Betoni
Betoni on valmistettaessa nestemäisessä muodossa olevaa massaa, joka raaka-aineidensa kemiallisen reaktion kautta kovettuu kiinteään, kivimäiseen muotoon. Betoni on yksi tärkeimmistä ja käytetyimmistä rakennusmateriaaleista erityyppisissä rakenteissa ja rakennusosissa.
Betoni koostuu runkoaineesta, sementistä ja vedestä sekä mahdollisista lisä- ja seosaineista. Runkoaine on rakeista kiveä, jonka raekokoa ja -jakaumaa säätämällä voidaan vaikuttaa valmiin rakennusosan ominaisuuksiin. Sementti puolestaan saa veden kanssa aikaan kovettumiseen vaadittavan kemiallisen reaktion. Lisä- ja seosaineita lisäämällä voidaan vaikuttaa betonin eri ominaisuuksiin. Lisäaineilla voidaan vaikuttaa esim. pakkasenkestävyyteen, notkeuteen ja kovettumiseen. Seosaineilla taas voidaan vaikuttaa mm. työstettävyyteen, koossapysyvyyteen ja lujuuteen. Myös kovettuneeksi miellettyyn betoniin on sitoutunut niin sanottua "geelivettä". Massan alkuvaiheen nopean kovettumisen jälkeen kemiallinen reaktio jatkuu hitaana kunnes kaikki ainesosat ovat sitoutuneet täydellisesti - raaka-aineiltaan hyvin suhteutettu betoni kovettuu vielä parikymmentä vuotta valun jälkeen.
Betonista on määritelty lukuisia lujuusominaisuuksiltaan erilaisia laatuja. Betoninormeissa puristuslujuuden luokitus perustuu kuutiolujuuteen, jota testataan käyttäen sivumitaltaan 150 mm koekuutioita, jotka puristetaan rikki. Lujuus ilmoitetaan K-lukuna, yksikkönä käytetään megapascalia (MPa).
Laboratorio-olosuhteissa kyetään valmistamaan jopa yli "K100" (puristuslujuus 100 MPa) betonia, mutta suurimmat lujuudet työmaakäytössä ovat "K70". Suurilujuuksista betonia voidaan tarvita esimerkiksi pilvenpiirtäjien perustuksiin ja alimpiin kerroksiin, sekä suurten koneiden perustuksiin.
Betonirakenteen halkeilu merkitsee aina vetolujuuden ylittymistä. Se voi johtua rakenteen sisäisistä jännityksistä, esim. lämpötilan epätasaisesta jakautumisesta rakenteen kovettumisen aikana tai ulkoisista kuormista.
Betonirakenteisiin kuuluvat raudoittamattomat ja raudoitetut betonirakenteet. Raudoitettuja betonirakenteita ovat esim. teräsbetonirakenteet sekä jännitetyt rakenteet. Raudoittamattomat rakenteet on suunniteltu siten, että betoni yksinään kestää rakenteelle tulevat rasitukset. Raudoitetut betonirakenteet on suunniteltu siten, että betoni ja raudoitus toimimalla yhdessä kestävät betoniin kohdistuvat rasitukset.
Kovettunut betoni kestää varsin hyvin puristusvoimia, mutta vetorasitusta huonosti, vain noin kymmenesosan puristuskestävyydestä. Jopa antiikin aikoina betonin tyyppisillä massoilla on kuitenkin rakennettu vaativiakin rakenteita, esimerkiksi Pantheonin temppelin kupoli.
Rakennetta voidaan vahvistaa teräsraudoitusten avulla, jolloin raudoitus ottaa vastaan vetorasitukset ja betoni puristusrasitukset. Betonin ja raudoitustankojen välinen tartunta siis huolehtii siitä, että vetojännitykset siirtyvät betonista raudoitustangoille. Teräksellä ja betonilla on lähes sama lämpölaajenemiskerroin, joten rakenne pysyy ehjänä lämpötilojen muuttuessakin.
Betonin vaatimattoman vetolujuuden aiheuttamia rajoituksia ja haittoja voidaan merkittävästi vähentää käyttämällä betonirakenteiden jännittämistä. Tyypillisiä esimerkkejä jännitetyistä rakenteista ovat palkit, holvit ja siltarakenteet, joiden kantavuutta voidaan nostaa merkittävästi jännittämisen avulla. Jännittämisen ansiosta voidaan käyttää hoikempia rakenteita ja pidentää jännevälejä verrattuna perinteiseen raudoitettuun betonirakenteeseen. Jännebetonirakenteella on lukuisia etuja:
Jännitettyjä betonirakenteita käytetään paljon silloissa, elementeissä, teollisuusrakennuksissa, säiliöissä, padoissa, vesitorneissa sekä muissa rakenteissa, joissa pyritään saavuttamaan hyvä tiiviys, kestävyys ja lujuus kustannustehokkaasti.
Betonin tyyppistä ainetta nimeltään "opus caementicium" käytettiin jo antiikin Rooman aikana. Tällöin tehdyt betonirakenteet ovat säilyneet nykyaikaan saakka. Niiden kestävyyden syitä ovat sementin joukkoon lisätty alumiinipitoinen tulivuorentuhka ja kalkkikiven puhtaus. Rooman kulttuurin rappeutumisen myötä betonin käyttö kuitenkin hiipui ja keskiajalla sitä ei käytännössä edes tunnettu.
1800-luvulla betoni tuli uudelleen käyttöön ja 1900-luvulla sen käyttö laajeni huomattavasti, koska kehitettiin raudoitusten ja betonin yhdistelmä, "teräsbetoni". Samoin betonin "muottiin" valun kehittäminen lisäsi aineen käyttömahdollisuuksia. Muotti mahdollisti betonin valamisen hyvin monenlaisiin eri muotoihin.
Betonin runkoaineena käytetään rakeisuudeltaan erikokoisia kiviaineksia. Betonin osa-aineista kiviaineksen tilavuus on noin 65–80 %. Kiviaineisten ominaisuuksilla on suuri merkitys betonin ominaisuuksiin.
Kiviaineksena voidaan periaatteessa käyttää mitä tahansa riittävän lujia ja tiivitä kiviä, jotka eivät osallistu sementin reaktioihin tai huononna betonin säilyvyyttä. Yleisimmin betonin kiviaineksena käytetään luonnon kiviaineksia, jotka voivat olla joko luonnon muokkaamia tai mekaanisesti murskattuja. Suomessa käytetään yleensä mekaanisesti murskattua graniittipohjaista luonnonkiviainesta. Kiviaineksena voidaan käyttää myös ns. keinotekoisia kiviaineksia esim. kevytsoraa tai tiilimurskaa.
Betonin runkoaineena käytettävän kiviaineksen tulee olla käyttötarkoitukseensa sopivaa eli se ei saa sisältää haitallisia määriä aineita, jotka vaikuttavat heikentävästi betonin tai betonissa olevien raudoitteiden ominaisuuksiin. Kiviaines siis ei saa sisältää esim. roskia, öljyä tai jäätä.
Rakeisuudella tarkoitetaan kiviaineksen sisältämien erisuuruisten rakeiden määrien painosuhteita. Rakeisuus kuvaa kiviaineksen rakeiden kokoja ja jakaumaa. Rakeisuus määritellään yleensä seulomalla. Rakeisuuden suunnittelun tavoitteena on valita raejakauma siten, että rakeet pakkautuvat hyvin toistensa lomaan ja näin syntyy tiivis ja hyvin koossapysyvä rakenne.
Hyvän lujuuden aikaansaamiseksi suositellaan käytettävän vähintään kahta kiviaineslajitetta: hienoa (esimerkiksi 0 - 8 mm) ja karkeata (esimerkiksi 8 - 16). Useamman kokoiset kivirakeet sijoittuvat toistensa lomiin joten kiviaineksen liimapinta-ala kasvaa.
Betoniseokseen käytettävän veden on oltava puhdasta. Nyrkkisääntönä voidaan todeta, että juomakelpoinen vesi kelpaa myös betonin valmistukseen. Sementti reagoi veden kanssa kemiallisesti betonin kovettuessa ja tämä mahdollistaa esimerkiksi betonin valamisen veden alla, kunhan pidetään huolta ettei sementti huuhtoudu pois. Vettä tarvitaan betonin teossa sementin sitoutumisreaktiossa, mutta sitä jää betoniin myös muualle. Betonin teossa merkittävä lujuuteen ja säänkestävyyteen vaikuttava määre on vesi/sementti suhde. Vettä tulee olla vähintään 0,4 osaa sementistä, jotta sementti reagoi kokonaan. Yleisesti käytetään jopa 0,7 suhdetta notkeuden saavuttamiseksi, mutta silloin menetetään lujuutta, tiiveyttä ja muutamia muita ominaisuuksia.
Sementti on hydraulinen sideaine, joka veden kanssa reagoidessaan muodostaa kestävän lopputuotteen. Sementin kemiallinen koostumus vaikuttaa sekä tuoreen betonin työstettävyyteen että kovettuneen betonin säilyvyyteen. Myös betonin ominaisuuksiin, esim. lujuus, lämmönkehitys ja kemiallinen kestävyys, voidaan vaikuttaa sementin valinnalla.
Betoninormien mukaan betonin valmistukseen käytettävien sementtien tulee olla CE-merkittyjä ja täyttää sementtistandardin SFS-EN 197-1 vaatimukset. Standardi määrittelee tavallisten sementtien koostumus- ja laatuvaatimukset.
Sementti koostuu luonnonmateriaaleista, kalkkikivi, kvartsi ja savi. Jo roomalaiset hallitsivat eräänlaisen betonin tyyppisen massan valmistuksen, he käyttivät raaka-aineena Vesuvius-tulivuoren kvartsipitoista kiviainesta. Tuhkamainen murske jauhettiin tasaiseksi ja poltettiin korkeassa lämpötilassa. Antiikin aikainen betoni on kestävämpää kuin nykyaikainen, vaikka siinä ei ole raudoitusta.
Betonin side- ja runkoaineena voidaan käyttää mineraalisia seosaineita, joita ovat mm. lentotuhka, masuunikuonajauhe ja silika.
Lentotuhka on hienoksi jauhetun kivihiilen poltossa syntyvä pozzolaani. Lentotuhka voi toimia betonissa kiviaineksena tai sideaineena.
Masuunikuonajauhe on hienoksi jauhettua granuloitua masuunikuonaa, jolla on piilevät hydrauliset ominaisuudet. Masuunikuonajauheen vedentarve on pieni, joten se notkistaa betonia.
Silika on piiraudan ja alkuaine piin valmistuksessa syntyvä savukaasuista erotettava erittäin hienojakoinen aine. Silika lisää huomattavasti betonin lujuutta. Lisäksi silika parantaa betonin kemiallista kestävyyttä, koossapysyvyyttä, tiiviyttä ja vedenpitävyyttä.
Betonimassan ominaisuuksia voidaan säädellä mm. erilaisilla lisäaineilla. Lisäaineiden määrät betonissa ovat hyvin pieniä verrattuna betonin muiden raaka-aineiden määriin. Lisäaineiden käytöllä pyritään parantamaan betonin teknisiä ominaisuuksia ja betonin taloudellisuutta.
Betonin tyypillisiä lisäaineita ovat mm. notkistimet, hidastimet ja huokostimet. Huokostamalla betonia voidaan parantaa sen pakkasenkestävyyttä. Hidastimella taas saadaan siirrettyä betonin sitoutumista myöhäisemmäksi. Notkistimet toimivat sementin ja veden välillä ja parantavat betonin työstettävyyttä.
Omatoiminen betonin valmistus on edullista silloin, kun käytettävissä on työmaasekoitin ja tarvittava betonimäärä on enintään muutamia satoja litroja. Omatoimiseen betonin tekoon vaikuttavat myös kulkuyhteydet ja tarvittavan runkoaineen hyvä saatavuus (sora/hiekka). Betonin ainesosat voidaan annostella tilavuusosina. Työmaalla yleisesti käytettävä sekoitin on pieni "vapaapudotussekoitin", jonka tilavuus on 120–200 litraa. Sekoittimella valmistettava betoniannos voi olla vain noin 2/3 vesitilavuudesta. Tehokkaan sekoituksen varmistamiseksi kannattaa aina valmistaa täysiä annoksia. Annoksen on aina oltava vähintään 1/5 vesitilavuudesta. Itse tehtynä lujuusluokkaa voidaan vain arvailla, mutta on annettu taulukko (3-rakenneluokka), jolla lujuuden voi määrittää C15/20 asti riittävän suurella varmuudella. Betonin itsesekoittajan rajoitus lujuusluokaan C15/20 koskee vain kantavia rakenteita (korkeampaa arvoa ei saa käyttää laskelmissa hyväksi), mutta esimerkiksi pihalaatat saa tehdä vaikka C25/30 tai jopa C50 betonista (jos sitä sattuu löytämään, tai pystyy tekemään), silloin ne kestävät hyvin säätä eivätkä rikkoudu helposti.
Betonin valmistus aloitetaan työmaalla sekoittamalla keskenään vesi, sementti ja runkoaine. Betoni alkaa kovettua välittömästi reagoidessaan veden kanssa - reaktio on tosin melko hidas.
Nykyisin ei betonia valmisteta työmailla, jos tarvittavat määrät ovat suurempia kuin 1 m, tai työmaalla ei ole ns. siirrettävää betoniasemaa. Betoni toimitetaan työmaalle pyörintäsäiliöautoilla. Kuorma puretaan betoniauton purkurännillä valukohteeseen suoraan, autosta betonipumppuun tai työmaan vastaanottosuppiloon, josta se siirretään nosturilla valukohteeseen. Betonin pumppaus on suurissa valuissa nopein ja edullisin tapa valaa.
Betonin valamiseen soveltuvin lämpötila on +20 °C tai hiukan alle. Joitain valuja voidaan tehdä jopa 15 °C pakkasella, sillä kovettuessaan betoni vapauttaa jonkin verran lämpöä. Valmista valua voidaan myös lämmittää keinotekoisesti erilaisin menetelmin. Jos pakkasta on liikaa, ei betoni kovetu ja menee pilalle, ts. se ei kovetu enää myöhemmässäkään vaiheessa. Betoni valetaan muottiin ja noin kahden vuorokauden kuluttua betoni on kovettunut riittävästi muotin poistamiseksi. Isoja valuja tehtäessä betonia estetään lämpenemästä liikaa kaatamalla sen päälle vettä, sillä suuri betonimassa saattaa kehittää riittävästi lämpöä halkaistakseen itsensä lämpölaajetessaan. Varsinkin ensimmäisten vuorokausien aikana betoni on herkkää halkeamaan. Betonin kuivumista pitää myös estää, jotta kaikki sementti reagoisi veden kanssa ja täysi lujuus saavutettaisiin. Betonin ja tiilen rajapinta on ongelmallinen, sillä tiili imee vettä liian nopeasti ja voimakkaasti tavallisille betonilaaduille.
Betoni katsotaan saavuttaneen täyden lujuutensa noin 28 vuorokauden kuluttua. Betoni kovettuu vielä tämänkin jälkeen - itse asiassa kovettuminen jatkuu vuosia, suurissa valuissa jopa vuosikymmeniä.
Kantavan tai maanvaraisen betonilattialaatan rakenteeseen kuuluu alhaalta lukien kantava ja kapillaarista vedennousua katkaiseva sepelikerros, tasoitehiekkakerros mahdollisine suodatuskankaineen, ja lämmöneristekerros, tyypillisesti polystryreenilevyistä tehtynä. On suositeltavaa käyttää vähintään 300 mm paksua sepelikerrosta, materiaalina esimerkiksi pesty sepeli. Sepelikerros tasoitetaan ja tiivistetään. Sepelipohja voidaan vielä oikaista ja tasoittaa suodatinkankaan päälle asennetavalla hiekkakerroksella, jonka päälle asennetaan yleensä lämpöeristeet ja raudoitusverkko.
Ennen valun aloittamista on ympäröiville seinille mitattava riittävän tiheään vaa'atut korkeusmerkit. Usein käytetään myös katosta riippuvia korkoseipäitä merkitsemään keskilattian korko. Tavallisesti käytetään metrin korkoa valmiista lattiapinnasta, mutta silmän korkeudelle asetettu merkintä helpottaa työskentelyä. Korkomerkeistä mitaten betonivalun "tasoittaja" voi seurata ja valvoa lattian korkeusasemaa ja tasaisuutta. Tarvittavat talotekniikan asennukset, esimerkiksi kaivot, viemärit, vesijohdot ja sähkökaapelit on asennettava paikoilleen ennen betonivalua.
"Kivimurske" on sovelias kiviaines lattiabetonissa käytettäväksi. Se sisältää sopivasti kaikkia karkeuksia, hienoista karkeimpaan, mutta ei kuitenkaan isompia kiviä, jotka haittaisivat merkittävästi tasoitustyötä. Lattiabetoni ei saisi olla liian löysää eli juoksevaa. Erityisesti mikäli lattiaan tulee lattiakaivoja, on betonin oltava riittävän jäykkää, jotta massaan voidaan muovata tarvittavat kaadot.
Ensin tärkein, eli betonimassa linjataan joko suoraksi lattiaksi tai kaatamaan kaivoille; esim. sauna ja suihkutilat, autotallit ym. Linjauksella lattia saa muotonsa ja suoruutensa. Sitten odotetaan, että lattia kuivuu sopivasti, jonka jälkeen hierretään tasaiseksi puulatalla ja tehdään lopullinen pinnan viimeistely eli "liippaus" heti perään. Hierto eli liippaus käsin tehden aloitetaan samasta päästä lattiaa kuin mistä linjaus aloitettiin, koska betoni kuivuu sitä mukaa kuin se on linjattu. Käsiliippauksessa edetään "polvilevyjen" varassa järkevästi aloituspäästä loppuun päin kuitenkin niin, että jokainen kohta tulee hierrettyä/liipattua. Joskus pelkkä karkeampi puulastahierräntä riittää. Käsittelystä riippuen puhutaan "puuhierretystä" tai "teräshierretystä" pinnasta.
Työmaalla valettavien rakennusosien sijaan usein käytetään tehdasvalmisteisia "betonielementtejä": pilareita, ontelolaattoja, seiniä ja julkisivuelementtejä. Elementit voivat olla hyvinkin pitkälle vietyjä, esimerkiksi julkisivuelementtejä, joissa on sisäkerros, lämpöeristeet ja ulkokerros. Raudoituksen lisäksi kantavuuden ja lujuuden kannalta betonielementin "pinta" on tärkeimpiä osia, sillä siihen kohdistuvat yleensä suurimmat voimat. Huonolaatuisissa elementeissä pinta helposti halkeilee ajan myötä.
Elementtien pinta voi olla käsitelty eri tavoin: pinnan hienoaines voidaan pestä pois (ns. "pesubetoni"), pinta voidaan kiillottaa, happokäsitellä tai pinnoittaa kivi-, tiili- tai klinkkerilaatoilla. Betonimassassa voidaan myös käyttää massalle värin antavaa pigmenttiä. Elementit nostetaan paikalleen ja kiinnitetään toisiinsa tyypillisesti valaen. Elementit voivat olla vakioitu standardimaisiksi tuotteiksi asti: esimerkiksi erilaisia betoniputkia ja -paaluja käytetään paljon.
Elementtirakentaminen on erittäin nopeaa verrattuna paikallavaluun. Etuna nopeuden lisäksi on myös rakenneosien parempi mittatarkkuus.
Betoninvalmistusteollisuus tuottaa noin viisi prosenttia koko maailman kasvihuonekaasupäästöistä. Hiilidioksidia syntyy kemiallisessa reaktiossa betonin valmistuksessa ja päästöjä syntyy myös massan käsittelystä sekä kuljettamisesta. Teollisuudenalalla ollaankin ryhdytty toimiin päästöjen vähentämiseksi. Betonin korvaajaksi tutkitaan geopolymeerejä, joiden valmistus kuormittaa luontoa huomattavasti vähemmän kuin betonin valmistus. Geopolymeeri on betonimaista ainetta, jota syntyy esimerkiksi teräs- ja kaivannaisteollisuuden pii- ja alumiinipitoisesta jäteaineesta.