Betoon

USA betoonitöölised

Korrodeerunud betoonist piketipost Vasalemma-Keila raudteelõigul

Betoonist karukujulineteetõkeOtepääl

Betoon(prantsuse keelesbéton,ladinasõnastbitumen'maapigi') on tehislik kivimaterjal, üks põhilisiehitusmaterjale.

Betoon onkomposiitmaterjal,mis koosneb jämedakoelistesttäitematerjalidest,mida seob aja jooksul kõvastuvtsement.Suurem osa betoonidest põhineb lubjakivitsementidel, näiteksportlandtsemendil,aga leidub ka betoone, kus kasutatakse teisi hüdraulilisi tsemente, näiteksciment fondu(aluminaattsement, mis põhineb kaltsiumaluminaatidel). Teede ehitusel kasutatavasfaltbetoonon samuti üks betooni alaliike, kus tsementmaterjaliks onbituumen.Veel kasutatakse polümeerbetoone, kus tsementeerivaks aineks onpolümeer.

Portlandtsementbetoon ja teised hüdraulilised tsementbetoonid saadakse, kui agregaat ehk täitematerjal segatakse kokku kuiva tsemendi ja veega, misjärel moodustub voolav mass, mida saab kergesti sobivasse vormi valada. Tsement reageerib keemiliselt vee ning teiste koostisosadega, selle tulemusel moodustub kõva maatriks, mis seob kõik materjalid kokku kauakestvaks kivilaadseks materjaliks, mille kasutusvõimalusi on palju.

Tihti lisatakse segusse erinevaid lisandeid, näiteksputsolaanejaplastifikaatoreid.Nende lisamine võimaldab parandada märja segu või lõppmaterjali füüsikalisi omadusi. Enamik betooni valatakse koos armeeriva materjaliga, enamastiterasarmatuuriga,mis parandab tõmbetugevust ning lõpptulemusena saadakseraudbetoon.

Kuulsate betoonehitiste hulka kuuluvadHooveri pais,Panama kanaljaRooma Panteon.Varaseimad laialdased betoontehnoloogia kasutajad olid vanad roomlased jaRooma impeeriumisoli betooni kasutus laialt levinud. Roomas asuvColosseumehitati suuremas osas betoonist,antiikajasuurim kuppelehitis oli Panteon. Pärast Rooma impeeriumi kokkuvarisemist muutus betooni kasutamine haruldaseks, kuni see tehnoloogia 18. sajandi keskel uuesti kasutusele võeti. Tänapäeval on betoon kõige laiemalt levinud inimese valmistatud materjal.

Betoon, mille sideaineks on tsement, saavutab tavatingimustes 28 päevaga oma tugevusklassile vastava survetugevuse. Betoon võimaldab valada väga keerulise kujugaehitusdetailevõi terveid ehitisi.Raudbetoonipuhul on tugevduseks lisatud sarrused või armatuurvõrk. Betooni tähtsaim omadus ontugevus,mis võib olla väga erineva suurusega ja sõltub peamiselt tihedusest. Betooni tugevust iseloomustab selle mark, mis määrab ära betoonisurvetugevusejatõmbetugevusetelgtõmbevõipaindekorral.

Ajalugu

Eelajalugu

Esimesed betoonilaadsed ehitised valmistasidNabateakaupmehed ja beduiinid, kes valitsesid oaase ja lõid väikese kuningriigi praeguse Lõuna-Süüriaja Põhja-Jordaaniaaladel umbes 6500. a eKr. Hiljem, umbes 700 a eKr, avastasid nad hüdraulilise lubja ehk tsemendi, mis kivineb vee toimel. Seda kasutati majaseintes, betoonpõrandates ja maa-alustes veetsisternides. Neid tsisterne hoiti saladuses ning need võimaldasid Nabatea riigil kõrbes õitseda.

Juba Nabatea-aegsed ehitajad mõistsid, et betoonisegu tuleb valmistada nii kuiv ja viskoosne kui võimalik, et vältida hilisemat pragunemist, mida põhjustab liigne vesi. Lisaks tihendasid nad värsket betooni, mis omakorda parandab täitematerjalide ja tsementliimi naket ning aitab õhul väljuda.

Antiikaeg

Rooma Panteonon suurim armeerimata betoonist kuppelehitis

Umbes 3000 a eKr kasutasid egiptlased muda segatult kõrtega, et valmistada telliseid. Kuigi need ehitusplokid sarnanevad pigem savitellistega, kasutati püramiidide ehitamisel ka palju kipsi ja lubimörti.Cheopsi püramiidiehitamisel kasutati ligikaudu 500 000 tonni mörti kividevahelistes vuukides. See võimaldas müürseppadel teha suuremate vuukidega kive, mis ei pidanud nii täpselt kokku sobituma.

Umbes samal ajal kasutati Põhja-Hiinas tsementi laevaehituses jaSuure Hiina müüriehitamisel.Spektromeetriliseduuringud on näidanud, et mörtide oluline koostisosa oli gluteenine kleepuv riis. Mõned ehitised on pidanud vastu tänapäevani ja pidanud hästi vastu ka lammutamisel.

600. aastaks eKr olid kreeklased avastanud loodusliku putsolaani (kohanimePozzuolijärgi), mis segatuna lubjakiviga muutus hüdrauliliseks tsemendiks. Seda hakkasid aga palju laialdasemalt kasutama roomlased, kes juba 200 a eKr ehitasid sellisest betoonist hooneid. Erinevalt tänapäevasest betoonist, oli see vähetöödeldav ja meenutaspurdmaterjali,mis oli segatud tsemendiga. Enamiku hooneid ehitasid roomlased ladudes kõigepealt paika kivid ja alles siis täites vahed mördiga. Seinad vooderdati seest ja väljast tellistega, aga nende eesmärk oli eelkõige kosmeetiline. Enne seda kasutati lihtsat lubjakivitsementi, mis ei kivinenud vee mõjul, vaid õhus leiduva süsihappegaasiga. Need mördid olid nõrgad.

Oma suuremate ja esteetilistemate konstruktsioonide ning suuremat vastupidavust nõudvate taristute tarbeks kasutatiharena fossiciatüüpi vulkaanilist liiva. Mere- ja mageveega kokkupuutuvate ehitiste nagusildade,dokkide ja akveduktide jaoks kasutati putsolaanliiva ehk reaktiivset vulkaanilist tuhka. Need kaks materjali võimaldasid roomlastel rajada suuri ehitisi väga lühikese aja jooksul.

Keskaeg

Pärast Rooma keisririigi lagunemist kadus ka putsolaani ja põletatud lubja kasutamine ning see tehnoloogia unustati 14. sajandini. 14. sajandist kuni 18. sajandi keskpaigani tsemendi kasutus taas laienes. Näiteks ehitati 1670. aastal betoonistCanal du Midi.

Industriaalajastu

Tallinna vesilennukite angaaron ehitatud raudbetoonist ja selle katuseosa kuulub maailma esimeste suuremahulisteraudbetoonkoorikuststruktuuride hulka

Kolme Kuristiku tammon maailma suurim betoonrajatis

Suurimaks betoonikasutuse innustajaks peetakse 1759. aastal valminudSmeatoni torniDevonis Inglismaal. Selle ehitamiseks hakkas briti insenerJohn Smeatonkasutama betoonis tsemendina põletatud lupja, millest saadudklinkerjahvatatipulbriks.Täitematerjalina kasutas ta jõekive ning purustatud telliseid.

1824. aastal patenteeris inglane Joseph Aspdinportlandtsemendi.Selle saamiseks põletas ta peeneks jahvatatud kriiti ja savi põletusahjus, kuni kogusüsihappegaasoli karbonaatidest eemaldunud. Ta nimetas seda portlandtsemendiks, sest saadud tehiskivim sarnanes InglismaalPortlandisleiduva loodusliku kivimiga.

Armeeritud betooni leiutas 1849. aastal aednikJoseph Monier.Esimeneraudbetoonistsild ehitati 1889. aastal ja esimesed suured betoonpaisud ehitati 1936. aastal (Hooveri paisjaGrand Coulee pais).

Betooni koostis

Betoon varieerub oma koostises palju ja seega on välja töötatud palju erinevaidbetoonitüüpe.Täitematerjali ja tsementi oskuslikult valides saab betooni kasutada väga paljudel kasutusaladel ning saavutada vajalik tugevus, tihedus, keemiline või termiline vastupidavus.

Täitematerjalkoosneb suurtest tükkidest, mis annavad betoonile suurema mahu ning aitavad materjalil mehaanilisi pingeid paremini taluda. Täitematerjaliks võib olla näiteks purustatudgraniitvõipaekivi,väikesed maa- ja jõekivid ningliiv.Täitematerjal ei osale keemilises reaktsioonis.

Tsemendikson harilikult portlandtsement ningbetooniall mõistetaksegi tavaliselt portlandtsementi kasutavaid tehiskivimeid. Peale portlandtsemendi võib betoonis kasutada ka bituumenit, et saada asfaltbetoon. Kasutusel on kalendtuhastjaräbustsaadud tsemendid, millele on vahel lisatud ka teisi mineraalseid lisandeid.

Betooni valmistamiseks on enamiku tsementide korral (v.a asfalt) vajavett,mis segatakse kuiva(de) täitematerjali(de) ja tsemendiga. Tekkiv poolvedel mass ontöödeldav,tavaliselt vormi valamise teel. Betoon kivistub ning kõvastubhüdratatsioonikäigus. Vesi reageerib tsemendiga, mis liimib omavahel täitematerjalid ning loob robustse kivitaolise materjali.

Keemiliste lisanditega saab betoonile lisada vajalikke omadusi. Need lisandid võivad kiirendada või aeglustada betooni kivistumisreaktsiooni, samuti lisada tõmbetugevust, muuta materjali poorsemaks või veekindlamaks.

Tihti kasutatakse betoonissarrustamist.Lihtne on valmistada kõrge survetugevusega betooni, aga selle tõmbetugevus on alati nõrgem. Praktilistes rakendustes ei saa piirduda ainult kõrge survetugevusega ning seetõttu lisatakse betooniarmatuur,mis peab hästi vastu tõmbepingele. Armatuuriks on tavaliselt terassarrus, kasutatakse ka polümeere, kui on vaja tõsta keemilist stabiilsust.

Viimastel kümnenditel on levima hakanud mineraalsed lisandid. Taaskasutatavate materjalide lisamine on kasvanud nii keskkonnanormide rangemaks muutmise kui ka nende kasulike omaduste tõttu. Kõige levinum onkivisöeküttel töötavatesoojuselektrijaamadekõrvalsaaduse lendtuha kasutamine. Kasutatakse ka terasetööstuses ülejäävatkõrgahjuräbu,mis granuleeritakse, ning ränidioksiidisuitsu, mida saadakseelektrikaarahjudest.Nende materjalide kasutamine vähendab betooni valmistamiseks vajalikke ressursse, kuna mineraalsed lisandid käituvad tsemendiasendajatena. See vähendab omakorda tsemenditootmist, mis on energiamahukas ja keskkonnaprobleeme põhjustav protsess. Samuti väheneb tööstusjäätmete kogus, kuna nendele mineraalsetele lisanditele muid rakendusi pole.

Tsement

Kundasvalmistatud tsement

Kõige levinum on portlandtsement, mis on oluline komponent nii betoonis ja mördis kui ka paljudes krohvides. Selle patenteeris 1824. aastal inglise müürsepp Joseph Aspdin, kes nimetas selle niiPortlandi saareltkaevandatava kivimiga sarnanemise tõttu.

Portlandtsemendi põhilised koostisosad onmineraalidaliitjabeliit,mis on kaltsiumsilikaadid, ning tseliit I ja tseliit II. Sellist tsementi saadakselubjakivipõletamisel koossaviganing selle saaduse ehkklinkrijahvatamiselsulfaadi(tavaliseltkips) juuresolekul.

Moodsates tsemendiahjudes kasutatakse kaasaegseid võimalusi, et vähendada kütusekulu iga toodetud klinkri massiühiku kohta. Tsemendiahjud on väga suured, keerulised ja oma iseloomult tolmused seadmed, mille emissioone peab kontrollima. Betoonivalmistamise kõige energiamahukam etapp on tsemenditootmine. Isegi keerulised ja ökonoomsed ahjud vajavad 3,3–3,6 GJenergiatühe tonni klinkri valmistamiseks ja jahvatamiseks. Paljud ahjud kasutavadkütusenaka raskesti käideldavaid jäätmeid, näiteksautorehve.

Vesi

Vee lisamine tsemendile tekitab hüdratatsiooniprotsessi tulemusena tsemendipasta. Pasta täidab tühimikud, parandab voolavust ning lõpuks liimib täitematerjali kokku.

Väikevesitsementtegur(inglise keeleswc, w/cvõiw/cm) annab tugevama, vastupidavama betooni, samas suurem veesisaldus teeb betooni paremini töödeldavaks.Reostunud vesi võib põhjustada kivistumisel probleeme ning valatud detailid võivad puruneda enneaegselt.

Hüdratatsioon hõlmab mitut paralleelselt kulgevat keemilist reaktsiooni. Nende reaktsioonide toimel hakkab tsementliim osakesi järjest kokku kleepima ja kivistuma, kuni lõpuks moodustub tahke mass.

Kulgevkeemiline reaktsioonon järgmine:

Tsemendikeemikute tähistus: C₃S + H → C-S-H + CH

Tavaline tähistus: Ca₃SiO₅+ H₂O → CaO·SiO₂·H₂O (geel) + Ca(OH)₂

Tasakaalustatud reaktsioon: 2Ca₃SiO₅+ 7H₂O → 3CaO·2SiO₂·4H₂O (geel) + 3Ca(OH)₂(ligikaudne; mineraalide CaO, SiO₂ning vee H₂O sisaldus C-S-H-is võib varieeruda)

Täitematerjalid ehk agregaadid

Enamuse betooni massist ja mahust moodustavad jämedad ja peened täitematerjalid.Liiv,looduslikkruusja purustatud kivid ehkkillustikon põhiliselt kasutatavad täitematerjalid. Taaskasutatud täitematerjalid nagu ehituspraht ja kaevejäägid leiavad järjest rohkem kasutust, samuti on lubatud tööstuslike jäätmete naguräbujatuhkkasutamine.

Osakeste suurusjaotus betoonis määrab, kui palju sideainet ehktsementliimivajatakse. Sarnaste mõõtmetega agregaat vajab palju sideainet, kuna vahed osakeste vahel on suured. Vahede täitmiseks kasutatakse peenemaid fraktsioone, kuna see on odavam kui tsement.Täitematerjal on alati tugevam kui sideaine ning seega ei mõju selle lisamine betooni tugevusele negatiivselt.

Betooni vibratsioonilisel tihendamisel toimuv osakeste ümberpaiknemine tekitab betoonis ebahomogeensust. See võib tekitada detailidestugevusgradiendi.

Dekoratiivsete omaduste parandamiseks lisatakse mõnikord betooni pinnale jõekive, purustatud klaasi võikvartsiiti.Selline pind paljastab rohkem täitematerjali ja jätab ebatavalise robustse viimistluse.

Armatuur

Betoon peab hästi survele vastu, sest täitematerjalid aitavad efektiivselt survekoormuse laiali jaotada. Seevastu on tõmbepinge korral betoon võrdlemisi nõrk, kuna siis hoiab kogu struktuuri koos ainult tsement. Tõmbetugevuse parandamiseks lisatakse betooniteras- või klaaskiudarmatuur,mis on vastupidav tõmbele ja võimaldab teha betoonist palju keerulisemaid konstruktsioone.

Keemilised lisandid

Keemilised lisandid on ained, mida lisatakse betoonile, et parandada selle omadusi. Need ained on pulbrilisel või vedelal kujul. Tavalises kasutuses on nende doseering väike ehk alla 5% tsemendi massist. Keemilised lisandid viiakse betooni valmistamise ajal.

Tavalised lisandid:

• Kiirendidtõstavad betooni hüdratatsiooni kiirust. Tüüpilised kiirendid on CaCl₂,Ca(NO₃)₂ja NaNO₃.Kuna kloriidide kasutamine põhjustab sarrusterasekorrosiooni,siis on nende kasutamine osades riikides keelatud. Kiirendid on kasulikud külma ilma korral, et vältida nii toore betooni läbikülmumist kui ka lühendada ooteaega enne lahtirakestamist.
• Aeglustid pidurdavad hüdratatsiooni ja tardumist ning võimaldavad teha suuri keerulisi valusid, kus vahepealne tardumine on mittesoovitav. Tavalised polüoolsed aeglustid on näiteks suhkur, sahharoos, sidrunhape ja viinhape.
• Õhumanustajad seovad värskesse betooni mikropoorset õhku, mis on vajalik betooni sulamis-külmumistsüklite arvu suurendamiseks. Õhupoorid võimaldavad betoonis oleval veel ja niiskusel jäätuda ilma betoonistruktuurioluliselt kahjustamata. Õhusisalduse suurenemine 1% võrra aga vähendab betooni survetugevust 5%, mistõttu tuleb seda lisandit väga täpselt doseerida.
• Plastifikaatorid parandavad betooni töödeldavust ehk vormitavust ja voolavust. Tavaline plastifikaator onlignosulfonaat.Plastifikaatoreid saab kasutada veesisalduse vähendamiseks, mis omakorda vähendab betoonivesitsementteguritja suurendab survetugevust.
• Pigmendid võimaldavad toonida valmisbetooni. Neid kasutatakse esteetilistel põhjustel.
• Korrosiooni inhibiitoreid kasutatakse betoonis oleva terase roostetamise vähendamiseks.
• Pumpamise abiained stabiliseerivad värsket betooni ja muudavad selle hõlpsamini pumbatavaks. Kasutatakse, kui on vaja muuta betoon masinpumbatavaks.

Betooni omadused

Mahukahanemine

Mahukahanemine on betooni omadus õhukeskkonnas kivistumisel mahus väheneda.Betooni maht hakkab intensiivselt kahanema kivistumise algperioodil ning võib kesta kuni aasta.

Betooni mahukahanemisele aitab kaasa, kui betoonis on liiga palju tsementi või vett, kui peentäitematerjali on suhteliselt palju, kui keskkond on liiga kuiv ning temperatuurijaotus on ebaühtlane; samuti vee aurustumine betoonist ning ka suurvesitsementtegurjmt.Mahukahanemine võib olla ehituskonstruktsioonile kahjulik, kuna see tekitab pingeid ja pragusid. Pragude teket soodustab tuuline ja kuiv keskkond, liigse vee väljumine betoonist pärast tardumisaja lõppu, termiline pragunemine.

Raudbetoonimahukahanemise ainukeseks positiivseks küljeks on see, et mahukahanemine suurendab betooni ja sarruse vahelist naket. Raudbetoonis võib mahukahanemine olla mitmeid kordi väiksem, kuna betoonis olev sarrus takistab suuremat deformeerumist; on kasutusele võetud spetsiaalsed mahuspaisuvaid tsemente mahukahanemise vältimiseks.

Betooni tootmine

Betooni valmistamiseks tuleb segada kokku vesi, tsement, täitematerjalid ja lisaained. Valmistamine on ajatundlik protsess, kuna vee lisamisel algab kohe tsemendi kivinemisreaktsioon. Kui segu on valmis, tuleb see kiirelt valada vormidesse. Moodne betoonivalmistamine toimub harilikult suures tööstuslikus betoonivabrikus.

Vabriku segisti võib segada kokku ainult kuivad materjalid ilma veeta või lisada kohe ka vee. Kuiva materjali saab vedada kaugemale objektile enne, kui see tarduma hakkab, samas on vabrikus võimalik vett täpsemalt doseerida ja hoida ühtlasemat betooni kvaliteeti. Märg kaubabetoon tuleb ehitusobjektile vedada vastava betooniveokiga, millel olev segisti segab segu pidevalt läbi, et vältida tardumist. Sellest hoolimata ei saa juba veega segatud betooni väga kaugele vedada.

Betooni valmistatakse ka eelvalatud betoonelementide vabrikutes kohapeal tarbimiseks. Nendes on kasutusel sarnased segistisüsteemid kui kaubabetoonivabrikutes, kuid valmistatav betoon valatakse vormi segisti vahetus läheduses.

Betooni liigitamine

Terrazzo-stiilis ehk lihvitud betoonist põrandaplaadid

Eristatakse anorgaanilist betooni (tsementbetoon,kipsbetoon,silikaatbetoon,kuumuskindel betoon) ja orgaanilise sideainega betooni (asfaltbetoon,polümeerbetoon).

Tihedusejärgi jaotatakse betoonid järgmiselt:

• raskebetoonkuivtihedusega üle 2600 kg/m³;
• normaalbetoon kuivtihedusega 2000–2600 kg/m³;
• kergbetoonkuivtihedusega alla 2000 kg/m³.

Teine jaotus, samuti tiheduse põhjal:

• üliraske betoontihedusega üle 2500 kg/m³;
• raskbetoon tihedusega 1800–2500 kg/m³;
• kergbetoon tihedusega 500–1800 kg/m³;
• ülikergbetoontihedusega alla 500 kg/m³.

Vaata ka

• Aasta betoonehitis
• Ameerika Betooniinstituut
• Betoonilihvija
• Eesti Betooniühing
• Fiiberbetoon
• Graafiline betoon
• Koorikbetoon
• Poorbetoon

Välislingid

• Eesti Betooniühing
• "Bakterid parandavad betooni"Vikerraadio, 3. september 2010
• Jaan-Juhan Oidermaa:"Teadlased leidsid vanarooma betooni saladuse"ERR Novaator, 4. juuli 2017