Vaahtolasin pitkäaikaiskestävyys väylärakenteissa
Koskela, Joona (2022)
2022
Rakennustekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Civil Engineering
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
2022-09-05
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202207086020
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202207086020
Tiivistelmä
Tämän diplomityön innoituksena oli Raide-Jokeri-hankkeella käytetty vaahtolasimurske, jonka pitkäaikaiskestävyys huokoisena ja helposti murenevana materiaalina aiheutti pohdintaa. Työmaalla oltiin varovaisen huolissaan siitä, miten vaahtolasimurske kestäisi pitkän ajan kuluessa kohtuullisen suurten toistuvien kuormitusten alaisena raitiotiellä, mutta toisaalta samalla haluttiin tutkia pitkäaikaiskestävyyttä ja ottaa siihen kantaa myös kadulla ja radalla.
Vaahtolasimursketta valmistetaan sulatetusta kierrätyslasista vaahdottamalla se soveltuvalla vaahdotusagentilla. Se on huokoinen, kevyt ja pinnaltaan karhea materiaali. Näiden ominaisuuksien ansiosta vaahtolasimurskeella on sekä hyvät lujuusominaisuudet että keveänä materiaalina hyvät edellytykset kevennyskäytölle.
Työn kirjallisuusselvityksessä perehdyttiin vaahtolasimurskeen ominaisuuksiin sekä kotimaisen että ulkomaalaisen kirjallisuuden perusteella. Vaahtolasia on käytetty Raide-Jokeri-raitiotiehankkeella kevennysmateriaalikerroksena rakenteessa savisen pohjamaan vuoksi. Käytössä ollut periaateratkaisu esitetään tässä työssä keskittyen Eliel Saarisen tien ja Pakilantien työmaille. Muita kevennysmateriaalikäyttökohteita ovat muun muassa siltojen tulopenkereet, tiepenkereet, siirtymärakenteet, meluvallit, putkilinjojen arinat ja täytöt, korjaus- ja täydennysrakentaminen sekä muiden rakenteiden tausta- ja alustäytöt (Liikennevirasto 2011, Foamit 2021).
Vaahtolasimurskeen käyttö kevennysrakenteissa Suomessa on aiheuttanut aiemmin haasteita, mikä on ilmennyt etenkin heikkoina vaatimukset alittavina kantavuusmittaustuloksina. Tässä diplomityössä esitetäänkin Raide-Jokeri-hankkeella Helsingin Eliel Saarisen tiellä ja Pakilantiellä tehtyjen levykuormituskokeiden tuloksia. Yleisesti kantavuusvaatimukset saavutettiin hyvin, eikä ennakoituja haasteita ainakaan kantavuusmittausten tuloksissa havaittu.
Kirjallisuuden perusteella arvioitiin radalle junaliikenteestä aiheutuvaa kuormitusta. Peltomäen (2021) julkaisussa on esitetty sekä kenttämittauksin todettuja pystyjännityslisäyksen arvoja eri syvyyksiltä ratapenkereestä että vanhoja mallinnustuloksia ja uusia FEM-perusteisella mallilla arvioituja pystyjännityslisäysten arvoja kenttämittauskohteessa. Lisäksi arvioitiin Raide-Jokeri-hankkeelle tehtyjen kiintoraidelaatan mitoitustarkastelujen perusteella raitiovaunun aiheuttamaa pystykuormitusta laatan alla. Edellä mainituilla tarkasteluilla pyrittiin selvittämään juna- ja raitiovaunuliikenteestä vaahtolasimurskekerrokselle aiheutuvan kuormituksen suuruutta. Lopuksi arvioitiin Raide-Jokeri-hankkeen katurakenteiden alla olevan vaahtolasimurskekerroksen yläpinnalla aiheutuvaa pystyjännityslisäystä BISAR 3.0 -ohjelmalla. Edellä mainittuja arvoja verrattiin laboratoriossa tehtyjen kolmiaksiaalikokeiden tuloksiin.
Foamit 60 -vaahtolasimurskeelle tehtiin pitkäkestoiset sykliset kolmiaksiaalikokeet, joilla pyrittiin simuloimaan materiaalin pitkäaikaiskestävyyttä dynaamisen kuormituksen alaisena. Kokeilla pyrittiin etsimään kriittinen pystykuormitustaso, jolla vaahtolasimurskeessa alkaa tapahtua pysyviä muodonmuutoksia. Koe tehtiin yhteensä neljälle näytekappaleelle. Näytekappaleita kuormitettiin 20, 35, 50 ja 70 kPa sellipaineissa. Kuormitussarjan pituus oli 10 000 sykliä kutakin ennalta määritettyä kuormitustasoa kohden. 20 kPa sellipaineella tehdyn kokeen perusteella kriittiseksi pystyjännityslisäystasoksi saatiin noin 55 kPa. Kolmen muun näytekappaleen kuormitusten perusteella vastaava kriittinen dynaamisen kuormituksen taso vaahtolasimurskekerroksen päällä oli noin 70 - 75 kPa. Foamitin omassa suunnitteluohjeessa (2021) ilmoitetaan, ettei vaahtolasimurskekerroksen pintaan vaikuttava staattisen ja dynaamisen kuormituskomponentin yhteisvaikutuksesta muodostuva kokonaiskuormitus saisi ylittää arvoa 75 kPa.
Vaahtolasimursketta valmistetaan sulatetusta kierrätyslasista vaahdottamalla se soveltuvalla vaahdotusagentilla. Se on huokoinen, kevyt ja pinnaltaan karhea materiaali. Näiden ominaisuuksien ansiosta vaahtolasimurskeella on sekä hyvät lujuusominaisuudet että keveänä materiaalina hyvät edellytykset kevennyskäytölle.
Työn kirjallisuusselvityksessä perehdyttiin vaahtolasimurskeen ominaisuuksiin sekä kotimaisen että ulkomaalaisen kirjallisuuden perusteella. Vaahtolasia on käytetty Raide-Jokeri-raitiotiehankkeella kevennysmateriaalikerroksena rakenteessa savisen pohjamaan vuoksi. Käytössä ollut periaateratkaisu esitetään tässä työssä keskittyen Eliel Saarisen tien ja Pakilantien työmaille. Muita kevennysmateriaalikäyttökohteita ovat muun muassa siltojen tulopenkereet, tiepenkereet, siirtymärakenteet, meluvallit, putkilinjojen arinat ja täytöt, korjaus- ja täydennysrakentaminen sekä muiden rakenteiden tausta- ja alustäytöt (Liikennevirasto 2011, Foamit 2021).
Vaahtolasimurskeen käyttö kevennysrakenteissa Suomessa on aiheuttanut aiemmin haasteita, mikä on ilmennyt etenkin heikkoina vaatimukset alittavina kantavuusmittaustuloksina. Tässä diplomityössä esitetäänkin Raide-Jokeri-hankkeella Helsingin Eliel Saarisen tiellä ja Pakilantiellä tehtyjen levykuormituskokeiden tuloksia. Yleisesti kantavuusvaatimukset saavutettiin hyvin, eikä ennakoituja haasteita ainakaan kantavuusmittausten tuloksissa havaittu.
Kirjallisuuden perusteella arvioitiin radalle junaliikenteestä aiheutuvaa kuormitusta. Peltomäen (2021) julkaisussa on esitetty sekä kenttämittauksin todettuja pystyjännityslisäyksen arvoja eri syvyyksiltä ratapenkereestä että vanhoja mallinnustuloksia ja uusia FEM-perusteisella mallilla arvioituja pystyjännityslisäysten arvoja kenttämittauskohteessa. Lisäksi arvioitiin Raide-Jokeri-hankkeelle tehtyjen kiintoraidelaatan mitoitustarkastelujen perusteella raitiovaunun aiheuttamaa pystykuormitusta laatan alla. Edellä mainituilla tarkasteluilla pyrittiin selvittämään juna- ja raitiovaunuliikenteestä vaahtolasimurskekerrokselle aiheutuvan kuormituksen suuruutta. Lopuksi arvioitiin Raide-Jokeri-hankkeen katurakenteiden alla olevan vaahtolasimurskekerroksen yläpinnalla aiheutuvaa pystyjännityslisäystä BISAR 3.0 -ohjelmalla. Edellä mainittuja arvoja verrattiin laboratoriossa tehtyjen kolmiaksiaalikokeiden tuloksiin.
Foamit 60 -vaahtolasimurskeelle tehtiin pitkäkestoiset sykliset kolmiaksiaalikokeet, joilla pyrittiin simuloimaan materiaalin pitkäaikaiskestävyyttä dynaamisen kuormituksen alaisena. Kokeilla pyrittiin etsimään kriittinen pystykuormitustaso, jolla vaahtolasimurskeessa alkaa tapahtua pysyviä muodonmuutoksia. Koe tehtiin yhteensä neljälle näytekappaleelle. Näytekappaleita kuormitettiin 20, 35, 50 ja 70 kPa sellipaineissa. Kuormitussarjan pituus oli 10 000 sykliä kutakin ennalta määritettyä kuormitustasoa kohden. 20 kPa sellipaineella tehdyn kokeen perusteella kriittiseksi pystyjännityslisäystasoksi saatiin noin 55 kPa. Kolmen muun näytekappaleen kuormitusten perusteella vastaava kriittinen dynaamisen kuormituksen taso vaahtolasimurskekerroksen päällä oli noin 70 - 75 kPa. Foamitin omassa suunnitteluohjeessa (2021) ilmoitetaan, ettei vaahtolasimurskekerroksen pintaan vaikuttava staattisen ja dynaamisen kuormituskomponentin yhteisvaikutuksesta muodostuva kokonaiskuormitus saisi ylittää arvoa 75 kPa.