sa)
- savipitoisuus 30...50 %, täsmällisempi nimi laiha savi (laSa) - savipitoisuus >50 % täsmällisempi nimi lihava savi (liSa)
Raekoostumus
Geotekninen maalajiluokitus perustuu suurelta osin raekoostumuksen selvittämiseen.
Raekoostumusta kuvataan rakeisuuskäyrällä, joka ilmaisee sen, miten suuri suhteellinen osuus maalajissa on tiettyä raekokoa pienempiä rakeita. Jokaista raekokoa vastaa tietty läpäisyprosentti. Rakeisuuskäyrä piirretään puolilogaritmiseen asteikkoon. Vaaka- akselilla on raekoko logaritmisella asteikolla ilmaistuna ja pystyakselilla on läpäisyprosentti lineaarisella asteikolla. Kuvassa 2.1 on tyypillisen salaojasoran rakeisuuskäyrä ja kuvassa 2.2 on eri kivennäismaalajeille tyypillisiä rakeisuusalueita.
Rakeisuuskäyrä:
1 0
0002 0£06 Thi» r(fi karkea hUjoo 0 karkea hieno 6 karkea sieniä/ 1
t
/ r
40% /
r
/ T
r
0%
0,0002 0,0006 0,002 3,006 0,02 0.C Raeko
74 5 ko (mm)
o PV OI 1 2 4 8 16 Poh
I
jara
29
12 64 TKK k. jamaan' .4.1998
ek
1
Kuva 2.1 Salaojasoran rakeisuuskäyrä
Siltti Hiekka
w 80
»* 60 Savet
4 Hiekat
Q0006 0.002 0006 002 Q06 0.2 0.6 Savi ,|— Siltti ---1--- Hiekka"
Siitit
Sorat
00006 0002 0.006 0.02 006 02 06 Savi 4--- Siltti ---(--- Hiekka
00006 0.002 0,006 002
Raekoko
Kuva 2.2. Kivennäismaalajien likimääräiset rakeisuus vyöhykkeet / 14. /
Rakeisuuskäyrän määrittämiseksi selvitetään maalajin lajitepitoisuudet kuivaseulonnan, pesuseulonnan, areometrikokeen tai näiden yhdistelmien avulla.
Kuivaseulonta tulee kysymykseen vain karkearakeisilla maalajeilla, joiden hienoainespitoisuus on pieni: 0,06mm:n läpäisy- % < 10 %. Seulasarjana käytetään yleensä ns. normaaliseulasarjaa, jonka läpäisyraekoot ovat 32mm, 16mm, 8mm, 4mm, 2mm, 1mm, 0,5mm, 0,25mm, 0,125mm ja 0,74mm. Seulat asetetaan päällekkäin suuruusjärjestyksessä alaspäin pienentyen. Kuivaa, mahdollisimman hyvin maalajia edustavaa näytettä mitataan seulalle 0,5-1,0 kg. Seulasarjaa tärytetään koneellisesti noin 10 minuuttia, jonka jälkeen mitataan jokaiselle seulalle jäänyt lajitemäärä. Näiden perusteella voidaan laskea raekokoja vastaavat läpäisyprosentit. Läpäisyprosentit piirretään rakeisuuskäyrän koordinaatistoon pisteiksi, jotka sitten yhdistetään viivalla rakeisuuskäyräksi.
Pesuseulonta on tarpeen silloin, kun hienoaines vaikeuttaa kuivaseulontaa. Hienoaineksen määrä tulisi pesuseulonnassakin olla alle 10 %. Pesuseulonnassa punnittu, kuivattu maanäyte sekoitetaan veteen, johon on lisätty pintajännitystä pienentävää ainetta. Seosta hämmentämällä saadaan maakokkareet hajoamaan. Samentunutta pesuvettä kaadetaan 0,074mm seulan läpi, jolloin tätä hienompi aines kulkeutuu seulan läpi. Pesua jatketaan kunnes pesuvesi on kirkasta. Seulalle jäänyt aines sekä pesuastiaan jäänyt aines
yhdistetään, kuivataan ja punnitaan. Punnitusten erotuksena saadaan pesutappio, joka on 0,074 millimetrin seulan läpäissyttä ainesta. Lopuksi näyte vielä kuivaseulotaan.
Areometrikoetta käytetään hienorakeisten maalajien rakeisuuden määrittämiseen.
Areometrikoe perustuu Stokesin lakiin, jonka mukaan kappaleen laskeutumisnopeus nesteessä on suoraan verrannollinen kappaleen keskimääräisen läpimitan neliöön. Tietty määrä näytettä lietetään veteen ja sekoitetaan huolellisesti. Tämän jälkeen liete jätetään laskeutumaan, jolloin lietteessä olevat maarakeet alkavat laskeutua Stokesin lain mukaisella nopeudella. Lietteen tiheys astian yläosassa pienenee ja tätä tiheyttä mitataan areometrillä määrätyin väliajoin. Areome tri mittausten avulla saadaan selville raekoot ja niiden läpäisyprosentit. Mikäli näyte sisältää runsaasti sekä hienoa että karkeaa ainetta, joudutaan maa-aines tutkimaan sekä seulonnalla että areometrikokeella, jolloin saadut
rakeisuuskäyrät yhdistetään.
2.2 VEDEN ESIINTYMINEN MAASSA
Maa on seos, joka koostuu kolmesta eri olomuodosta: kiinteä aines, neste sekä kaasu.
Kiinteä aines koostuu pääasiassa kivilajien mineraaleista, savihiukkasista, orgaanisesta materiaalista sekä liuoksen saostumista. Neste on tavallisesti vettä, johon on liuennut ioneja sekä orgaanisia yhdisteitä. Kaasu on yleensä ilmaa, joka voi olla osittain tai kokonaan vesihöyryn kyllästämää.
Maanpinnan alapuolella oleva vesi jaotellaan tavallisesti joko veden sitoutumistavan tai vertikaalisuunnassa erottuvien erilaisten esiintymisvyöhykkeiden perusteella. Eri esiintymisvyöhykkeiden ja sitoutumismuotojen väliset rajat eivät aina ole selkeitä.
Veden sitoutumismuodot
Maassa oleva vesi voi olla eri tavoin sitoutunutta. Nestemäisessä muodossa oleva vesi voidaan sitoutumistavan perusteella jakaa kolmeen eri ryhmään: adsorptiovesi, kapillaarivesi ja gravitaatiovesi.
Adsorptiovesi on tiukasti maahiukkasen pintaan sitoutunutta vettä. Se ympäröi maarakeita kalvoina, jonka lähinnä raetta olevat molekyylit ovat täysin suuntautuneita ja lujimmin sitoutuneita. Kalvon paksuus on joitakin kymmeniä molekyylejä. Adsorptiovesi ei liiku painovoiman vaikutuksesta, mutta rakeen pinnalta voi vettä siirtyä paksummasta kerroksesta ohuempaan kohti.
Kapillaarivesi on maahuokosiin pintajännityksen avulla sitoutunutta vettä. Huokosen koosta riippuen huokonen voi olla joko kokonaan tai osittain veden täyttämä.
Gravitaatiovesi eli ns. vapaa vesi voi liikkua maassa vapaasti painovoiman vaikutuksesta.
Vesihöyry on yksi maaperässä esiintyvä veden olomuoto ja sen liikkeen aiheuttavia voimia ovat ilmavirtaukset ja diffuusio.
Maan vesivyöhykkeet
Maaperässä veden esiintyminen voidaan jakaa neljään eri vyöhykkeeseen: maanpinnan kosteusvyöhyke, vajovesivyöhyke, kapillaarivyöhyke sekä pohjavesivyöhyke, vrt. kuva 2.3.
JOUHI-
VYÖHYKE :: • IMEYTYMINEN HAIHTUMINEN_____ . .
VAJOVESI
VYÖHYKE
-'i:-:: V-V-
VAJOVETTÄ
::y:\l;VwV-A
KAPILLAARI
VYÖHYKE .* It KAPILLAARISTA VETTÄ .1 li
* • • W POHJAYEDEHP1HTA. * ** *
POHJAVESI -
VYÖHYKE POHJAVETTÄ
KALLIO TAI VETTÄ LÄPÄISEMÄTÖN MAA
Kuva 2.3. Maan vesivyöhykkeet /14. /
Maanpinnan vesivyöhykkeessä vettä imeytyy maahan, mutta se voi myös palata takaisin ilmakehään haihtumalla. Vyöhykkeen alaraja voidaan määritellä mm. kasvillisuuden juuriston syvyyden perusteella. Vesi on joko höyrynä tai eri tavoin sitoutuneena. Vapaa
vesi voi liikkua eri suuntiin.
Vajovesivyöhyke on kapillaarivyöhykkeen yläpuolella ja siinä pinnalta peräisin oleva sitoutumaton vesi on vajoamassa alaspäin. Vettä voi esiintyä myös höyrynä, kapillaarivetenä ja absorptiovetenä.
Pohjavesivyöhykkeellä tarkoitetaan sitä maan osaa, jonka avoin tila sekä huokostila ovat kokonaan veden kyllästämät. Pohjavedenpinnan taso on yleisesti se korkeustaso, jolla veden paine on sama kuin ilmanpaine ko. tasolla. Vedellä kyllästynyttä maata voi olla myös pohjaveden pinnan yläpuolella etenkin hienorakeisissa maalajeissa. Savimailla kokonaan vedellä kyllästyneen maan yläpinta on yleensä paljon korkeammalla kuin varsinainen pohjaveden pinta. Pohjavesi esiintyy maaperässä laattamaisia kerroksina, joiden yläpinta myötäilee usein maaston muotoja yleisimmin 3-4 metrin syvyydellä maanpinnasta. Kapillaarivyöhykkeen huokostilassa on pohjavedestä kapillaarivoimien vaikutuksesta noussutta vettä. Kapillaarivyöhykkeen sisällä siirtyminen tapahtuu täysin vedellä kyllästyneestä maaperästä vedellä kyllästymättömään. Vyöhykkeen paksuus riippuu maalajin kapillaarisesta nousukorkeudesta ja sen yläpintaa kutsutaan märkärajaksi.
o 50
£ 100
* 200
1975
Kuva 2.4. Esimerkki pohjavedenpinnan vaihtelusta soramoreenissa /16. /
Pohjavedenpinnan taso vaihtelee eri vuodenaikoina runsaasti, vaihteluväli on yleensä 1...3 metriä, mutta voi olla jopa 3...4 metriä. Keväällä lumien sulamisen aikaan pohjaveden pinta nousee ja saavuttaa keväthuippunsa. Kesällä pohjavesi alkaa laskea kasvillisuuden vedenkäytön sekä haihtumisen vuoksi. Syyssateet saavat pohjaveden pinnan taas nousemaan ja syyshuippu saavutetaan yleensä marraskuussa. Talvella pakkaskausina osa pohjavedestä jäätyy ja myös lumena tuleva sade jää maanpinnalle, joten pohjavedenpinta alkaa laskea ja alimmillaan se on tavallisesti maaliskuussa. Eri vuosien välillä esiintyy myös suuria pohjavedenpinnan vaihteluita, sillä pohjavedenpinnan korkeus riippuu hyvin paljon ilmastollisista tekijöistä.
Maan kosteuspitoisuuteen liittyviä käsitteitä
Maaperä sisältää maa-aineksen lisäksi tavallisesti myös vettä sekä usein ilmaa. Maa koostuu siten kolmesta komponentista: kiinteä maa-aines, huokosvesi ja huokosilma.
Kuvassa 2.5 on esitetty maan eri komponenttien väliset merkinnät.
Tilavuus Huokosluku e
Huokoisuus n Massa
m»
Kuva 2.5. Maan eri komponentit 15.1
Kosteuspitoisuus
Vesi voi kiinnittyä maarakeeseen pääasiassa kahdella tavalla, kemiallisesti tai fysikaalisesti. Rakennustekniikan kannalta merkitsevämpää on fysikaalisesti sitoutunut vesi, jonka määrä saadaan selville esimerkiksi kuivaamalla maanäyte 105°C:n lämpötilassa. Maan kosteuspitoisuus saadaan laskemalla näytteestä haihtuneen veden massan suhde kuivatun näytteen massaan vrt. kaava 2.1. Kosteuspitoisuus ilmoitetaan prosentteina.
w _£Lw..loo (2.1)
md
missä mw on maanäytteen sisältämän veden massa md kuivan maanäytteen massa
Sora- ja hiekkamaalajeissa vesipitoisuus pohjavedenpinnan yläpuolella on noin 3...5 %, kun taas hienorakeisissa hiekoissa se voi olla noin 10 %. Moreenien vesipitoisuus on yleensä korkeampi kuin lajittuneissa maalajeissa. Sora- ja hiekkamoreenin luonnontilainen vesipitoisuus on tavallisesti noin 5...15 %. Hienorakeisissa moreeneissa vesipitoisuus on taas korkeampi, yleensä 15...35 %. Hienorakeisten maalajien vesipitoisuudet voivat vaihdella todella runsaasti. Siltin vesipitoisuus on tavallisimmin noin 30...50 % ja kuivakuorisaven 35...65 %.
Kvllästvsaste
Maan huokostilavuuteen lasketaan sekä veden että ilman täyttämien huokosten tilavuus.
Kyllästysasteella tarkoitetaan vedellä täyttyneiden huokosten osuutta kokonaishuokostilavuudesta vrt. kaava 2.2. Kyllästysaste Sr ilmaistaan prosentteina.
Sr(%) = —-100 (2.2)
X
missä Vw on veden täyttämä huokostilavuus Vh maan kokonaishuokostilavuus
Huokoisuus ia huokosluku
Huokoisuudella n tarkoitetaan maan huokosveden ja huokosilman yhteenlasketun tilavuuden suhdetta kokonaistilavuuteen prosentteina ilmaistuna, kuten kaavassa 2.3.
n(%) = ^ • mo ( 2.3 )
Huokosluvulla e tarkoitetaan maan kokonaishuokostilavuuden suhdetta kiinteän maa- aineksen tilavuuteen, eli kaavalla 2.4 ilmaistuna
Huokoisuuden ja huokosluvun välille voidaan kirjoittaa kaavan 2.5 mukainen yhteys e = n
100-n (2.5)
Kosteuden siirtyminen maassa
Kosteus voi siirtyä kolmessa eri muodossa: vesihöyrynä, vetenä ja joissain tapauksissa kiinteänä jäänä. Merkittävin kosteuden siirtymistapa on nestefaasissa tapahtuva kapillaarinen siirtyminen, joka on vallitsevana, kun maahuokoset ovat vedellä kyllästyneitä. Siirtyminen nesteenä loppuu kokonaan, kun kosteuspitoisuus putoaa alle tietyn arvon, jota kutsutaan aineen kriittiseksi kosteudeksi w^. Tällöin vesi ei enää muodosta yhtenäistä matriisia, vaan vettä esiintyy erillisinä alueina, jolloin vesivirta katkeaa.
Kapillaari- r Diffuusio nen liike 7 1
Kondensoituminen Höyrys
tyminen
Kuva 2.6. Yhtäaikaisen kapillaarisen liikkeen ja diffuusion periaate / 9. /
Höyryfaasissa kosteuden siirtyminen tapahtuu diffuusiona, jolloin siirtävänä voimana on vesihöyrypitoisuuksien ero. Diffuusiota tapahtuu makrohuokosissa, jolla tarkoitetaan huokosia, joiden halkaisija on suurempi kuin vesihöyrymolekyylien vapaa väli. Mikäli huokosissa on pelkästään ilmaa, kyseessä on puhdas diffuusio. Kun huokoset ovat osittain vedellä kyllästyneitä, siirtyminen tapahtuu osittain diffuusiolla ja osittain kapi 11 aarisesti vrt.
kuva 2.6.
Maalajin routivuus
Roudalla tarkoitetaan maassa olevan jäätymisen johdosta kovettunutta maakerrosta.
Maassa oleva vesi alkaa jäätyä maan lämpötilan laskettua alle 0° C. Tällöin maa routaantuu. Maan geotekniset ominaisuudet muuttuvat, etenkin maan lujuus kasvaa. Jos routaantumisen yhteydessä maan vesipitoisuus ja tilavuus kasvavat ja syntyy pinnan kohoilua, puhutaan routimisesta. Jäätyneen maakerroksen paksuutta sanotaan roudan syvyydeksi ja kerroksen alarajapintaa routarajaksi.
Routiessa maan jääkerrokseen nousee kapillaarisesti vettä useimmiten pohjavedestä.
Routivilla maalajeilla on suuri kapi Häärinen nousukorkeus. Routivuuden rajana on pidetty yhden metrin kapillaarista nousukorkeutta / 5. /. Tämän edellytyksenä on taas hienorakeisuus tai ainakin melko runsas hienoainespitoisuus sekä maan tiiveys. Toisaalta hyvin runsas hienoainespitoisuus tekee maan huonosti vettäläpäiseväksi, jolloin routakerrokseen nousevat vesimäärät jäävät pieniksi. Tästä syystä esimerkiksi lihavassa savessa jääkerrokset ovat ohuita ja routavauriot pieniä.
Maalajin routivuus määräytyy pääasiassa maan rakeisuuden perusteella. Kuvassa 2.7 on esitetty Pohjarakennusohjeiden mukaiset routivuusalueet.
Siltti Hiekka Sora
:S 40
0,006 0,02 0,06 20 mm 64
Raekoko
Kuva 2.7 Maalajien routivuus IY1.I
Raekoon lisäksi tärkeitä tekijöitä ovat 0,02 mm pienempien rakeiden suhteellinen osuus sekä rakeisuuskäyrän muoto. Maalaji katsotaan usein routivaksi, jos se sisältää raekooltaan 0,02 mm hienompaa ainesta enemmän kuin 3 paino- % laskettuna 2 mm pienempien rakeiden määrästä. Kaikki maalajit, joiden rakeisuuskäyrät ovat alueella 1, ovat routivia. Maalaji, jonka rakeisuuskäyrä sijaitsee alueilla 2, 3 tai 4 on routimaton, mikäli käyrän alapää ei pääty kyseisen alueen vasemmanpuoleisen käyrän yläpuolelle.
Ruotivuuden lisäksi tärkeä tekijä on roudan syvyys, johon vaikuttavat ulkoilman lämpötilan alhaisuus ja sen kesto, maan 1 ämmönjohtokyky ja vesipitoisuus ja suojaava kasvi- ja lumipeite. Kuivassa ja karkearakeisessa maassa routa etenee nopeammin ja syvemmälle kuin runsaasti vettä sisältävässä hienorakeisessa maassa. Tämä johtuu siitä, että kuivan maan jäätymislämpö eli jäätymisessä vapautuva lämpömäärä on pienempi kuin märän maan jäätymislämpö. Koska jäätyneen maan lämmönjohtavuus on suurempi kuin sulan maan, ja koska hiekan ja soran lämmönjohtavuus on huomattavasti suurempi kuin savella, on samalla pakkasmäärällä roudan syvyys hiekassa suurempi kuin savessa.
Routivia maalajeja ovat käytännössä siltti, silttimoreeni ja laiha savi. Routimattomia ovat hiekka ja sora sekä niitä karkeammat maalajit.
2.3 VEDENLÄPÄISEVYYS
2.3.1 Yleistä virtauksesta
Virtausmekaniikassa nesteillä tarkoitetaan paitsi “varsinaisia” nesteitä myös “kaasumaisia”
nesteitä esimerkiksi ilmaa. Virtaukset jaetaan kokoonpuristuvuuden perusteella kokoonpuristumattomiin sekä kokoonpuristuviin virtauksiin. Kokoonpuristuvuudella tarkoitetaan nestealkioiden tilavuuden muutosta. Varsinaiset nesteet ovat vähäisessä määrin kokoonpuristumattomia, kun taas kaasujen tilavuuteen paineen muutokset vaikuttavat voimakkaasti. Varsinaisia nesteitä voidaan pitää yleensä kokoonpuristumattomina, mikä helpottaa virtauksen käsittelemistä.
Virtaus jaetaan virtauksen pyörteisyyden perusteella laminaariseen sekä turbulenttiseen virtaukseen. Nestevirtaus on laminaarista, kun virtaus tapahtuu kuvitelluissa kerroksissa ilman kerrosten välistä sekoittumista. Turbulenttisessa virtauksessa tapahtuu kerrosten välistä sekoittumista ja nestealkioiden radat mutkittelevat runsaasti kuten kuvassa 2.8.
TURBULENTTINEN VIRTAUS LAMINAARINEN VIRTAUS
Kuva 2.8. Nestealkioiden radat laminaarisessa ja turbulenttisessa virtauksessa / 23./
Virtauksen muuttumista laminaarisesta turbulenttiseksi voidaan arvioida Reynoldsin luvun Re avulla. Reynoldsin luku määritetään seuraavasti:
Re = -^Ä (2.6)
V
jossa v on virtausnopeus (m/s) p nesteen tiheys (kg/m3) Lc karakteristinen pituus (m)
7) dynaaminen viskositeetti (Ns/m2)
Putkessa tapahtuvan ilmavirtauksen yhteydessä käytetään karakteristisen pituuden sijasta hydraulista halkaisijaa, joka määritellään putken poikkileikkausalan ja ns. märkäpiirin avulla:
d= 4A/R
Taulukossa 2.4 on esitetty muutamien poikkileikkausmuotojen hydraulisia halkaisijoita.
Taulukko 2.4. Hydraulinen halkaisija muutamille eri poikkileikkausmuodoille.
Poikkileikkausmuoto d
Ympyrä (halkaisijaa) Suorakaide (sivut aja b) Yhdensuuntaiset tasot ( väli b )
a
2ab / ( a + b ) 2b
Reynoldsin luvun kasvaessa muuttuu virtaus laminaarisesta turbulentti seksi. Koska selvää rajaa ei voida havaita, määritellään ns. siirtymäalue, jonka alapuolella virtaus on laminaarista ja yläpuolella turbulenttista. Putkivirtauksessa siirtymäalueen rajoina käytetään 2300 ja 3500.
2.3.2 Virtaus huokoisessa aineessa
Kaikki huokoiset aineet ovat ainakin jossain määrin vettäläpäiseviä. Maalajit koostuvat maarakeista ja niiden välisestä huokostilasta, joka muodostaa 3-uloitteisen huokoskanaviston. Huokoisessa aineessa tapahtuvaa virtausta ei pystytä täysin kuvaamaan fysikaalisten perusyhtälöiden avulla. 1800-luvun lopulla Henry Darcy tutki veden virtausta hiekkakerrostumissa. Näiden tutkimusten perusteella on kehitetty Darcyn laki, jonka mukaan homogeenisen nesteen tilavuusvirta on kaikkialla huokoisessa aineessa riippuvainen paikassa vaikuttavasta painegradientista. Darcyn laki voidaan yksiulotteisessa tapauksessa kirjoittaa muodossa:
Q = -AVp (2.7)
V
missä Q on tilavuusvirta ( m3 / s )
K huokoisen aineen läpäisevyys eli permeabiliteetti ( m2) Vp painegradientti ( Pa / m )
A poikkipinta-ala ( m2)
77 nesteen dynaaminen viskositeetti ( Ns / m2)
Darcyn laki on voimassa vain kun virtaus on kokoonpuristumatonta ja laminaarista.
Läpäisevyys K on materiaalikohtainen ja riippumaton viilaavasta nesteestä. Sekä viilaavan nesteen että huokoisen väliaineen ominaisuuksista riippuu läpäisevyyskerroin k, esimerkiksi maan vedenläpäisykerroin kw. Maan vedenläpäisevyys määritetään sen nestepatsaan pituutena, joka aikayksikössä virtaa vastaavan pintayksikön suuruisen poikkileikkauksen kautta hydraulisen putouksen ollessa yksi. Määritelmä perustuu Darcyn lakiin ja se voidaan esittää muodossa
v = ki ( 2.8 )
jossa
v veden nopeus (m/s) k vedenläpäisevyys (m/s) i hydraulinen gradientti
Darcyn laki on voimassa vain täysin vedellä kyllästyneessä maassa ja laminaarisen virtauksen alueella. Vedenläpäisevyyden arvoa ei voi käyttää, kun lasketaan kapillaarisesti siirtyvän veden määrää. Vesi siirtyy kapillaarisesti ainoastaan huokoskanaviston ohuimmissa putkissa, joten vedenläpäisevyyden k avulla laskettu siirtyvä vesimäärä on paljon suurempi kuin kapillaarisesti siirtyvä, etenkin karkearakeisilla maalajeilla.
2.3.3 Maalajien vedenläpäisevyys
Eri maalajien vedenläpäisevyys ominaisuudet vaihtelevat suuresti. Maalajit jaetaan vedenläpäisevyyden perusteella kolmeen ryhmään
• hyvin vettäläpäisevät
• huonosti vettäläpäisevät
• lähes vettäläpäisemättömät
Kivennäismaalajien vedenläpäisevyyden arvoja on esitetty taulukossa 2.5.
Taulukko 2.5. Kivennäismaalajien vedenläpäisevyysarvoja / 3. /
Maalaji Vedenläpäisevyys k (m/s)
Sora © © Hyvin vettäläpäisevä
Hiekka 10 ...10"6 Hyvin vettäläpäisevä
Siltti 10'5...10"y Huonosti vettäläpäisevä
Savi 10"8...10"'° Lähes vettäläpäisemätön
Maan vedenläpäisevyys riippuu monesta eri tekijästä. Tärkeimpinä näistä tekijöistä ovat raekoko, maan tiiviys ja rakenne, rakeiden muoto ja raejakauma. Maan ominaisuuksien lisäksi vedenläpäisevyyteen vaikuttavat nesteen ominaisuudet, kuten ominaispaino ja dynaaminen viskositeetti.
Raekoko vaikuttaa voimakkaimmin maan vedenläpäisevyyteen. Maalle ilmoitetaan usein ns. tehokas raekoko, jonka määritelmä vaihtelee eri lähteissä. Paljon käytettyjä ovat dio, d5 ja dso. Kirjallisuudesta löytyy useita eri teorioita, kuinka rakeisuuskoostumuksen perusteella voi arvioida vedenläpäisevyyttä. Hyvin yleinen on Hazenin kaava, jonka mukaan suhteellisen tasarakeisella hiekalla läpäisevyys on suoraan verrannollinen tehokkaan raekoon dio neliöön / 5. /:
k = cd,20 (0,7 + 0,03 -r) (2.9)
missä dio on tehokas raekoko, mm T lämpötila, ° C
c vakio
Vakion c arvo voi vaihdella tasarakeisen maan arvosta 1,5 *10"2 lajittuneen tiiviin maan arvoon 0,6* 10"2.
Toinen tapa vedenläpäisevyyden laskemiseksi on käyttää kaavaa 2.10., johon dm sijoitetaan millimetreinä.
k = 0,01 • dio2 (m/s) (2.10)
Kaavojen antamat vedenläpäisevyyden arvot ovat suuntaa-antavia, ja tarkemmin maalajin vedenläpäisevyys määritetään laboratoriokokeen avulla.
Raekoon lisäksi vedenläpäisevyyteen vaikuttaa maalajin tiiviys, löyhällä maalla on huomattavasti suurempi vedenläpäisevyys kuin tiiviillä. Kuvassa 2.9 on esitetty vedenläpäisevyys tehokkaan raekoon suhteen.
TIIVIS LÖYSÄ
£ '0
=< 10
LAJITTUNEET MAAKERROKSET
> 10
0.002 0.006 0.02 0.06 02 0.6 2 6 20 TEHOKAS RAEKOKO 0,0 mm
Kuva 2.10. Tiiveyden vaikutus vedenläpäisevyyteen tehokkaan raekoon funktiona 13./
Väliaineen partikkeleiden suhteellinen jakauma eli rakeisuusjakauma vaikuttaa vedenläpäisevyyteen. Mikäli maa sisältää runsaasti sekä pieniä että isoja rakeita, täyttävät pienet rakeet isojen rakeiden väliin jääneet huokoset, mikä hidastaa veden kulkua kanavistossa ja pienentää läpäisevyyttä. Sen sijaan tasarakeisessa maassa rakeiden väliin jää runsaasti huokoisia. Rakeiden muodolla on myös vaikutusta ilmanläpäisevyyteen.
Pyöreämuotoisia rakeita sisältävien aineiden huokoisuus on yleensä paljon suurempi kuin Hiteistä rakeista muodostuneiden aineiden huokoisuus. Karkearakeiset maalajit ovat usein melko tasarakeisia ja raemuodoltaan tasamittaisia, joten niiden huokoisuus on suuri.
Maaperä on rakenteeltaan usein kerroksellista, joten sen läpäisevyys on erilaista vaaka- ja pystysuunnassa. Luonnontilaisessa kerroksellisessa maassa horisontaalinen Kx saattaa olla useita kertoja suurempi kuin vertikaalinen Ky / 5. /.
Virtaavan nesteen tilavuuspaino sekä viskositeetti vaikuttavat tilavuusvirran määrään.
Lämpötilan nousu pienentää veden dynaamista viskositeettia, jolloin tilavuusvirta suurenee muiden tekijöiden pysyessä muuttumattomana. Tilavuuspainon lisääntyminen pienentää virtauksen määrää. Tilavuuspainon tai lämpötilan muuttumisella ei ole oleellista vaikutusta, kun tarkastellaan maassa tapahtuvaa virtausta.
2.4 KAPILLAARISUUS
Kapillaarisuudella tarkoitetaan nesteen taipumusta tunkeutua ohuisiin putkiin, mikä johtuu nesteen ja ympäröivän seinämän välisestä vetovoimasta sekä veden pintajännityksestä.
Kapillaarinen siirtymisen voimana toimii kapi 11 aari sten voimien aiheuttama huokosalipaine. Huokosalipaineen suuruus riippuu huokosten koosta: mitä pienempi huokonen, sitä suurempi alipaine. Kapi 11 aari sten voimien johdosta pohjavettä kohoaa
maaperässä pohjaveden pintaa korkeammalle. Veden kohoaminen loppuu vasta kun vesimassaan kohdistuva painovoima on yhtä suuri kuin kapillaarivoimat. Kapillaarivoimat koostuvat veden ja kiinteän aineen välisistä vetovoimista sekä veden pintajännityksestä.
Kun kiinteän aineen ja veden välinen vetovoima on suuri, muodostuu kapillaarihuokoseen kovera vesipinta ns. mensiskus, jossa vallitsee alipaine.
Kuva 2.11 Nousu kapilaariputkessa
Kapilaarisen nousun edellytyksenä on, että reunakulma 0 on suurempi kuin 90°, kuva 2.10.
Pintajännitysten pystysuuntainen komponentti huokosen kehällä on ø • cosØ, ja ylöspäin suuntautunut voima on siten o -cosØ- 2nr. Pinta-alaa kohden vaikuttaa voima
p = — cosØ (2.11 )
r
jossa 0 on seinämän ja vedenpinnan välinen kulma r on huokosen säde
G on seinämän ja vedenvälinen pintajännitys
Vesipatsas saavuttaa kapi 11 aari sen nousukorkeutensa, tällöin sen pinta on kohtisuorassa seinämää vastaan, jolloin cos 0=1.
2.4.1 Kapillaarinen nousukorkeus
Kapillaari sella nousukorkeudella tarkoitetaan tasapainotilaa, jossa huokosalipaine on tasapainossa maanvetovoiman kanssa. Kapilaarinen nousukorkeuden arvo ei ole mikään yksi tietty arvo kullekin materiaalille, vaan esimerkiksi maalajeilla voidaan erottaa neljä erilaista kapillaarisuuden arvoa:
- hay kostamisen yhteydessä esiintyvä ylempi kapillaarinen nousukorkeus - haa kostumisen yhteydessä esiintyvä alempi kapillaarinen nousukorkeus - hpy kuivumisen yhteydessä esiintyvä ylempi kapillaarinen nousukorkeus - hpa kuivumisen yhteydessä esiintyvä alempi kapillaarinen nousukorkeus
Näiden nousukorkeuksien arvoja ei pystytä tarkasti määrittelemään ja olennaista onkin vesipitoisuuden vähittäinen pieneneminen ylöspäin mentäessä. Kapillaarisuuskokeissa silmämääräisesti havaittava raja on lähellä alempaa kapillaarisen nousukorkeuden arvoa.
Kun materiaali kastuu ja vesi nousee kapillaarisesti, ilmiötä sanotaan aktiiviseksi kapillaarisuudeksi, ja materiaalin kuivuessa ja veden laskiessa ilmiötä kutsutaan passiiviseksi kapilaarisuudeksi. Näiden välinen ero johtuu siitä, että kapi Häärinen nousu usein pysähtyy kun kapillaariputkessa on jokin häiriö, esimerkiksi paksunnos. Kuivuessa vesipinta saattaa jäädä yllämainitun häiriön yläpuolelle. Aktiivisesta ja passiivisesta kapillaarisuudesta johtuu mm. sorptiokäyrän hystereesi, toisin sanoen kappaleen tasapainokosteus on kuivuessa suurempi kuin kastuessa.
Kuva 2.12 Kapillaarinen nousukorkeus maa-aineksella täytetyssä putkessa.
Maan kapillaarinen nousukorkeus on suoraan verrannollinen pintajännitykseen ja kääntäen verrannollinen huokosputken läpimittaan. Maassa kapillaariputkina toimivat rakeiden väliset huokoset. Kun maalajissa huokoskanavien läpimitta tavallisesti kasvaa raekoon kasvaessa, niin kapillaarinen nousukorkeus on kääntäen verrannollinen maalajin raekokoon. Kaavalla 2.12 voidaan arvioida hiekan ja soran kapillaarista nousukorkeutta hc / 13/.
hr= 30-10 6 ( l/n -1 )/dw (2.12) jossa n on huokoisuus
dio tehokas raekoko, läpäisyprosenttia 10 vastaava raekoko [mm]
Maan kapillaarista nousukorkeutta voidaan arvioida myös kaavalla 2.13 h = C
e • di0 (2.13)
jossa e on huokosluku
dio tehokas raekoko, läpäisyprosenttia 10 vastaava raekoko [mm]
C kokeellinen kerroin ( 1-5 )
Rakeiden koon lisäksi kapillaarisuuteen vaikuttavat myös maalajien kerrostuminen, tiiviysaste sekä lämpötila.
Maan tiiviydellä on suuri merkitys kapillaarisuudelle. Yllä olevissa kaavoissa tiiviyden merkitystä kuvataan huokoisuudella n, huokosluvulla e sekä kertoimella C, jonka arvo riippuu rakeiden muodosta ja järjestäytymistavasta.
Lämpötilan nousu pienentää pintajännitystä ja hieman nesteen tiheyttä. Pintajännityksen pieneneminen vähentää hieman kapillaarista nousua, ja periaatteessa nesteen tiheyden pieneneminen taas kasvattaa nousukorkeutta. Käytännössä lämpötilan vaikutus on hyvin vähäinen ja se voidaan yleensä jättää huomioimatta.
Savilla kapillaarinen nousukorkeus voi olla useita kymmeniä metrejä, mutta nousunopeus on hyvin pieni. Kapil laari suuden vuoksi savimaa on vedellä kyllästettyä pohjaveden pinnan yläpuolella eikä pohjaveden pinnan tasoa pystytä havaitsemaan vesipitoisuuden äkillisenä nousuna. Taulukossa 2.4 on esitetty kapillaarinen nousukorkeus eri maalajeissa Taulukko 2.6. Maalajien kapillaarinen nousukorkeus /3/
Maalaji Raekoko (mm) Kapillaarinen nousukorkeus (m)
lövhä tiivis
Savi < 0,002 >8 >10
Hieno siltti 0,002... 0,02 4...10 6...12
Karkea siltti 0,02... 0,06 1,5...5 2,5...8
Hieno hiekka 0,06...0,2 0,3...2 0,4...3,5
Hiekka 0,2...0,6 0,10...0,35 0,12...0,50
Karkea hiekka 0,6...2 0,03...0,12 0,04...0,15
2.4.2 Kapillaarinen imunopeus
Kapillaarisessa imussa vapaasta veden pinnasta etenee kosteusrintama aineeseen.
Ideaalitapauksessa aine on kuivaa kosteusrintaman etupuolella ja vedellä kyllästettyä vesirintaman takana. Vesirintaman etenemisnopeutta voidaan approksimoida kaavalla
(2'14)
Imeytynyt vesimäärä G [kg/m2] tietyn ajan jälkeen on tällöin
G = B-Jt (2.15)
B on aineen kapillaarisuusluku, jonka yksikkö on kg/(m2-4t). Yhtälö 2.15 voidaan graafisesti esittää asettamalla x-akselille -Jt ja imeytynyt vesimäärä y-akselille.
4.00
E 2.00
0 100 200 300 400 500 600 700
aika, tA1/2
Kuva 2.13. Kapillaarisesti imeytyvä vesi ajan neliöjuuren funktiona
Kuvassa 2.13 on esimerkkinä saveen imeytyneen vesimäärän mittaus. Aika-akselilla on ajan neliöjuuri. Aikayksikkönä on sekunti. Kaavalla 2.15 kapillaarisuusluvuksi saadaan B=0,156 kg/m2Vt , joka on samaa suuruusluokkaa kuin kalkkihiekkakivellä 0,18 kg/m2Vt ja tiilellä 0,37 kg/mNt 712/.
3 RYÖMINTÄTILAN LÄMPÖ- JA KOSTEUSTEKNINEN KÄYTTÄYTYMINEN
3.1 RYÖMINTÄTILAN LÄMPÖ- JA KOSTEUSOLOT
Ryömintätilan suunnittelun tavoitteena on ympäri vuoden olosuhteiltaan riittävän lämmin ja kuiva ryömintätila. Ryömintätilan toimivuuteen vaikuttavista tekijöistä tärkeimmät ovat lämpö- ja kosteusolosuhteet, jotka liittyvät läheisesti toisiinsa. Ryömintätilan rakennusfysikaaliseen käyttäytymiseen vaikuttaa lukuisia tekijöitä, joita ovat muun muassa:
• rakenteelliset ratkaisut
• rakenne, materiaalit
• sokkelin korkeus, lämmöneristys ja korkeusasema maan pintaan nähden
• kosteuslähteisiin liittyvät tekijät
• pohjaveden pinnan taso
• ryömintätilan materiaali kerrokset
• sadevesijärjestelmän toimiminen
• sulamis-ja valumisvesien mahdollinen kulkeutuminen ryömintätilaan
• salaojien toiminta
• maata vastaan olevat ainekerrokset
• haihdunnan estäminen maapohjasta
• eloperäinen materiaali ryömintätilassa, putkistot
• tuuletukseen liittyvät tekijät
• tuuletustapa
• rakennuksen sijainti tuuleen nähden ja ympäröivä kasvillisuus
• tuuletusaukot
• ryömintätilan korkeus
• ryömintätilaa ympäröivien rakenteiden lämpötekniset ominaisuudet
• alapohjan ilmanpitävyys
Ryömintätilan olosuhteisiin voidaan vaikuttaa joko ilmanvaihdon tai rakenteellisin ratkaisujen avulla. Liian suuri ilmanvaihtuvuus poistaa yleensä liiallista kosteutta tehokkaasti, mutta samalla se viilentää ryömintätilaa. Viileä ryömintätila aiheuttaa suhteellisen kosteuspitoisuuden nousun sekä alapohjan suuren lämpöhäviön. Liian pienellä ilmanvaihtuvuudella ilman suhteellinen kosteuspitoisuus nousee rakenteille vaaralliselle alueelle.
Ryömintätilan ja sitä ympäröivien rakenteiden ja maaperän välillä esiintyvät ilmavirtaukset johtuvat paine-eroista, joiden aiheuttaja voi olla esimerkiksi pintaan kohdistuva ilmavirtaus tai rakenteen eri puolilla vallitseva lämpötilaero. Kuvassa 3.1 on esitetty ryömintätilassa esiintyvät mahdolliset ilmavirtaukset, jotka kuljettavat mukanaan lämpöä ja kosteutta.
Kuva 3.1 Ilmavirtaukset ryömintätilan ja sen ympäristön välillä /18 /
• ryömi n tätilän ja ulkoilman välinen ilmavirta perusmuurin läpi (A)
• ilmavirta tuuletusaukoista (B)
• ryömintätilan ja huonetilan välinen ilmavirta alapohjan läpi (C)
• rungon ja alapohjan liitoksesta virtaava ilmavirta (D)
• maakerroksissa esiintyvät ilmavirtaukset (E)
Ryömintätilan lämpötilaan vaikuttavat voimakkaimmin virtaukset A, B, C ja D.
Virtauksen D suuruus riippuu rakenteiden liitosten tiiviydestä. Lämpö virta E ryömintätilasta maahan päin pitää maan sulana ja estää roudan leviämistä perustusten alle.
Kosteuden kannalta merkittävin on ilmavirtaus tuuletusaukoista. Myös maassa esiintyvät ilmavirtaukset voivat joissakin tapauksissa tuoda runsaasti kosteutta ryömintätilaan.
3.2 KOSTEUSLÄHTEET
Ilman suuri kosteuspitoisuus voi vaarantaa rakenteiden toimivuuden ja kestävyyden, etenkin puurakenteisissa, mutta myös muissa alapohjarakenteissa. Rakennusteknisesti järkevää olisi pitää ryömintätila niin kuivana kuin mahdollista. Kosteuden poistumiseen vaikuttaa ilmanvaihdon tehokkuus, mutta ryömintätilan kosteuspitoisuutta voi vähentää myös rakenteellisin keinoin.
Ryömintätilan kosteuslähteitä ovat
• maaperän kosteus
• ilmanvaihdon mukana tuleva kosteus
• sisäilman kosteus
• rakennekosteus
• sade-ja pintavedet
• putki stovuodot
Maaperästä peräisin oleva kosteus
Maaperästä haihtuva kosteus on useimmiten suurin kosteuden tuottaja ryömintätilassa.
Mikäli maa on vielä kapillaarisesti vettä nostavaa ja pohjaveden pinta on lähellä maanpintaa, haihtuminen on todella runsasta ja maanpinta hyvin märkä. Joskus esiintyy jopa lammikoitumista, mutta usein lammikot ovat merkkinä kosteusvauriosta rakenteessa.
Haihtumisella tarkoitetaan nestemäisessä tai kiinteässä olomuodossa olevan veden muuttumista vesihöyryksi. Haihtuminen sitoo energiaa, joten jatkuvasti haihduttavaan pintaan on kohdistuttava energiavirta, joka yleensä saadaan auringon säteilynä tai lämmön kulkeutumisena ilmasta tai maasta. Liikkeille panevana voimana on vesihöyrynpaine-ero, jonka täytyy säilyä, jotta haihtumista tapahtuisi jatkuvasti. Vesihöyryn paine-eron säilyttämiseksi vesihöyryn tulee kulkeutua pois, joten myös pinnan yli kulkevalla ilmavirtauksella on vaikutusta haihtumistapahtumaan.
Maapinnalta haihtuvan kosteuden määrään vaikuttavat ryömintätilan ilman kosteus ja lämpötila, maan lämpötila ja ominaisuudet, pinnan yli kulkevan virtauksen voimakkuus, säteily maan pinnalle sekä maapohjan kosteus. Maapohjan kosteuteen vaikuttavat pohjaveden pinnan korkeus, maaperän kapillaarinen nousukorkeus sekä mahdolliset pinta- ja valumavedet. Suurimmillaan haihtuminen on yleensä vapaasta vedenpinnasta. Maasta haihtuvan kosteuden määrän rajoittava tekijä on joko maan kyky siirtää pintaan vettä tai tuuletuksen kyky poistaa haihtunut vesihöyry maanpinnalta.
Lämpötilan nousu lisää maapohjasta haihtuvan veden määrää. Mitä lämpimämpää ryömintätilan ilma on, sitä enemmän siinä on kosteuspotentiaalia vastaanottaa maasta haihtuva kosteus. Mikäli ilmanvaihtoa tehostetaan, myös ilman virtaus maan pinnalla kasvaa. Tällöin maasta haihtuva kosteus ei pysty kyllästämään pinnan yläpuolella olevaa ilmaa. Maan ja ilman välinen kosteuseropotentiaali säilyy siirtävänä voimana.
Rajoittavaksi tekijäksi muodostuu maan kyky kuljettaa vettä maan pinnalle. Tähän vaikuttavat erityisesti pohjaveden pinnantaso sekä maapohjan kapillaarinen nousukorkeus ja -nopeus sekä vedellä kyllästyneessä maassa vedenläpäisevyys.
Ryömintätilaan maaperästä tulevaa kostetta voidaan vähentää katkaisemalla kapillaarinen vedennousu esimerkiksi karkearakeisella maalajikerroksella, muovikalvolla tai lämmöneristekerroksella.
Karkearakeisen maalajikerroksen paksuus on oltava noin kaksinkertainen maalajin kapillaari seen nousukorkeuteen verrattuna. Sepeliä tai soraa käytettäessä on käytettävä pestyä maa-ainesta, sillä mikäli maarakeiden pinnalla on runsaasti hienoainesta kapillaarinen nousukorkeus voi olla moninkertainen verrattuna puhtaan soran tai sepelin nousukorkeuteen. Kuvassa 3.2 on esitetty salaojasoralta vaadittava rakeisuuskäyräalue /16/. Salaojasoran rakeisuuskäyrän tulee olla alueella 1, mikäli pohjaveden pinta saattaa ainakin ajoittain nousta sorakerrokseen tai sivuilta voi virrata runsaasti vettä sorakerrokseen. Soraa, jonka rakeisuuskäyrä on alueella 2, voidaan käyttää mikäli pohjaveden pinta ei pääse nousemaan salaojakerrokseen asti eikä sivuilta ole odotettavissa suuria vajovesimääriä.
Hiekko
0,0010002 0,005 Ci.Ot 002 0.04 0,074 0.12S 0.25 0 5 32 64 100
I Kivel
Kuva 3.2 Salaojasoran rakeisuuskäyräalue
Muovikalvo levitetään ryömintätilan pohjalle niin että se viettää salaojitukseen päin, jolloin veden kertyminen kalvon päälle estyy. Kalvo on irrotettava perusmuurista, jotta ryömintätilan rakenteisiin mahdollisesti tiivistyvä kondenssivesi pääsee imeytymään maahan. Samoin on varmistuttava siitä, etteivät sade- ja valumavedet jää seisomaan muovikalvolle.
Lämmöneristekerros voi olla esimerkiksi kevytsoraa, mineraalivillaa tai solumuovia.
Kosteilla maalajeilla on syytä käyttää kosteutta heikosti läpäiseviä lämmöneristeitä, polystyreeniä tai polyuretaania. Lämmöneristekerroksen käyttö on perusteltua sillä, että ryömintätila lämpenee paremmin kesällä, jolloin suhteellinen kosteuspitoisuus ei nouse niin suureksi. Samoin eristyskerroksen käytöstä on hyötyä, sillä eristeen alla oleva maanpinta pysyy viileänä, mikä vähentää veden haihtumista. Lisäksi eristys toimii talvisin perustusten routasuojana.
Ilmanvaihdon mukana tuleva kosteus
Tuuletuksen tarkoituksena on ylimääräisen kosteuden poisto ryömintätilasta. Koska tuuletus yleensä alentaa ryömintätilan lämpötilaa, se on pyrittävä pitämään mahdollisimman vähäisenä, mutta riittävänä. Yleisesti tuuletuksen lisäys vähentää ilman kosteuspitoisuutta. Lämpiminä kesäpäivinä ryömintätilan ilman lämpötilat ovat usein ulkoilman lämpötiloja alhaisempia, mikä johtuu maapohjan alhaisista lämpötiloista sekä alapohjan hyvästä lämmöneristyksestä. Ulkoilman suhteellinen kosteuspitoisuus on pieni, mutta absoluuttinen kosteuspitoisuus on suuri. Kun tällaisella ilmalla tuuletetaan viileää ryömintätilaa, tiivistyy vesihöyry ryömintätilan kylmille pinnoille, useimmiten viileimmälle maanpinnalle. Kosteusvirran suunta on ulkoa ryömintätilaan päin.
Sade-ia pintavedet
Sade- ja pintavesien pääsy ryömintätilaan tulisi estää. Varmin tapa estää veden pääsy ryömintätilaan on rakennuksen perustaminen siten, että ryömintätilan maapohja on
korkeammalla kuin ympäröivä maanpinta. Näin onkin tehty usein vanhemmissa pientaloissa, joissa ryömintätilan kosteusongelmat eivät ole kovin yleisiä.
Nykyisin käyttömukavuus, kustannustekijät ja kaavoituksessa määrätyt rakennusten korkeusasemat aiheuttavat sen, että rakennuksen alapohjan yläpinta tehdään usein melkein maanpinnan tasolle. Tällöin ryömintätilan pohja on paljon alempana kuin ympäröivä maanpinta, jolloin pinta- ja sadevedet voivat päästä ryömintätilaan, mikäli niitä ei ole johdettu asianmukaisesti sadevesijärjestelmään.
Rakennusta ympäröivän maanpinnan muotoilulla voidaan estää valumavesien pääsy perustusten alle. Maanpinta tehdään rakennuksesta poispäin viettäväksi vähintään 3 metrin matkalla kaltevuudella 1:20. Korkeuseron tulee olla vähintään 15 senttimetriä /17/, vrt.
kuva 3.3. Sadevesi ei saa päästä kulkeutumaan perustusrakenteisiin, joten rakennusta ympäröivä maanpinta tiivistetään vettä huonosti läpäiseväksi. Rakentamisen jälkeen maanpinta saattaa painua rakennuksen vierestä, mikäli seinän vierustat on tiivistetty huolimattomasti. Mikäli maastonmuodot viettävät rakennukselle päin, on rakennuksen ympärille tehtävä avo- tai salaoja, jota pitkin pintavedet johdetaan pois. Jos koko maaperä on alunperin huonosti tai ei ollenkaan vettäläpäisevää, on vaarana että vajovedet imeytyvät nopeammin rakennuksen sivuilla ja alla oleviin täytekerroksiin kuin itse pohjamaahan ja pääsevät tätä kautta tunkeutumaan ryömintätilaan.
Kuva 3.3 Maapinnan muotoileminen rakennuksen ulkopuolella / 27 /
Sisäilmasta peräisin oleva kosteus
Sisäilman kosteus siirtyy alapohjarakenteen eri puolilla vallitsevan vesihöyryn osapaine- eron aiheuttaman diffuusion vaikutuksesta rakenteen läpi. Ryömintätilaan diffuusion avulla siirtyvät kosteusmäärät ovat tavallisesti hyvin pieniä. Alapohjarakenteella on yleensä suuri vesihöyrynvastus, lisäksi huonetilan ja ryömintätila välinen vesihöyryn paine-ero on melko pieni, joten alapohjan läpi ei siirry kosteutta suuria määriä. Ajoittain ryömintätilan vesihöyrynpaine voi olla suurempi kuin huonetilan, jolloin kosteusvirta on huonetilaan päin. Diffuusiota merkitsevämpi kosteuden siirtymistapa saattaa olla ilmanpaine-erojen aiheuttama ilmavirtaus, joka kuljettaa kosteutta rakenteen saumojen ja rakojen kautta.
Tiivis alapohjarakenne estää myös ryömintätilassa mahdollisesti esiintyvän radonin ja hajujen kulkeutumisen huonetilaan.
Rakennekosteus
Rakentamisvaiheessa rakenteisiin jää aina ylimääräistä kosteutta, joka poistuu hitaasti kuivumalla. Tätä rakenteiden kuivumisesta peräisin olevaa kosteutta kutsutaan rakennekosteudeksi. Sen suuruus riippuu rakennusmateriaaleista sekä kuivumisasteesta.
Kivipohjaisilla rakennusaineilla, kuten betonilla ja laasteilla, haihtuvan kosteuden syy on valmistustekniikassa. Usein rakennusaineet, esimerkiksi puutavarat ja lämmöneristeet, ovat päässeet rakennusvaiheessa kastumaan puutteellisen suojauksen vuoksi, mikä aiheuttaa ylimääräistä rakennekosteutta. Rakennuskosteuden osuus ryömintätilan kosteudentuottajana voi olla merkittävä, varsinkin uusissa rakennuksissa.
Putkistovuodot
Ryömintätilaisen alapohjaratkaisun suuria etuja on se, että rakennuksen vesi- ja viemäriputket voidaan sijoittaa ryömintätilaan, jolloin niiden asennustyöt mutta ennen kaikkea huolto- ja korjaustyöt helpottuvat huomattavasti. Ryömintätilan kosteuspitoisuuden lisääntymisen ohella putkistovuodot saattavat aiheuttaa epämiellyttävän hajun tunkeutumista huonetiloihin saakka. Putkistovuodot olisikin välittömästi korjattava ja putkien kunto säännöllisesti tarkastettava. Kylmävesiputket on eristettävä vesihöyryn tiiviillä lämpöeristeellä, jotta lämmin ilma ei kondensoituisi kylmään putken pintaan.
3.3 RYÖMINTÄTILAN TUULETUS
Ryömintätilassa ilman kosteuspitoisuuden on pysyttävä riittävän alhaisena, jotta kosteuden aiheuttamilta vaurioilta vältyttäisiin. Tuulettamisen tarkoituksena on poistaa ryömintätilaan kertynyt ylimääräinen kosteus. Rakennusten veden- ja kosteudeneristysohjeiden mukaan koko ilmatila on tuuletettava niin, ettei kosteudesta ole haittaa rakenteen toiminnalle ja kestävyydelle. Ilmanvaihto on suunniteltava tapauskohtaisesti, eikä ilmanvaihtuvuudelle ole annettu minimiarvoa, sen sijaan tavoiteilmanvaihtuvuus on 0,5... 1 vaihtoa tunnissa. Ilmanvaihto on riittävä silloin, kun ilman suhteellinen kosteus ei ylitä 80 %. Tätä on usein pidetty raja-arvona, jonka alapuolella mikrobikasvuston edellytykset puuttuvat.
Ilman kosteuspitoisuuden pitäminen rakenteiden kannalta turvallisella tasolla voi vaatia voimakasta tuulettamista. Toisaalta liiallinen tuuletus lisää alapohjan läpi kulkevaa lämpöhäviötä, mikä ei ole energiataloudellisesti kannattavaa. Lisäksi on vaarana, että talvella ryömintätilan runsas tuuletus laskee ryömintätilan lämpötilaa niin paljon, että perustusten ympärillä oleva maa jäätyy ja syntyy routavaurioita. Ryömintätilan erilaiset tuuletustavat on esitetty kuvassa 3.4.
