Voimalaitostuhkien käyttö Sassin pienlentopaikan liikennealueen päällysrakenteissa

• Main Author: Laurila, A. (Antti)
• Format: Dissertation
• Language: Finnish
• Published: University of Oulu 2018
• Subjects: Process and Environmental Engineering
• Online Access: http://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-201805091623; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:fi:oulu-201805091623

Diplomityö käsittelee tuhkamateriaalien hyötykäyttömahdollisuuksia päällysrakenteissa pienkoneille tarkoitetun lentopaikan liikennealueella. Työn aihe liittyy lentopaikkasuunnitelmiin Mänttä-Vilppulan kaupungissa, Sassin alueella, jolla on nykyisellään sorapintainen kiitotie, joka on ollut harrasteilmailukäytössä. Alueelle on tarkoitus rakentaa uudet asfalttipäällysteiset kiito- ja rullaustiet sekä asema-alue, joiden päällysrakenteissa on tarkoitus käyttää läheisen Mäntän Energian voimalaitoksen tuhkia. Tuhkien avulla pyritään saavuttamaan kustannussäästöjä sekä edistämään kiertotaloutta. Tuhkamateriaalien toimivuutta teiden ja alueiden päällysrakenteissa on testattu Suomessa lukuisissa kohteissa ja tuhkien ominaisuuksien on havaittu lisäävän rakenteen kantavuus- ja eristävyysominaisuuksia sekä kestävän hyvin Suomen ilmasto-olosuhteissa toistuvan jäätymisen ja sulamisen vaikutuksia. Tuhkien käyttöä lentopaikoilla ei ole kuitenkaan aiemmin Suomessa selvitetty. Työn keskeisenä tavoitteena on ottaa selvää, millaisia mekaanisia tai ympäristötekijöistä johtuvia rasituksia lentopaikkojen päällysrakenteen tulee kestää. Työssä pyritään selvittämään aiheuttaako lentopaikoille asetetut vaatimukset ehtoja tai rajoituksia tuhkarakenteiden käytölle. Työssä tutkimusmenetelminä käytetään kirjallisuusselvitystä ja tutkimusosassa käsitellään tuhkille ja niistä tehdyille koekappaleille tehtyjen laboratoriokokeiden tuloksia. Laboratoriotulosten avulla määritetään tuhkien käyttöluokittelun perusteella Sassin lentopaikalle soveltuvat tuhkat ja päällysrakenneperiaatteet. Työn tarkoitus on siten osaltaan palvella Mänttä-Vilppulan lentopaikkahankkeen kustannuslaskentaa ja kaavoitusta. Työssä selvitetyn perusteella voidaan todeta, että pienlentokoneille tarkoitetuille lentopaikoille tai suuremmillekaan lentopaikoille ei ole laadittu ohjeistusta suunnittelun tai rakenteen mitoituksen avuksi, eikä yksiselitteisiä kriteerejä kantavuudelle tai routanousulle ole esitetty. Tämä aiheuttaa myös lentopaikan tuhkarakenteiden mitoitukselle haasteensa. Toisaalta Mänttä-Vilppulaan suunnitellun lentopaikan liikenteen määrän ja kuormittavuuden perusteella pienlentopaikat ovat verrattavissa lähinnä vähäliikenteiseen katuun. Tällöin ne eivät myöskään vaadi merkittävästi tierakenteiden suunnittelusta poikkeavia mitoituskäytäntöjä. Kantavuusmitoituksessa kriittisimpiä vaatimuksia aiheuttavat huoltoajoneuvot, ja tästä syystä mahdollisten rakennevaihtoehtojen mitoituksessa päädyttiin käyttämään Suomen tierakenteenkin mitoituksessa yleisesti käytettyä Odemarkin menetelmää. Routamitoitus tehdään työssä myöskin tiesuunnitteluohjeilla. Sallittu laskennallinen routanousu rajoitettiin etenkin kiitotierakenteissa pieneksi suurien rullaus nopeuksien ja lentoturvallisuuden vuoksi. Routamitoituksen suhteen lentopaikan kiitotieosuudella tuleekin noudattaa lähinnä moottoritiehen verrattavia vaatimuksia. Tässä mielessä tuhkamateriaalit soveltuvat hyvin lentopaikalle, sillä tuhkan eristävyysominaisuudet ovat luonnonmateriaaleihin nähden merkittävästi suurempia. Työn laboratoriotutkimusten perusteella Mäntän voimalaitoksen lentotuhkista voidaan rakentaa lentopaikalle teknisesti toimivat rakenteet massiivituhkaa ja/tai kerrosstabilointia käyttäen. Massiivituhka toimii hyvänä eristemateriaalina ja kerrosstabilointia on syytä harkita kantavuuden parantamiseksi. Massiivilentotuhkan käytössä tulee huomioida kuitenkin lentotuhkalla todettu korkea kapillaarisuus ja herkkyys kapillaariveden vaikutuksille sekä mahdolliset kasavarastoinnin aiheuttamat ominaisuuksien muutokset. Diplomityön tuloksia voidaan jatkossa hyödyntää Mänttä-Vilppulan lentopaikan rakennussuunnittelussa tai muilla pienlentopaikoilla harkittaessa tuhkien käyttöä uuden lentopaikan rakentamisessa tai vanhan rakenteen parantamisessa. Huomattavaa on, että tuhkamateriaalit ja niiden käyttöedellytykset tulee tutkia aina kohde- ja materiaalikohtaisesti, sillä eri voimalaitosten tuhkien ominaisuudet vaihtelevat keskenään merkittävästi. === In the Master’s Thesis is studied the utilization of ashes in the pavement of small aerodrome. The subject of the thesis is related to aerodrome planning in city of Mänttä-Vilppula in Sassi area. In the area is now gravel-surfaced runway that has been in use of the recreational aviation. The purpose is to build asphalt-coated runway, taxiway and apron whose pavement is used ash materials from the nearby Mäntän Energia power plant. In this way aims to get cost savings and promote the circular economy. In Finland, the ashes have been used in road structures in recent decades and properties of ashes have often improved the properties of road structure. However, using of ashes has not been studied in the aerodromes in Finland. The important purpose of the thesis is to define the requirements for pavement of aerodrome and find out, what kind of mechanistic and environmental loads the structure must withstand. This is important thing that affect the using of ashes in the pavement. In the thesis, the research methods are used literature review and in the research part is analyzed the results of the laboratory tests of ashes and test pieces made from them. Based on the results the use categories of ashes and their utilization possibilities are determined. Based on this study can be said that in Finland haven’t any design manual for designing the pavement of light loaded aerodrome which could be apply in the designing. For aviation area haven’t design criteria for example the target bearing capacity or allowed frost action values like in the Finnish road designing manuals. But on the other hand, based on the traffic volume and loading the light loaded aerodromes can typically compare to low-traffic streets and the highest loads are caused by the service vehicles. In this case, designing doesn’t require any special practices either. However, the allowed frost action must be limited very low especially in the runway section because of safety and high taxing speed. Typically, the ashes are better insulating material than the natural mineral aggregates and in that regard, they are ideal materials for aerodromes. In this thesis the bearing capacity designing of pavement is done using the Odemark’s method and the frost designing also using typical road design method. Based on the laboratory test, pavements of aerodrome can be used the fly ashes from Mäntän Energia power plant. The fly ashes can be used as a massive fly ash to decrease the frost action and/or as a binder in layer stabilization of base course to improve the bearing capacity of pavement. However, in the use of massive fly ash should be taken into account the high capillary rises in fly ash and possible effects of storing on properties of fly ash. Results of Master’s thesis can be utilized construction planning of Mänttä-Vilppula aerodrome and in other small aerodromes when the use of ashes is considered in construction of new aerodrome or repairing of old pavements. Properties of ashes variate very much and so the properties of them must be studied by material- and target-specific laboratory tests and studies.