Betoon

Betoon (prantsuse keeles béton, ladina sõnast bitumen 'maapigi') on tehislik kivimaterjal, üks põhilisi ehitusmaterjale.
Betoon on komposiitmaterjal, mis koosneb jämedakoelistest täitematerjalidest, mida seob aja jooksul kõvastuv tsement. Suurem osa betoonidest põhineb lubjakivitsementidel, näiteks portlandtsemendil, aga leidub ka betoone, kus kasutatakse teisi hüdraulilisi tsemente, näiteks ciment fondu (aluminaattsement, mis põhineb kaltsiumaluminaatidel). Teede ehitusel kasutatav asfaltbetoon on samuti üks betooni alaliike, kus tsementmaterjaliks on bituumen. Veel kasutatakse polümeerbetoone, kus tsementeerivaks aineks on polümeer.
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, näiteks putsolaane ja plastifikaatoreid. Nende lisamine võimaldab parandada märja segu või lõppmaterjali füüsikalisi omadusi. Enamik betooni valatakse koos armeeriva materjaliga, enamasti terasarmatuuriga, mis parandab tõmbetugevust ning lõpptulemusena saadakse raudbetoon.
Kuulsate betoonehitiste hulka kuuluvad Hooveri pais, Panama kanal ja Rooma Panteon. Varaseimad laialdased betoontehnoloogia kasutajad olid vanad roomlased ja Rooma impeeriumis oli betooni kasutus laialt levinud. Roomas asuv Colosseum ehitati suuremas osas betoonist, antiikaja suurim 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 kujuga ehitusdetaile või terveid ehitisi. Raudbetooni puhul on tugevduseks lisatud sarrused või armatuurvõrk. Betooni tähtsaim omadus on tugevus, mis võib olla väga erineva suurusega ja sõltub peamiselt tihedusest. Betooni tugevust iseloomustab selle mark, mis määrab ära betooni survetugevuse ja tõmbetugevuse telgtõmbe või painde korral.

Eelajalugu

Esimesed betoonilaadsed ehitised valmistasid Nabatea kaupmehed ja beduiinid, kes valitsesid oaase ja lõid väikese kuningriigi praeguse Lõuna-Süüria ja Põhja-Jordaania aladel 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

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 püramiidi ehitamisel 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 ja Suure Hiina müüri ehitamisel. Spektromeetrilised uuringud 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 (kohanime Pozzuoli järgi), 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 meenutas purdmaterjali, 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 kasutati harena fossicia tüüpi vulkaanilist liiva. Mere- ja mageveega kokkupuutuvate ehitiste nagu sildade, 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 betoonist Canal du Midi.

Industriaalajastu

Suurimaks betoonikasutuse innustajaks peetakse 1759. aastal valminud Smeatoni torni Devonis Inglismaal. Selle ehitamiseks hakkas briti insener John Smeaton kasutama betoonis tsemendina põletatud lupja, millest saadud klinker jahvatati pulbriks. Täitematerjalina kasutas ta jõekive ning purustatud telliseid.
1824. aastal patenteeris inglane Joseph Aspdin portlandtsemendi. Selle saamiseks põletas ta peeneks jahvatatud kriiti ja savi põletusahjus, kuni kogu süsihappegaas oli karbonaatidest eemaldunud. Ta nimetas seda portlandtsemendiks, sest saadud tehiskivim sarnanes Inglismaal Portlandis leiduva loodusliku kivimiga.
Armeeritud betooni leiutas 1849. aastal aednik Joseph Monier. Esimene raudbetoonist sild ehitati 1889. aastal ja esimesed suured betoonpaisud ehitati 1936. aastal (Hooveri pais ja Grand Coulee pais).

Betooni koostis

Betoon varieerub oma koostises palju ja seega on välja töötatud palju erinevaid betoonitüüpe. Täitematerjali ja tsementi oskuslikult valides saab betooni kasutada väga paljudel kasutusaladel ning saavutada vajalik tugevus, tihedus, keemiline või termiline vastupidavus.
Täitematerjal koosneb suurtest tükkidest, mis annavad betoonile suurema mahu ning aitavad materjalil mehaanilisi pingeid paremini taluda. Täitematerjaliks võib olla näiteks purustatud graniit või paekivi, väikesed maa- ja jõekivid ning liiv. Täitematerjal ei osale keemilises reaktsioonis.
Tsemendiks on harilikult portlandtsement ning betooni all mõistetaksegi tavaliselt portlandtsementi kasutavaid tehiskivimeid. Peale portlandtsemendi võib betoonis kasutada ka bituumenit, et saada asfaltbetoon. Kasutusel on ka lendtuhast ja räbust saadud tsemendid, millele on vahel lisatud ka teisi mineraalseid lisandeid.
Betooni valmistamiseks on enamiku tsementide korral (v.a asfalt) vaja vett, mis segatakse kuiva(de) täitematerjali(de) ja tsemendiga. Tekkiv poolvedel mass on töödeldav, tavaliselt vormi valamise teel. Betoon kivistub ning kõvastub hüdratatsiooni käigus. 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 betoonis sarrustamist. Lihtne on valmistada kõrge survetugevusega betooni, aga selle tõmbetugevus on alati nõrgem. Praktilistes rakendustes ei saa piirduda ainult kõrge survetugevusega ning seetõttu lisatakse betooni armatuur, 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 on kivisöe küttel töötavate soojuselektrijaamade kõrvalsaaduse lendtuha kasutamine. Kasutatakse ka terasetööstuses ülejäävat kõrgahjuräbu, mis granuleeritakse, ning ränidioksiidisuitsu, mida saadakse elektrikaarahjudest. 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

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 nii Portlandi saarelt kaevandatava kivimiga sarnanemise tõttu.
Portlandtsemendi põhilised koostisosad on mineraalid aliit ja beliit, mis on kaltsiumsilikaadid, ning tseliit I ja tseliit II. Sellist tsementi saadakse lubjakivi põletamisel koos saviga ning selle saaduse ehk klinkri jahvatamisel sulfaadi (tavaliselt kips) 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 GJ energiat ühe tonni klinkri valmistamiseks ja jahvatamiseks. Paljud ahjud kasutavad kütusena ka raskesti käideldavaid jäätmeid, näiteks autorehve.

Vesi

Vee lisamine tsemendile tekitab hüdratatsiooniprotsessi tulemusena tsemendipasta. Pasta täidab tühimikud, parandab voolavust ning lõpuks liimib täitematerjali kokku.
Väike vesitsementtegur (inglise keeles wc, w/c või w/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.
Kulgev keemiline reaktsioon on 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, SiO₂ ning vee H₂O sisaldus C-S-H-is võib varieeruda)

Täitematerjalid ehk agregaadid

Enamuse betooni massist ja mahust moodustavad jämedad ja peened täitematerjalid. Liiv, looduslik kruus ja purustatud kivid ehk killustik on põhiliselt kasutatavad täitematerjalid. Taaskasutatud täitematerjalid nagu ehituspraht ja kaevejäägid leiavad järjest rohkem kasutust, samuti on lubatud tööstuslike jäätmete nagu räbu ja tuhk kasutamine.
Osakeste suurusjaotus betoonis määrab, kui palju sideainet ehk tsementliimi vajatakse. 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 detailides tugevusgradiendi.
Dekoratiivsete omaduste parandamiseks lisatakse mõnikord betooni pinnale jõekive, purustatud klaasi või kvartsiiti. 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 betooni teras- või klaaskiudarmatuur, mis on vastupidav tõmbele ja võimaldab teha betoonist palju keerulisemaid konstruktsioone.

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.