Steinsteypa

Steinsteypa er byggingarefni sem gert er úr sementi, grjóti (oft möl, kalksteini eða graníti), sandi, vatni og öðrum fylliefnum. Steinsteypa harðnar eftir blöndun við vatn. Vatn hefur áhrif á sement þannig að það límir saman önnur efni. Þá myndast efni sem svipar til bergs. Steinsteypa er notuð í gangstéttir, húsgrunna, vegi og hraðbrautir, brýr, bílastæði, veggi og undirstöður fyrir grindverk, hlið og stangir.

Steinsteypa er mest notaða byggingarefni í heimi. Frá og með 2006 eru búnir til um 7,5 rúmkílómetrar af steinsteypu árlega, þ.e. meira en einn rúmmetri á hvern jarðarbúa. Í Bandaríkjunum veltir steinsteypumarkaðurinn 35 milljörðum Bandaríkjadala á hverju ári. Samtals eru meira en 89.000 km af steinsteyptri hraðbraut í Bandaríkjunum. Járnbent steinsteypa og forspennt steinsteypa eru helstu steinsteyputegundir í notkun.

Saga 

Rómverjar fundu upp rómverska steinsteypu (opus caementicium á latnesku) og gerðu hana úr kalki, ösku og vikri eða mulningi. Hún var víðnotuð í rómverskum byggingum en uppgötvun hennar markaði tímamót í sögu byggingarlistar og eyddi þeim takmörkunum sem notkun steina og múrsteina setti. Ný og byltingarkennd hönnun varð möguleg með notkun steinsteypu og hægt var að reisa stærri byggingar og byggja í formum sem áður var ógerlegt að skapa.

Nýlegar rannsóknir hafa leitt í ljós að opus caementicium jafnast á við nútímasteinsteypu í þrýstiþoli, en nútímaleg járnbent steinsteypa er sterkari hvað togþol varðar. Rómverjar notuðu steinsteypu sína ekki á sama hátt og steinsteypa er notuð í dag, til dæmis lögðu þeir hana í lög með höndunum en helltu ekki í mót.

Vegna notkunar steinsteypu í Rómaveldi standa margar rómverskar byggingar enn í dag. Caracalla-almenningsbaðhúsið í Róm er gott dæmi um langlífi þeirrar steinsteypu sem gerði Rómverjum kleift að reisa þá byggingu og aðrar af svipuðu tagi um allt Rómaveldi. Margar rómverskar vatnsveitubrýr og umferðarbrýr voru gerðar úr steinsteypu og þá klæddar með múrsteinum. Rómverjarnir notuðu þessa aðferð til að reisa mannvirki eins og Panþeon, sem er með hvolfþak úr steinsteypu.

Steinsteypuleyndarmálið var týnt í 13 aldir þar til 1756, þegar breski verkfræðingurinn John Smeaton notaði vökvakalk (e. hydraulic lime) í steinsteypu, með smásteina og mulinn múrstein sem fylliefnin. Portland-sement var notað í steinsteypu í fyrsta sinn um 1840. Hins vegar hafa fundist merki um notkun steinsteypu í byggingu Canal du Midi í Frakklandi, sem er skipaskurður, gerður árið 1670.

Í seinni tíð hefur notkun endurunninna efna í steinsteypu orðið sífellt vinsælli vegna lagasetningar um umhverfismál sem er að verða æ strangari. Helst þessara efna er svifaska (e. fly ash) sem er aukaafurð kolaknúinna virkjana. Notkun svifösku í steinsteypu hefur mikil jákvæð umhverfisáhrif með því að draga úr því efni sem fara þarf til urðunar. Þar að auki þarf ekki að framleiða eins mikið sement þar sem svifaska getur verið staðgengill þess.

Bætiefni hafa verið notuð í steinsteypu frá tímum Rómverja og Egypta þegar uppgötvaðist að hægt væri að nota ösku úr eldfjöllum til að láta sement harðna neðansjávar. Á svipaðan hátt uppgötvuðu Rómverjar að með því að bæta hrosshárum út í steinsteypu mátti verja hana fyrir sprungum, og ef blóði var bætt í hana varð hún frostþolin.

Nú á dögum hafa verið gerðar tilraunir til að bæta steinsteypu með því að blanda hana ýmsum efnum, til dæmis til þess að auka styrk hennar eða gefa henni leiðnieiginleika.

Samsetning 

Til eru margar tegundir steinsteypu sem eru búnar til með því að breyta hlutföllum innihaldsefna.

Sement 
Portland-sement er algengasta tegund af sementi sem nú er í notkun. Það er notað í steinsteypu,  múrblöndu og pússningu. John Aspdin, enskur verkfræðingur, fékk einkaleyfi á Portland-sementi árið 1824, en það heitir svo vegna þess hve líkt það er Portland-steini á litinn. Steinn þessi er grafinn upp úr grjótnámu á Portlandey við England, og er víða notaður í byggingum í London. Hann er úr blöndu af kalsín-, kísil- og áloxíði. Portland-sement og önnur lík efni eru búin til með því að hita kalkstein (uppsprettu kalsíns) og leir, mala þessa blöndu (sem heitir harður múrsteinn) og loks að blanda í hana súlfatríku efni, oftast gifsi. Framleiðsla Portland-sements stendur á bak við um það bil 5% þess koltvísýrings sem mannkyn gefur frá sér.

Vatn 
Þegar sementi og vatni er blandað saman myndast klístur. Þetta klístur límir saman steina í blöndunni, fyllir bil á milli þeirra og gerir sementinu kleift að flæða á auðveldan hátt. Sé lítið vatn í blöndunni verður steinsteypan sterkari og endingarbetri. Hærra hlutfall vatns gerir steinsteypuna meira þunnfljótandi. Ef vatnið sem notað er í blönduna er óhreint, getur steinsteypan átt erfitt með að harðna og orðið veikbyggð.

Efnahvarfið sem gerist í steinsteypu er svona:
 Ca3SiO5 + H2O → (CaO)•(SiO2)•(H2O)(gel) + Ca(OH)2

Fylliefni 
Helsta fylliefni í steinsteypu er grjót af mismunandi kornastærð. Mest notuðu fylliefnin eru sandur og mulinn steinn. Nú á dögum má nota endurunnin fylliefni (úr uppbyggingu eða niðurrifi) í bland við hefðbundin fylliefni. Einnig eru notuð fylliefni úr iðnaðarframleiðslu eins og sori og botnaska úr málmbræðsluofnum.

Ef ætlast er til þess að yfirborð steinsteypunnar sjáist er stundum bætt í hana skrautefnum eins og kvarsíti, smásteinum eða muldu gleri.

Styrking 
Steinsteypa hefur mikið þrýstiþol af því að fylliefnin taka á móti þrýstingnum. Hins vegar er togþol steinsteypu veilt, af því að sementið sem skorðar fylliefnin getur brostið þegar það er togað í sundur. Járnbent steinsteypa er sterkari en venjuleg steinsteypa vegna járnabindingarinnar sem eykur togþol hennar.

Tengt efni 
 Múrblanda
 Sement

Heimildir 

Steinsteypa
Byggingarefni