Konvektiivinen lämmönsiirtyminen ratapenkereessä

Abstract

Nykyaikaisen radan tasaisuusvaatimukset ovat suuret, ja routiminen aiheuttaa ongelmia Suomen radoilla. Ratapenkereiden alusrakenteina käytetään nykyään soran sijasta myös kalliomursketta, jonka lämpötekninen käyttäytyminen on erilaista luonnon lajittamiin materiaaleihin verrattuna. Maailmalla aiemmin tehdyissä tutkimuksissa on huomattu, että hyvin karkearakeisissa kalliomurskeissa voi tapahtua konvektiivista lämmönsiirtymistä, eli ilma pääsee liikkumaan rakeiden välissä kuljettaen lämpöä. Tämä voi lisätä merkittävästi lämmönsiirtymistä penkereestä ulospäin, jolloin routaraja voi tunkeutua syvemmälle kuin tavanomaisilla mitoitusmenetelmillä on laskettu. Luontaista konvektiota on tutkittu maailmalla, ja sen arvioimiseen on olemassa laskentamalli. Laskennallinen analyysi ei ole kuitenkaan ongelmatonta, sillä malli sisältää karkearakeisille materiaaleille vaikeasti määritettävän suureen, sisäisen läpäisevyyden, joka saadaan materiaalin vedenläpäisevyysarvon avulla. Muualla tehdyt tutkimukset eivät suoraan sovellu Suomessa käytettäviin ratapengermateriaaleihin, ja siksi tutkimusta varten tehtiin oma testilaitteisto laboratorioon. Laboratoriossa testattiin kolme rakeisuudeltaan erilaista kalliomurskemateriaalia, jotka olivat 31,5/63 mm raidesepeli, 5/16 mm kalliomurske ja 0/63 mm eristysvälikerrosmateriaali. Laboratoriossa testatussa raidesepelissä tapahtui merkittävää luontaista konvektiota ilman välityksellä. Jos väliaine oli kosteaa ilmaa tai vettä, konvektio oli mahdollinen pienemmillä lämpötilaeroilla. Eristys-välikerrosmateriaalissa ei tapahtunut ilman välityksellä merkittävää konvektiota, mutta kun vettä lisättiin näytteeseen, materiaalin lämmönjohtavuus muuttui huomattavasti konvektion takia. Vastaava ilmiö oli havaittavissa myös 5/16 mm materiaalissa, mutta vaikka vettä lisättiin, lämmönjohtavuus ei kasvanut merkittävästi suuremmaksi. Tutkimuksessa käsiteltiin myös maastokohdetta, josta oli saatavilla ratapenkereen lämpötiladataa. Lämpötiladatan perusteella voitiin arvioida ratapenkereissä esiintyviä lämpötilaeroja. Hipissä Seinäjoella sijaitsevan koekohteen tulosten perusteella sorasta ja kalliomurskeesta rakennetut ratapenkereet poikkesivat lämpöteknisesti toisistaan, mutta luontaisen konvektion mahdollisuutta ei voitu todistaa mutta ei myöskään täysin sulkea pois. Työn lopputuloksena voidaan arvioida, että kalliomurskeesta tuotettu radan eristys-välikerrosmateriaali voi ratapenkereessä toteutuvissa olosuhteissa mahdollistaa luontaisen konvektion, mikäli se on rakeisuudeltaan lähellä nykyohjeistuksen mukaista karkea- ja tasarakeisinta tilannetta. Materiaalin mahdollinen lajittuminen lisää tätä konvektioalttiutta.