Betoni

Betonin runkoaineena käytetään rakeisuudeltaan erikokoisia kiviaineksia. Betonin osa-aineista kiviaineksen tilavuus on noin 65–80 %. Kiviaineisten ominaisuuksilla on suuri merkitys betonin ominaisuuksiin. [3]

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. ^lähde?

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. humusta, roskia, öljyä tai jäätä. Toisaalta 'roska' on suhteellinen käsite ja esimerkiksi muovi-, lasi- ja metallikuituja voidaan lisätä betoniin vetolujuutta parantamaan. Jäätä myöskin saatetaan käyttää tarkoituksella, jotta kovettuneeseen betoniin saataisiin muodostettua huokosia ja näin parannettua sen pakkaskestävyyttä.^lähde?

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. ^lähde?

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.^lähde?

Betoniseokseen käytettävän veden on oltava puhdasta. Nyrkkisääntönä voidaan todeta, että juomakelpoinen vesi kelpaa myös betonin valmistukseen.[3] Sementti reagoi veden kanssa kemiallisesti eli hydratoituu betonin kovettuessa.[3] 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.^lähde?

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.^lähde?

Betonin valmistukseen käytettävien sementtien tulee olla CE-merkittyjä[4] ja täyttää sementtistandardin SFS-EN 197-1 vaatimukset. Standardi määrittelee tavallisten sementtien koostumus- ja laatuvaatimukset.[5]

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.[1]

Betonin valmistuksessa voidaan käyttää mineraalisia seosaineita, joita ovat mm. lentotuhka, masuunikuonajauhe ja silika.[3]

Lentotuhka on hienoksi jauhetun kivihiilen poltossa syntyvä pozzolaani. Lentotuhka toimii betonissa sideaineena.[3]

Masuunikuonajauhe on hienoksi jauhettua granuloitua masuunikuonaa, jolla on piilevät hydrauliset ominaisuudet[6]. Masuunikuonajauheen vedentarve on pieni, joten se notkistaa betonia.[7]

Silika (SiO2) on piiraudan ja alkuaine piin tuotannossa syntyvä savukaasuista erotettava erittäin hienojakoinen aine, joka on piin ja hapen yhdiste. Mineraalina se tunnetaan nimellä kvartsi.^lähde?

Silika lisää huomattavasti betonin lujuutta. Lisäksi silika parantaa betonin kemiallista kestävyyttä, koossapysyvyyttä, tiiviyttä ja vedenpitävyyttä.[8]

Lähes kaikkien betonin valmistukseen käytettävien seosaineiden tulee olla CE-merkittyjä.[4]

Betonimassan ominaisuuksia voidaan säädellä mm. erilaisilla lisäaineilla. Lisäaineiden määrät betonissa ovat hyvin pieniä verrattuna betonin muiden raaka-aineiden määriin.[9] Lisäaineiden käytöllä pyritään parantamaan betonin teknisiä ominaisuuksia ja betonin taloudellisuutta.^lähde?

Betonin tyypillisiä lisäaineita ovat mm. notkistimet, hidastimet ja huokostimet. Huokostamalla betonia voidaan parantaa sen pakkasenkestävyyttä.[10] Hidastimella taas saadaan siirrettyä betonin sitoutumista myöhäisemmäksi.[11] Notkistimet toimivat sementin ja veden välillä ja parantavat betonin työstettävyyttä.[12]

Betonia kovettumassa valusokkelissa

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.^lähde?

Paikallavalettavan betonirakenteen ominaisuuksiin vaikuttavat betonin laadun ja työnsuorituksen lisäksi muottimateriaali ja muottirakenteen lujuus ja tiiviys. Muotteja voidaan valmistaa laudasta tai muottilevystä tai voidaan käyttää muottijärjestelmää[17]

Raudoitteina voidaan käyttää irtotankoja tai valmiita raudoituskomponentteja.[18] Raudoitteet sijoitetaan ja kiinnitetään muotteihin niin, että ne pysyvät valun aikana oikealla paikallaan, ts. riittävällä etäisyydellä muotin pinnasta.

Ennen betonoinnin aloittamista lautamuotti tulee kastella ja muun tyyppiset muotit öljytä. Betonimassa valetaan suoraan alaspäin mahdollisimman matalalta, jotta kiviainesrakeet ja vesi eivät erottuisi. Betonimassa tiivistetään yleensä sauvatäryttimellä. Täryttämisen jälkeen betonin pinta oikaistaan. Lopuksi betonin pinta hierretään. Hiertämisen tarkoituksena on tasata ja tiivistää betonipintaa. Tämä parantaa betonin lujuutta ja kestävyyttä.[19]

Rakennusten paikallavalurungot voidaan jakaa kolmeen ryhmään kantavien pystyrakenteiden perusteella:

• kantavat seinät
• kantavat pilarit
• edellisten yhdistelmä.[20]

Rungon vaakarakenteena voidaan käyttää betonilaattaa, palkkilaatastoa tai kevennettyä laattaa. Myös liittorakenne on mahdollinen.[20]

Pientalon kellarin lattian betonivalua.

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 se 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.

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:

• halkeilemattomaksi jännitetty rakenne saa hyvän korroosiosuojan ja rakenteesta tulee vesitiivis (oleellinen esimerkiksi pysäköintitaloissa)
• jännitetyn rakenteen muodonmuutokset ovat pienempiä kuin jännittämättömien (esim. palkin taipuma)
• muodonmuutokset palautuvat hyvin ja rakenteesta tulee sitkeä
• rakenteella on hyvä väsytyslujuus ja se soveltuu esimerkiksi törmäysalttiiseen joustorakenteeseen, jolta vaaditaan notkeutta, hoikkuutta sekä suurta murtolujuutta^lähde?

Jännitettyjä betonirakenteita käytetään paljon silloissa, elementeissä, teollisuusrakennuksissa, säiliöissä, padoissa, vesitorneissa sekä muissa rakenteissa, joissa pyritään saavuttamaan hyvä tiiviys, kestävyys ja lujuus kustannustehokkaasti.