Maanvaraisten alapohjarakenteiden kosteuskäyttäytyminen
Leivo, V.; Rantala, J. (2001)
Tampereen teknillinen korkeakoulu
2001
Rakennustekniikan osasto - Department of Civil Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-2011112914922
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-2011112914922
Tiivistelmä
Pohjamaa sekä yläpuoliset täyttö- ja salaojituskerrokset ovat maarakeiden välisten huokosten muodostaman enemmän tai vähemmän yhtenäisen onkaloverkoston kautta jatkuvassa yhteydessä kosteuslähteeseen eli pohjaveteen. Kosteuden liikkumista siinä säätelevät sekä maamateriaalin liittyvät ominaisuudet (raekoko ja –muoto ja tiiviys) että lämpötilan, veden- ja höyrynosapaineen muutokset.
Tutkituilla luonnonkiviaineisilla salaojasorilla ja hiekoilla materiaaliin sitoutui vettä hygroskooppisesti RH 100% alle 0,5 paino-%, kun kuivan materiaalin annettiin kastua. Vastaavasti moreeniin sitoutui noin 0,8 paino-%. Maamateriaaleilla on melko voimakas hystereesi-ilmiö, jonka vuoksi materiaalien tasapainokosteudet ovat jonkin verran suurempia, jos märän materiaalin annetaan kuivua RH 100%:ssa.
Tutkituilla maamateriaaleilla korkein kapillaarinen nousukorkeus oli hiekkamoreenilla, jonka lopullinen nousukorkeus oli selvästi yli kokeessa mitatun nousun eli > 0,7 m. Fillerin (hienon hiekan) kapillaarinen nousukorkeus on noin 0,6 m ja karkean hiekan h ≈ 0.25 m. II luokan salaojasoran h ≈ 0,5 m eli korkeampi kuin karkean hiekan, koska tutkitun näytteen hienoainespitoisuus oli selvästi suurempi. Laboratoriossa pestyn I luokan salaojasoran, jonka hienoainespitoisuus oli lähes 0, kapillaarista nousukorkeutta ei voitu pienuuden vuoksi mitata, silmämääräisesti se oli noin 5 cm. Materiaalin kapillaarisesti nostama vesimäärä riippuu materiaalin huokosluvusta. Suurimman vesimäärän vesilähteen pinnasta nosti filleri, jonka huokosluku suoritetuissa mittauksissa oli suurin e = 0.6 ja jossa vettä kuljettavia huokoskanavia näin ollen myös on runsaasti. Moreenin kuljettama vesimäärä on selvästi filleriä pienempi, mikä johtuu materiaalin huomattavasti pienemmästä huokosluvusta e ≈ 0,3.
Vaakasuuntaista kapillaarisuutta tutkittiin kapillaarisen rintaman etenemänopeuden ja siirtyvän vesimäärän suhteen. I luokan salaojasorassa ja sepelissä ei havaittu vaakasuuntaista kapillaarista veden etenemistä. Hiekoilla ja II luokan salaojasoralla ei kapillaarisessa etenemänopeudessa havaittu suuria eroja. Rintaman etenemänopeus koko tutkitun 1 m pituisen näytteen päähän asti oli noin 0,35 m/h. Hiekkamoreenissa, jossa veden liikettä hidastaa oleellisesti pienten huokosten aiheuttama virtausvastus, rintaman eteneminen oli selvästi hitaampaa kuin karkeampirakeisissa materiaaleissa. Kaikkien materiaalien osalta havaittiin selvä yhteys materiaalin huokosluvun ja vaakasuuntaisesti kapillaarivoimien vaikutuksesta siirtyvän veden määrän välillä.
Numeeristen mallinnusten perusteella 100 mm polystyreenilevyllä eristetyn maanvaraisen laatan alla eristeen eri puolilla on vielä 15 vuoden lämpökuorman jälkeen 3…4 Celsius-asteen lämpötilaero. Alapohjarakenteessa tapahtuva diffuusio riippuu rakenteen eri puolilla olevista vesihöyryn osapaine-eroista, jotka taas riippuvat lämpötilasta. Stationääritilan laskelmien mukaan tavanomaisimmat maanvaraiset alapohjarakenteet toimivat diffuusion kannalta moitteettomasti kun rakenteen alapuolisen maan lämpötila on alle +20 C rakennuksen sisälämpötilan ollessa ympäri vuoden noin +20 C. Maapohjan lämpötilan noustessa alapohjarakenteen läpi ylöspäin suuntautuva diffuusiovirta kasvaa. Vastaavasti riski kosteuden tiivistymiselle rakenteeseen tai yksittäisten materiaalien kriittisen kosteuspitoisuuden ylittymiselle suurenee. Alapohjarakenteessa on vesihöyryn tiivistymisriski, jos maan lämpötila nousee yli +20 C sisälämpötilan ollessa +20 C. Näin suuri maan lämpeneminen on mahdollista jos rakenteessa ei ole lainkaan lämmöneristystä tai pinta-alaltaan laajoissa laatoissa, joissa laatan keskialueella ei ole lämmöneristystä, tai jos laatan alla maassa kulkee lämpöputkia.
Keskeisimmät lähtökohdat suunniteltaessa uusia alapohjarakenteita ja kehitettäessä rakenteiden korjausmenetelmiä ovat: alapohjarakenteiden alla oleva salaojakerros on aina kosteaa (lähtökohtana tulee olettaa RH 100%), maapohja alapohjarakenteen alla ei saa lämmetä merkittävästi ylöspäin sisätilaan suuntautuvan diffuusion aiheuttaman vesihöyryn suuren kosteuspitoisuuden tai tiivistymisriskin vuoksi ja maanvaraisen alapohjarakenteen tulee pystyä haihduttamaan maasta mahdollisesti nouseva kosteus.
Tutkituilla luonnonkiviaineisilla salaojasorilla ja hiekoilla materiaaliin sitoutui vettä hygroskooppisesti RH 100% alle 0,5 paino-%, kun kuivan materiaalin annettiin kastua. Vastaavasti moreeniin sitoutui noin 0,8 paino-%. Maamateriaaleilla on melko voimakas hystereesi-ilmiö, jonka vuoksi materiaalien tasapainokosteudet ovat jonkin verran suurempia, jos märän materiaalin annetaan kuivua RH 100%:ssa.
Tutkituilla maamateriaaleilla korkein kapillaarinen nousukorkeus oli hiekkamoreenilla, jonka lopullinen nousukorkeus oli selvästi yli kokeessa mitatun nousun eli > 0,7 m. Fillerin (hienon hiekan) kapillaarinen nousukorkeus on noin 0,6 m ja karkean hiekan h ≈ 0.25 m. II luokan salaojasoran h ≈ 0,5 m eli korkeampi kuin karkean hiekan, koska tutkitun näytteen hienoainespitoisuus oli selvästi suurempi. Laboratoriossa pestyn I luokan salaojasoran, jonka hienoainespitoisuus oli lähes 0, kapillaarista nousukorkeutta ei voitu pienuuden vuoksi mitata, silmämääräisesti se oli noin 5 cm. Materiaalin kapillaarisesti nostama vesimäärä riippuu materiaalin huokosluvusta. Suurimman vesimäärän vesilähteen pinnasta nosti filleri, jonka huokosluku suoritetuissa mittauksissa oli suurin e = 0.6 ja jossa vettä kuljettavia huokoskanavia näin ollen myös on runsaasti. Moreenin kuljettama vesimäärä on selvästi filleriä pienempi, mikä johtuu materiaalin huomattavasti pienemmästä huokosluvusta e ≈ 0,3.
Vaakasuuntaista kapillaarisuutta tutkittiin kapillaarisen rintaman etenemänopeuden ja siirtyvän vesimäärän suhteen. I luokan salaojasorassa ja sepelissä ei havaittu vaakasuuntaista kapillaarista veden etenemistä. Hiekoilla ja II luokan salaojasoralla ei kapillaarisessa etenemänopeudessa havaittu suuria eroja. Rintaman etenemänopeus koko tutkitun 1 m pituisen näytteen päähän asti oli noin 0,35 m/h. Hiekkamoreenissa, jossa veden liikettä hidastaa oleellisesti pienten huokosten aiheuttama virtausvastus, rintaman eteneminen oli selvästi hitaampaa kuin karkeampirakeisissa materiaaleissa. Kaikkien materiaalien osalta havaittiin selvä yhteys materiaalin huokosluvun ja vaakasuuntaisesti kapillaarivoimien vaikutuksesta siirtyvän veden määrän välillä.
Numeeristen mallinnusten perusteella 100 mm polystyreenilevyllä eristetyn maanvaraisen laatan alla eristeen eri puolilla on vielä 15 vuoden lämpökuorman jälkeen 3…4 Celsius-asteen lämpötilaero. Alapohjarakenteessa tapahtuva diffuusio riippuu rakenteen eri puolilla olevista vesihöyryn osapaine-eroista, jotka taas riippuvat lämpötilasta. Stationääritilan laskelmien mukaan tavanomaisimmat maanvaraiset alapohjarakenteet toimivat diffuusion kannalta moitteettomasti kun rakenteen alapuolisen maan lämpötila on alle +20 C rakennuksen sisälämpötilan ollessa ympäri vuoden noin +20 C. Maapohjan lämpötilan noustessa alapohjarakenteen läpi ylöspäin suuntautuva diffuusiovirta kasvaa. Vastaavasti riski kosteuden tiivistymiselle rakenteeseen tai yksittäisten materiaalien kriittisen kosteuspitoisuuden ylittymiselle suurenee. Alapohjarakenteessa on vesihöyryn tiivistymisriski, jos maan lämpötila nousee yli +20 C sisälämpötilan ollessa +20 C. Näin suuri maan lämpeneminen on mahdollista jos rakenteessa ei ole lainkaan lämmöneristystä tai pinta-alaltaan laajoissa laatoissa, joissa laatan keskialueella ei ole lämmöneristystä, tai jos laatan alla maassa kulkee lämpöputkia.
Keskeisimmät lähtökohdat suunniteltaessa uusia alapohjarakenteita ja kehitettäessä rakenteiden korjausmenetelmiä ovat: alapohjarakenteiden alla oleva salaojakerros on aina kosteaa (lähtökohtana tulee olettaa RH 100%), maapohja alapohjarakenteen alla ei saa lämmetä merkittävästi ylöspäin sisätilaan suuntautuvan diffuusion aiheuttaman vesihöyryn suuren kosteuspitoisuuden tai tiivistymisriskin vuoksi ja maanvaraisen alapohjarakenteen tulee pystyä haihduttamaan maasta mahdollisesti nouseva kosteus.