Betong

Materialet

Læren om materialet betong kalles betongteknologi.
Betong består av vann, sement, tilslag og tilsetninger. Blandingen av vann og sement kalles sementlim eller sementpasta. Tilslaget, som er et samleord for sand, stein og pukk, blir blandet sammen med sementpastaen. Vanligvis, men ikke alltid, blander man også i tilsetningsstoffer. Det er stoffer som utgjør en relativt liten andel målt i vekt og volum, men som har stor innvirkning på hvilke egenskaper betongen har enten i fersk eller herdet tilstand.
Betong er et mer eller mindre flytende materiale rett etter blanding, og er derfor lett å forme. Men etter hvert som hydratiseringen pågår gjennomgår betongen en herdeprosess og blir et fast materiale. Utstøping og bearbeiding må foregå i løpet av få timer etter blanding, mens betongen fremdeles er mulig å bearbeide.
Til en kubikkmeter vanlig betong vil det normalt gå med 140–190 liter vann, 300–350 kg sement, 950 kg sand og 900 kg stein/pukk, tilsammen ca. 2300 kg. Ved å endre blandeforholdet mellom vann, sement, tilslag og tilsetninger kan man styre egenskapene til betongen, og i stor grad tilpasse betongen til å møte gitte krav.
I Norge produseres betong i henhold til standarden NS-EN 206-1. Standarden gjelder for betong til plasstøpte konstruksjoner, prefabrikkerte konstruksjoner og lastbærende produkter for bygg- og anleggskonstruksjoner. 
Betong produseres i flere forskjellige kvaliteter. Det er først og fremst styrke og bestandighet som skiller kvalitetene fra hverandre. Hvis man sammenligner de betongkvalitetene som brukes mest (B20, B25, B30, B35 og B45), kan man grovt sett si at den beste (B45) er 2-3 ganger sterkere enn den dårligste (B20). Forskjellen i levetid vil være omtrent den samme, dvs 2-3 ganger, men her kan det være større forskjeller. Levetiden er også sterkt avhengig av hvilke omgivelser betongkonstruksjonen står i, for eksempel om den står i tørre og frostfrie omgivelser innendørs, eller om den er utsatt for frost, vann og veisalter utendørs.

Armert betong

Betongen har stor trykkstyrke, men liten strekkstyrke. For at en betongkonstruksjon skal kunne tåle strekkpåkjenninger må den armeres. Betong og armering fungerer sammen som et komposittmateriale – armert betong – der betongen bærer trykkreftene og armeringen tar opp strekkreftene. Det er to armeringsprinsipper som benyttes: slakkarmering og spennarmering. Forskjellen er at ved spennarmering settes armeringen under spenning ved at den strekkes. Dette medfører at armeringen overfører krefter til betongen og trykker betongen sammen. Slakkarmering er tradisjonelle armeringsstenger eller -nett som ligger innstøpt i betongkonstruksjonen. Både spennarmering og slakkarmering lages av stål. Nye armeringsprodukter, blant annet basert på karbonfiber, er under utvikling men ennå ikke kommersielt konkurransedyktig med stål.
Slakkarmerte konstruksjoner kan utføres med fiberarmering i stedet for stangarmering. Fiberarmering er fibre av ståltråd eller polypropen. De er typisk ca. 5 cm lange, har forankringer i begge ender, og blandes inn i betongen på blandeverket. Fiberarmering blir mest benyttet i sprøytebetong. Fiberarmert betong kan oppnå stor seighet.
Enkelte konstruksjoner armeres ikke, rett og slett fordi de utformes slik at de kun blir utsatt for trykkrefter. Et godt eksempel er gravitasjonsdammer, som er demninger som utformes slik at vanntrykket i kombinasjon med egenvekten til dammen sørger for at betongen alltid vil stå under trykk.

Spesialbetong

Vanlig betong, som på fagspråket kalles normalbetong, har en densitet på 2000–2600 kg/m³. Ved å bruke tilslag som er lettere enn sand og stein, som for eksempel ekspandert leire (Leca), pimpstein eller skumplastperler, kan man lage lettbetong. Densiteten blir vanligvis under 1800 kg/m³, og kan bli laget helt ned mot ca. 300 kg/m³. På grunn av at den er mer porøs har lettbetong lavere trykkfasthet enn normalbetong, men den har til gjengjeld bedre varmeisolerende egenskaper. Lettbetong er spesielt interessant å bruke der det er nødvendig å spare vekt, for eksempel ved dårlige grunnforhold.
Tungbetong blir laget ved å bruke tunge tilslagsmaterialer som magnetitt eller barytt og kan få en densitet på opp mot 5600 kg/m³, som er over det dobbelte av normalbetong. Eksempler på bruksområder for tungbetong er som motvekter på kraner, ballast i skip, og beskyttelse mot radioaktiv stråling.
SKB, eller selvkomprimerende betong, er betong som er tilsatt superplastiserende stoffer og derfor har spesielt gode flyteegenskaper. For å få vanlig betong til å fylle formen helt under utstøping må den normalt vibreres slik at luftlommene drives opp til overflaten. Det gjøres ved å stikke en vibrator ned i den ferske betongen og trekke langsomt opp slik at luften trekkes med opp og ut av betongen. Selvkomprimerende betong letter støpearbeidet betydelig fordi SKB er så tyntflytende at det ikke er nødvendig å vibrere. Det er spesielt fordelaktig i slanke konstruksjoner, der armeringen ligger tett, og der det er overforskaling som gjør det vanskelig å komme til med vibrator. En ulempe med SKB er at forskalingen må lages tettere enn ved bruk av vanlig betong.
Betong som blir sprøytet på en annen overflate, vanligvis fjell eller gammel herdet betong, ved hjelp av trykkluft kalles sprøytebetong. I dag er det to metoder for sprøytebetong i bruk, tørrsprøyting og våtsprøyting. Ved tørrsprøyting blir tørrstoffene sement og tilslag ført fram til munnstykket der vann blir tilsatt. Ved våtsprøyting blir betongen blandet før den føres fram til munnstykket. Sprøytebetong blir ofte armert med fiberarmering. Et av anvendelsesområdene til sprøytebetong er fjellsikring. Et lag sprøytebetong, typisk ca. 70-100mm tykt, kan brukes i kombinasjon med fjellbolter for å sikre at løse steiner ikke faller ut fra vertikale utsprengte fjellskjæringer eller fra tak i tunneler. Et annet bruksområde er betongrehabilitering. Da blir skadet betong fjernet, armeringen frilagt, overflaten rengjort, og ny betong blir sprøytet på for å beskytte armeringen og gjenoppbygge betongkonstruksjonen.

Nedbryting

Mange anser betongkonstruksjoner for å være vedlikeholdsfrie og tilnærmet evigvarende. Slik er det ikke. Betong vil brytes ned med tiden akkurat som andre materialer. Moderne betongkonstruksjoner av god kvalitet kan man forvente at vil stå i 50-200 år uten å behøve vedlikehold av betydning. Men hvis man har bygget med en betongkvalitet som er uegnet i det miljøet konstruksjonen står, eller har gitt konstruksjonen en uheldig utforming, kan den være moden for omfattende vedlikehold eller riving allerede etter 20-30 år.
Nedbryting av armert betong skjer enten ved at betongen brytes ned, ved at armeringen korroderer, eller ved en kombinasjon. Betong brytes ned hvis den blir utsatt for påkjenninger den ikke er laget for å motstå. Det kan være mekaniske påkjenninger, frost eller kjemiske reaksjoner med stoffer som er i eller kommer i kontakt med betongen. Hvis armeringen begynner å ruste skyldes dette nesten alltid enten karbonatisering eller kloridinntrengning.
Armeringen ligger beskyttet inne i betongen. Denne beskyttelsen virker av to grunner. Den ene grunnen er at betongen i stor grad hindrer vann å komme inn til armeringen. Den andre grunnen er at betong er svært basisk, har en pH-verdi på 11-13, og derfor danner en beskyttende oksidfilm på ståloverflaten. Betongen herder ved at vann og sement reagerer kjemisk. Noen av reaksjonsproduktene fra herdeprosessen har den negative egenskapen at de reagerer med CO₂ i luften og senker pH-verdien i betongen. Dette kalles karbonatisering. Hvis pH-nivået i betongen synker til under 9,5 vil oksidfilmen forsvinne. Det sjiktet der betongen har pH-verdi på 9,5 kalles karbonatiseringsfronten. Karbonatiseringen starter ytterst i betongoverflaten, der betongen først kommer i kontakt med CO₂, og karbonatiseringsfronten jobber seg innover i betongen med en hastighet på noen millimeter pr tiår. Karbonatiseringsfronten når etter hvert fram til armeringen, som normalt ligger 25–60 mm innenfor betongoverflaten. Da forsvinner oksidfilmen fra overflaten av stålet, og risikoen for rustangrep på armeringen øker betydelig.
Betong kan inneholde klorider når den blir produsert. Det skjer hvis den blir tilsatt sjøvann eller kloridinnholdig tilslag, noe som vil være veldig uheldig. Klorider kan også bli tilført den herdede betongen senere, for eksempel hvis den utsettes for sjøvann eller veisalt. Hvis en tilstrekkelig mengde klorider trenger inn til armeringen, og det er tilgang på vann og oksygen, vil det nesten alltid resultere i rustangrep på armeringen. Hva som er kritisk kloridinnhold varierer fra betongkonstruksjon til betongkonstruksjon. Prefabrikkerte elementer laget på 60- og 70-tallet har vist en tendens til å bli nedbrutt av klorider. Grunnen til dette er utstrakt bruk av salt for å fremskynde herdingen.
Betongen kan brytes ned på grunn av frostskader. Fritt vann i betongens porer vil kunne fryse og medføre strekkspenninger i betongen med påfølgende skader. Det er kun for porøse betonger, for eksempel i bestandighetsklasse M90 (høyt v/c forhold), at deler av det frie vannet fysisk fryser til is. I de fleste betongkvaliteter er det andre effekter, som osmose, som påfører betongen strekkspenninger. En betong som står tørt er ikke utsatt for nedbryting på grunn av fryse- og tinesykluser, mens en betong som er utsatt for saltholdig vann er meget utsatt for denne typen nedbryting. Et godt eksempel på utsatte konstruksjoner er veirekkverk av betong.
Mekanisk nedbryting av betong vil forekomme i tilfeller der betongen er utsatt for stor slitasje. Et godt eksempel er veidekker av betong som utsettes for piggdekk. Konstruksjoner kan også fra tid til annen bli utsatt for større laster enn de er dimensjonert for å bære. Det vil i beste fall føre til oppsprekking og en begynnende nedbryting av betongen, i verste fall til at konstruksjonen kollapser.
Kjemisk nedbryting av betong er en fellesbetegnelse for nedbrytingsmekanismer der kjemiske reaksjoner i betongen resulterer i redusert levetid. De kjemiske reaksjonene forekommer som regel mellom betongen og et tilført (fremmed) stoff, men kan og forekomme mellom ulike bestanddeler i betongen.
De kjemiske reaksjonene kan enten oppløse bindemidlet i betongen, eller de kan gi et reaksjonsprodukt med større volum som dermed virker sprengende på betongen. I den første kategorien er syreangrep som løser opp sementlimet. I den andre kategorien havner alkalireaksjoner, sulfatreaksjoner og nitratreaksjoner som danner forbindelser som binder vann og sveller.

Helse og miljø

Betong er verdens mest brukte byggemateriale, noe som også har konsekvenser for samfunnet, også noen negative. Sementproduksjon er svært energikrevende og fører til utslipp av store mengder CO₂, ca. 5% av de totale CO₂-utslippene på verdensbasis. Betong kan også være helseskadelig. Personer som kommer mye i kontakt med fersk betong risikerer å pådra seg etseskader, eksem eller kromallergi. Omtrent 10% av alle som jobber med fersk betong til daglig rammes av dette i større eller mindre grad.

Helseskader

Sementpastaen, blandingen av vann og sement, har en pH-verdi på 11-13. Det er meget høyt og vil forårsake irritasjon og etseskader i kontakt med hud og slimhinner. Sement inneholder også vannløselige kromsalter som kan forårsake kromallergi. All sement som selges i Norge er dekromatisert, og skal ikke inneholde mer enn 2 mg krom pr kilo sement. Dekromatiseringen blir gjort ved å tilsette jernsulfat i sementmalingen under produksjonen. Sementen blir dekromatisert for å redusere faren for at personer som er mye i kontakt med sement skal utvikle kromallergi.
Den etsende og irriterende effekten av våt sement reduseres ikke av at krominnholdet reduseres. Man skal derfor alltid bruke verneutstyr som hansker, briller, tette støvler og ikke sugende knebeskyttelse når man jobber med fersk betong. Når en arbeider med sement, for eksempel ved blanding av betong, skal en også benytte ansiktsmaske for å hindre sement i å komme i kontakt med slimhinner og lunger.

Klimagasser

Det er først og fremst de store utslippene av CO₂ under fremstilling av sement som gjør at betong har negative miljøkonsekvenser av betydning. På global basis slippes det ut ca. ett tonn CO₂ for hvert tonn sement som produseres, eller ca. 300 kg CO₂ for hver m³ betong. De senere årene er det imidlertid kommet flere betongtyper på markedet med langt lavere CO2-utslipp, såkalte lavkarbonbetonger. Det opereres med ulike lavkarbonbetongklasser. Det er produsert normalbetonger med karbonavtrykk mindre enn 100 kg/m³.
Omtrent halvparten av utslippet fra sementproduksjonen kommer fra spalting av kalkstein under oppvarming (prosessutslipp), den andre halvparten kommer fra bruk av fossile brensel (forbrenningsutslipp). Dette utgjør tilsammen ca. 5% av de totale CO₂-utslippene i verden. Her er det viktig å være klar over at den prosessen (kalsinering) som slipper ut CO₂ ved spalting av kalkstein delvis reverseres når betongen over tid karbonatiseres. Under karbonatiseringen reagerer stoffer i betongen med CO₂ i luften, og betongen binder på den måten 5-20% av den CO₂-en som ble sluppet ut under sementproduksjonen. Utslippene fra sementproduksjonen i Norge er vesentlig lavere enn de globale gjennomsnittstallene. I Norge slippes det ut ca. 53 millioner tonn CO₂ årlig (2014), og omtrent 2 % av dette kommer fra Norges to sementfabrikker som tilsammen slipper ut 1 200 000 tonn CO₂ pr år (kvotepliktige utslipp).
Sementindustrien har oppnådd vesentlige reduksjoner i CO2-utslipp gjennom flere år, og det gjøres omfattende forskning på hvordan utslippene kan reduseres ytterligere. Det er i hovedsak tre områder som muliggjør reduksjoner av utslippene: Redusere bruk av fossilt brensel, redusere klinkerinnhold i sement og karbonfangst . 
Overgang fra fossilt brensel som kull har pågått siden 90-tallet. Norcems fabrikk i Brevik har i dag ca 65 % andel alternative brensler i sin produksjon. De alternative brenslene er basert på avfall som forbehandlet avfall, dyremel eller forbehandlet organisk farlig avfall. En vesentlig andel av disse brenslene er biomasse og således CO₂-nøytralt. 
Redusert klinkerinnhold innebærer at det sementen innblandes alternative tilsatsmaterialer for å redusere mengden med klinker, som er energikrevende å produsere. Det er primært benyttet flygeaske (FA-sement), slagg og kalksteinsmel. I Norge produseres sement med omtrent 20 % innhold av flygeaske (FA-sement), som er et avfallsprodukt fra kullkraftverk. Det utvikles også metoder som gjør at mindre sementmengde behøves i betongblandingen. Det jobbes både med å utvikle tilsetningsstoffer man kan blande i betongen, og med å finne metoder for å male sementen finere slik at hydratiseringen blir mer effektiv. Begge deler vil føre til at sementforbruket per kubikkmeter betong kan reduseres.

Tidlig betonghistorie

Det eldste funnet av et sementlignende bindemiddel er gjort ved bredden av elven Donau. Hyttegulvet som ble funnet er 25 cm tykt og laget av kalksement. Funnet er datert til ca. år 5600 f.Kr. Fra antikkens tid har vi flere eksempler på at man behersket kunsten å lage «kunstig stein». Assyrerne brukte leire og bitumen i sine byggeprosjekter. Egypterne brukte gips og kalk da de bygde pyramidene. Grekerne brente kalk, og romerne framstilte pozzolan-sementer fra knust vulkansk aske. Sitatet over er hentet fra verket De architura libri X av Vitruvius fra år 25 f.Kr, og beskriver sementen som romerne brukte da de oppførte byggverk som Colosseum og Pantheon.
Colosseum ble i stor grad bygget med betong. Betongkuppelen på Pantheon er verderns største kuppel med betong som ikke er armert.
Det engelske ordet for betong concrete kommer fra det latinske ordet concretus som betyr blandet eller grodd sammen. Romerne tok med seg kunnskapen om sement ut i Europa, men med romerrikets fall forvitret også kunnskapen om sementen. Sementen dukket imidlertid opp igjen flere steder i Europa, og på 1100-tallet ble den blant annet brukt til å bygge en større statue i Salzburg og en kirke på De britiske øyer.
I 1824 ble sementkvaliteten kraftig forbedret da den engelske mureren Joseph Aspdin tok patent på et produkt han kalte Portlandsement. Da Themsen-tunnelen ble bygd i 1828 ble det brukt Portlandsement i stedet for den tradisjonelle «Romersk cement», og det til tross for at Portlandsementen kostet det dobbelte av Romersk cement. I Norge var man også tidlig ute, og den første norske sementen ble framstilt i 1840-årene. Den franske gartneren Joseph Monier fant ut hvordan han kunne bruke armering til å forsterke blomsterpotter av betong, og han tok patent på armert betong i 1867.
Da fikk betongen sitt virkelige gjennombrudd som byggemateriale.

Norsk betonghistorie

Norsk sementindustri startet for alvor i 1888 da selskapet Christiania Cement Aktiebolag ble grunnlagt av svenske og tyske forretningsmenn. Selskapet bygde den første sementfabrikken på Slemmestad, og startet sementproduksjon i 1890. Etter en trang start, og et par konkurser, ble sementfabrikken overtatt av A/S Christiania Portland Cementfabrik i 1892. Denne fabrikken var alene om å produsere sement i Norge helt fram til første verdenskrig, da tre nye sementfabrikker så dagens lys i løpet årene 1916-1918. Det var Cementfabrikken Norge i Lier, A/S Dalen Portland Cementfabrik i Brevik, og Nordland Portland Cementfabrik A/S i Kjøpsvik. Cementfabrikken Norge gikk overende i 1927, og i 1968 fusjonerte de tre andre og dannet A/S Norcem. Fabrikken på Slemmestad ble nedlagt i 1989. I dag (2008) har A/S Norcem to sementfabrikker i Norge, en i Brevik og en i Kjøpsvik.
Inntil 1928 brukte man bare importert armering i Norge. Da startet Christiania Spigerverk produksjon av armeringsstenger. Og i 1953 lanserte Spigerverket det første norskproduserte kamstålet. Norsk Jernverk i Mo i Rana begynte med produksjon av armeringsstenger i 1950, og er nå den eneste norske produsenten etter at Christiania Spigerverk ble nedlagt i 1988.
I forbindelse med opprustningen av det norske Forsvaret i tiden før 1905, ble det bygget en rekke moniermagasin i lettarmert betong. Fra 1911 ble det bygget nye grensefestninger i betong, det største anlegget var reduiten ved Høytorp fort, som var landets største betongbygning da den sto ferdig i 1915.
Det var ikke lett å få aksept for å bygge i betong de første årene etter århundreskiftet. Jernbanen, som var en av datidens store byggherrer, aksepterte ikke jernbetong som armert betong ble kalt på den tiden. Bygningsvesenet ville ikke gi tillatelse til å bygge fordi ingen visste hvordan man skulle beregne armert betong. Men verden gikk framover, industrien ekspanderte og trengte kraft, og utbygging av vannkraftverkene utover på 1900-tallet åpnet et stort marked for betongen.
I Norge startet ingeniør Fredrik Selmer (1876–1968) i 1906 sin egen virksomhet som spesialiserte seg innen armert betong, Ingeniør F. Selmer A/S. Firmaets første oppdrag kom i 1906 og besto av å støpe gulv og trapper i Bogstadveien skole (Majorstuen skole). Skolen ble tegnet av arkitekt Bredo Berntsen og sto ferdig i 1908. Det var spesielt industriutbyggere og kraftutbyggere som tidlig så mulighetene til denne nye byggemetoden.