Kiviaineksen laadun vaikutus asfalttipäällysteen nastarengaskulumiskestävyyteen
Tuomala, Anniina (2020)
Tuomala, Anniina
2020
Rakennustekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Civil Engineering, MSc (Tech)
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-08-20
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202008136473
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202008136473
Tiivistelmä
Nastarenkaat ovat ainoa päällysteen kulumista aiheuttava tekijä vilkasliikenteisillä teillä pohjoisissa olosuhteissa ja myös yksi merkittävimmistä tekijöistä niiden urautumisessa. Kiviaineksen laadulla on suuri vaikutus päällysteen nastarengaskulumiskestävyyteen, jota voidaan arvioida kiviaineksen kuulamyllyarvon tai päällystenäytteen Prall-arvon perusteella. Kiviaineksen muodon on havaittu vaikuttavan kiviaineksen kuulamyllyarvoon. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää kokeellisesti, miten asfalttikiviaineksen kuulamyllyarvo ja muoto vaikuttavat päällysteen kulumiskestävyyteen eli laboratorio-olosuhteissa Prall-arvoon. Samalla tarkasteltiin myös Prall-menetelmän laboratorion sisäistä toistettavuutta ja laboratorioiden välistä uusittavuutta.
Työn kirjallisuusselvityksessä on esitetty päällysteen nastarengaskulumiskestävyyttä mittaavien laboratoriomenetelmien kehitysprosessi sekä keskeiset johtopäätökset Prall-menetelmää käsitelleistä pohjoismaisista vertailututkimuksista. Lisäksi on tehty yhteenveto kiviaineksen ominaisuuksien ja päällysteen kulumiskestävyyden välistä yhteyttä käsitelleistä tutkimuksista. Tutkimuksen kokeellisessa osassa tehtiin yhteensä 100 Prall-testiä näytteille, jotka porattiin laboratoriossa valmistetuista SMA 16 -laatoista. Näytteissä karkeana kiviaineksena käytettiin kolmen eri louhoksen kiviainesta kolmella eri litteyslukutasolla. Näytteistä 90 tutkittiin Tampereen yliopiston laboratoriossa uudella modifioidulla PrallS-laitteella. Lisäksi kahdessa muussa suomalaisessa asfalttilaboratoriossa tutkittiin 5 näytettä vastaavilla laitteilla.
Kirjallisuusselvityksen perusteella Prall-arvon havaittiin korreloivan asfalttimassan karkean kiviaineksen kuulamyllyarvon kanssa. Tutkimuksessa 11,2/16 mm lajitteen kuulamyllyarvon suurentaminen 3 yksiköllä suurensi Prall-arvoa noin 4 yksikön verran. Suomessa käytössä olevan laskennallisen Prall-arvon kaavan havaittiin kuulamyllytasolla AN7 antavan lähes saman tuloksen kuin Tampereen yliopistossa tutkituilla näytteillä, kun taas kuulamyllytasolla AN10 kaavan havaittiin yliarvioivan kulumaa noin 3 yksikköä tutkittujen näytteiden tuloksiin verrattuna.
Asfalttimassan karkean kiviaineksen litteysluvun muokkaamisella ei havaittu olevan selkeää vaikutusta Prall-arvoon. Kahden louhoksen kiviaineksesta valmistettujen näytteiden Prall-arvo kasvoi hieman litteysluvun kasvaessa, kun taas yhdellä louhoksella Prall-arvo pieneni hieman litteysluvun kasvaessa. Kunkin louhoksen kiviaineksista valmistettujen näytteiden Prall-tulosten keskiarvo pysyi kuitenkin 1,4–2,1 yksikön sisällä, kun litteyslukua muokattiin 20 yksikköä. Tutkimuksen perusteella kiviaineksen litteyslukua modifioitaessa kuulamyllyarvo saattaa muuttua hieman enemmän kuin Prall-arvo. Tämä ei kuitenkaan suoraan tarkoita, että kiviaineksen muoto-ominaisuuksia parantamalla kuulamyllyarvo paranisi enemmän kuin valmiin päällysteen kulumiskestävyys. Murskausprosessissa tehtävällä muoto-ominaisuuksien parantamisella, kuten kubisoinnilla, voidaan vaikuttaa vain rajoitetusti kuulamyllyarvoon eli esimerkiksi muokata kuulamyllyluokan rajalla olevasta kiviaineksesta seuraavaan kuulamyllyluokkaan soveltuvaa asfalttikiviainesta. Lisäksi muoto-ominaisuuksia parantamalla voidaan parantaa epäsuorasti päällysteen nastarengaskulumiskestävyyttä, sillä esimerkiksi hyvämuotoisella kiviaineksella asfalttimassan tiivistettävyys paranee ja samalla päällysteen tyhjätila pienenee.
Tutkimuksessa Prall-tulosten laboratorion sisäinen hajonta ja laboratorioiden välinen hajonta havaittiin suuriksi. Tutkimuksessa 10 rinnakkaisnäytteen Prall-tuloksen vaihteluväli oli noin 4–10 yksikköä ja näistä määritetty laboratorion sisäinen toistettavuus oli keskimäärin 31 %. Prall-tuloksia vertailtiin myös kolmen asfalttilaboratorion välillä. Laboratorioiden välillä Prall-tulosten keskiarvoissa oli eroa 3–6 yksikköä, ja laboratorioiden välisillä vertailunäytteillä Prall-menetelmän toistettavuus oli 22 % ja uusittavuus 53 %. Standardin SFS-EN 12697-16 (2016) mukaiset toistettavuuden arvo 15 % ja uusittavuuden arvo 27 % ylittyivät siis tutkimuksessa huomattavasti.
Tutkimuksessa näytteen pinnan kivipeitteisyyden sekä pienien ja suurien kivien osuuden havaittiin vaikuttavan Prall-tulokseen. Tämän vuoksi näytteet olisi hyvä valokuvata ennen testiä ja testin jälkeen. Lisäksi tutkimuksen perusteella hajontaa tuloksiin voi aiheuttaa erot näytteiden tyhjätiloissa. Prall-menetelmään ehdotettiin lisättäväksi tarkastelua tilastollisesti poikkeavien ääriarvojen poistamisesta ja lisätestien tekemisestä suurien poikkeamien myötä. Lisäksi eri laboratorioiden Prall-laitteiden välisten tuloserojen syiden selvittämistä on syytä edelleen jatkaa. Jatkotutkimusaiheena esiin nousi kiviaineksen muodon ja kuulamyllyarvon vaikutus päällysteen nastarengaskulumiskestävyyteen tieolosuhteissa, esimerkiksi minikoetiejärjestelyillä toteutettuna.
Työn kirjallisuusselvityksessä on esitetty päällysteen nastarengaskulumiskestävyyttä mittaavien laboratoriomenetelmien kehitysprosessi sekä keskeiset johtopäätökset Prall-menetelmää käsitelleistä pohjoismaisista vertailututkimuksista. Lisäksi on tehty yhteenveto kiviaineksen ominaisuuksien ja päällysteen kulumiskestävyyden välistä yhteyttä käsitelleistä tutkimuksista. Tutkimuksen kokeellisessa osassa tehtiin yhteensä 100 Prall-testiä näytteille, jotka porattiin laboratoriossa valmistetuista SMA 16 -laatoista. Näytteissä karkeana kiviaineksena käytettiin kolmen eri louhoksen kiviainesta kolmella eri litteyslukutasolla. Näytteistä 90 tutkittiin Tampereen yliopiston laboratoriossa uudella modifioidulla PrallS-laitteella. Lisäksi kahdessa muussa suomalaisessa asfalttilaboratoriossa tutkittiin 5 näytettä vastaavilla laitteilla.
Kirjallisuusselvityksen perusteella Prall-arvon havaittiin korreloivan asfalttimassan karkean kiviaineksen kuulamyllyarvon kanssa. Tutkimuksessa 11,2/16 mm lajitteen kuulamyllyarvon suurentaminen 3 yksiköllä suurensi Prall-arvoa noin 4 yksikön verran. Suomessa käytössä olevan laskennallisen Prall-arvon kaavan havaittiin kuulamyllytasolla AN7 antavan lähes saman tuloksen kuin Tampereen yliopistossa tutkituilla näytteillä, kun taas kuulamyllytasolla AN10 kaavan havaittiin yliarvioivan kulumaa noin 3 yksikköä tutkittujen näytteiden tuloksiin verrattuna.
Asfalttimassan karkean kiviaineksen litteysluvun muokkaamisella ei havaittu olevan selkeää vaikutusta Prall-arvoon. Kahden louhoksen kiviaineksesta valmistettujen näytteiden Prall-arvo kasvoi hieman litteysluvun kasvaessa, kun taas yhdellä louhoksella Prall-arvo pieneni hieman litteysluvun kasvaessa. Kunkin louhoksen kiviaineksista valmistettujen näytteiden Prall-tulosten keskiarvo pysyi kuitenkin 1,4–2,1 yksikön sisällä, kun litteyslukua muokattiin 20 yksikköä. Tutkimuksen perusteella kiviaineksen litteyslukua modifioitaessa kuulamyllyarvo saattaa muuttua hieman enemmän kuin Prall-arvo. Tämä ei kuitenkaan suoraan tarkoita, että kiviaineksen muoto-ominaisuuksia parantamalla kuulamyllyarvo paranisi enemmän kuin valmiin päällysteen kulumiskestävyys. Murskausprosessissa tehtävällä muoto-ominaisuuksien parantamisella, kuten kubisoinnilla, voidaan vaikuttaa vain rajoitetusti kuulamyllyarvoon eli esimerkiksi muokata kuulamyllyluokan rajalla olevasta kiviaineksesta seuraavaan kuulamyllyluokkaan soveltuvaa asfalttikiviainesta. Lisäksi muoto-ominaisuuksia parantamalla voidaan parantaa epäsuorasti päällysteen nastarengaskulumiskestävyyttä, sillä esimerkiksi hyvämuotoisella kiviaineksella asfalttimassan tiivistettävyys paranee ja samalla päällysteen tyhjätila pienenee.
Tutkimuksessa Prall-tulosten laboratorion sisäinen hajonta ja laboratorioiden välinen hajonta havaittiin suuriksi. Tutkimuksessa 10 rinnakkaisnäytteen Prall-tuloksen vaihteluväli oli noin 4–10 yksikköä ja näistä määritetty laboratorion sisäinen toistettavuus oli keskimäärin 31 %. Prall-tuloksia vertailtiin myös kolmen asfalttilaboratorion välillä. Laboratorioiden välillä Prall-tulosten keskiarvoissa oli eroa 3–6 yksikköä, ja laboratorioiden välisillä vertailunäytteillä Prall-menetelmän toistettavuus oli 22 % ja uusittavuus 53 %. Standardin SFS-EN 12697-16 (2016) mukaiset toistettavuuden arvo 15 % ja uusittavuuden arvo 27 % ylittyivät siis tutkimuksessa huomattavasti.
Tutkimuksessa näytteen pinnan kivipeitteisyyden sekä pienien ja suurien kivien osuuden havaittiin vaikuttavan Prall-tulokseen. Tämän vuoksi näytteet olisi hyvä valokuvata ennen testiä ja testin jälkeen. Lisäksi tutkimuksen perusteella hajontaa tuloksiin voi aiheuttaa erot näytteiden tyhjätiloissa. Prall-menetelmään ehdotettiin lisättäväksi tarkastelua tilastollisesti poikkeavien ääriarvojen poistamisesta ja lisätestien tekemisestä suurien poikkeamien myötä. Lisäksi eri laboratorioiden Prall-laitteiden välisten tuloserojen syiden selvittämistä on syytä edelleen jatkaa. Jatkotutkimusaiheena esiin nousi kiviaineksen muodon ja kuulamyllyarvon vaikutus päällysteen nastarengaskulumiskestävyyteen tieolosuhteissa, esimerkiksi minikoetiejärjestelyillä toteutettuna.