Kivituhkan soveltuminen sidotun kantavan kerroksen runkoaineeksi

Abstract

Infrarakentamisen suurimmat haasteet liittyvät maa- ja kiviaineksien taloudelliseen ja ekologiseen käyttöön. Jotta uusiutumattomia materiaaleja voidaan käyttää kestävästi, infrarakentamisessa on kehitettävä uusia suunnitteluratkaisuja, parannettava vanhojen rakenteiden materiaalien kierrättämistä, lisättävä heikompilaatuisten kiviaineksien käyttöä ja vähennettävä rakennusalan ylijäämämateriaaleja. Kerrosstabilointi on tien parantamismenetelmä, jonka avulla voidaan parantaa huonolaatuisen kiviaineksen ominaisuuksia tai vähentää päällysrakenteessa vaadittavaa kerrospaksuutta. Kerrosstabiloinnissa tien jakava tai kantava kerros sidotaan sideaineella, joka voi olla esimerkiksi sementtiä tai bitumia. Kerrosstabilointi soveltuu sekä uusien teiden rakentamiseen että vanhojen teiden parannukseen.

Kivituhka on hienoa kalliomursketta, jota syntyy kiviainestuotannon sivutuotteena. Kivituhkaa muodostuu tuotantoprosessin aikana, mutta myös silloin kun valmistetaan katkaistuja lajikkeita. Kivituhkan korkea hienoainespitoisuus aiheuttaa routivuutta rajoittaen sen käyttöä maarakentamisessa. Kivituhkan käytettävyyteen vaikuttaa sen teknisten ominaisuuksien lisäksi myös tuotantopaikkojen ja käyttökohteiden etäisyys toisistaan. Kivituhkaa voidaan käyttää kohteissa, joissa routivuudella ei ole merkitystä, mutta nykyisten käyttökohteiden menekki on huomattavasti pienempi kuin syntyvän kivituhkan määrä.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli selvittää, soveltuuko kivituhka stabiloidun kantavan kerroksen runkoaineeksi. Tutkimuksessa tehtiin kahdeksan erilaista massaa, joiden runkoaineena oli kivituhka. Sideaineina käytettiin sementtiä, lentotuhkaa, masuunikuonaa sekä Ecolan Oy:n valmistamaa uusiosideainetta. Vertailukohteena käytettiin perinteisestä stabilointimassasta, eli murskeen ja sementin seoksesta, valmistettuja koekappaleita. Stabilointimassojen lujuus mitattiin yksiaksiaalisen puristuskokeen avulla, minkä lisäksi massojen pakkasrapautumiskestävyyttä arvioitiin jäädytys-sulatuskokeen avulla. Yksiaksiaalinen puristuskoe tehtiin kaikille massoille sekä seitsemän että 28 päivän ikäisenä, kun taas jäädytys-sulatuskoe tehtiin 7d puristuslujuuden ja hinnan perusteella kolmelle parhaalle massalle. Jäädytys-sulatuskokeeseen valittiin sementtistabiloitu, lentotuhkalla stabiloitu sekä Ecolan Oy:n sideaineella stabiloitu massa. Lisäksi myös referenssimateriaalille tehtiin jäädytys-sulatuskoe. Tutkimuksessa onnistuttiin valmistamaan kaksi eri stabilointimassaa, joiden runkoaineena oli kivituhka 0/3, ja jotka täyttivät Tiehallinnon julkaisun Päällysrakenteen stabilointi (2007 b) vaatimukset tutkimuksessa tehtyjen kokeiden osalta. Vaatimukset täyttävistä massoista toinen oli stabiloitu sementillä ja toinen Ecolan Oy:n uusiosideaineella.

The greatest challenges in infraconstruction are related to the economic and ecological use of rock materials. In order to achieve sustainable use of non-renewable materials, new design solutions must be developed, recycling of old materials must be improved, use of low-quality materials must be increased and the amount of waste material must be reduced. Stabilization is a road improvement method, which can be used to improve the qualities of rock material or to reduce the required layer thickness. In stabilization, either the sub-base or the base course can be bound with a binder, which is usually cement or bitumen. Stabilization is suitable for new construction and improving old roads.

Fine crushed aggregates are formed as a by-product of aggregate production. Fine material is formed during the production process, but also when cut fractions are manufactured. The high amount of fine material restricts the use of by-product fines of aggregate production, because fine material is frost susceptible. In addition, aggregate crushing plants are not usually close to possible application sites. The by-product fines of aggregate production can be utilized on sites, where frost susceptibility does not matter. However, the amount of by-product fines is much higher than the consumption at possible application sites.

The objective of this master’s thesis was to determine if by-product fines could be used as aggregate in stabilized base course. In this study, eight stabilization masses containing by-product fines were made. Cement, fly ash, granulated blast furnace slag and a mixture of ash and cement produced by Ecolan Oy were used as binder. A traditional stabilization mass, containing normal size aggregate and cement, was made to act as a reference material. The strength of the masses was measured using unconfined compression test. In addition, the frost weathering resistance of the masses was determined with freezing and thawing test. All stabilization masses were subjected to the unconfined compression test at the age of seven and 28 days. The masses, which were subjected to the freezing and thawing test, were selected based on the 7d compressive strengths and the prices of the stabilization masses. Masses containing cement, fly ash and the binder produced By Ecolan Oy were selected to the freezing and thawing test. Two of the stabilization masses containing by-product fines met the requirements of stabilization masses set by Finnish Transport Agency. One of the masses, which met the requirements, was stabilized with cement, and the other with the binder produced by Ecolan Oy.