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.
Historia 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. Arkkitehti Vitruvius kirjoitti betonin reseptin ensimmäisellä vuosisadalla ennen ajanlaskun alkua ja käytti tuliperäistä tuhkaa (pozzolana) sekä kappaleita vulkaanista kiveä. Rooman kulttuurin rappeutumisen myötä betonin käyttö kuitenkin hiipui ja keskiajalla sitä ei käytännössä edes tunnettu.
Betoni tuli 1800-luvulla 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 raaka-aineet pienoiskuva|Nykyisin betoni tilataan työmaille yleensä valmisbetonina. Runkoaines 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. 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.
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.
Vesi Betoniseokseen käytettävän veden on oltava puhdasta. Nyrkkisääntönä voidaan todeta, että juomakelpoinen vesi kelpaa myös betonin valmistukseen. Sementti reagoi veden kanssa kemiallisesti eli hydratoituu betonin kovettuessa. 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
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. Sementin kestävyys erilaisissa sääolosuhteissa on sitä parempi, mitä huokoisempaa se on. On myös betonilaatuja, jotka kuivuvat tai kovettuvat tavallista nopeammin.
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.
Seosaineet Betonin valmistuksessa voidaan käyttää mineraalisia seosaineita, joita ovat mm. lentotuhka, masuunikuonajauhe ja silika.
Lentotuhka on hienoksi jauhetun kivihiilen poltossa syntyvä pozzolaani. Lentotuhka toimii betonissa sideaineena.
Masuunikuonajauhe on hienoksi jauhettua granuloitua masuunikuonaa, jolla on piilevät hydrauliset ominaisuudet. Masuunikuonajauheen vedentarve on pieni, joten se notkistaa betonia.
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.
Silika lisää huomattavasti betonin lujuutta. Lisäksi silika parantaa betonin kemiallista kestävyyttä, koossapysyvyyttä, tiiviyttä ja vedenpitävyyttä.
Lähes kaikkien betonin valmistukseen käytettävien seosaineiden tulee olla CE-merkittyjä.
Lisäaineet 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. Taloudellisessa mielessä, ympäristöseikat huomioon ottaen, tulevaisuutta ajatellen pyritään kehittämään geopolymeereja, joiden sidosaineina voisivat olla kaoliinisavi, muut luonnonmateriaalit tai eri teollisuuden alojen sivutuotteet. Näin pyritään kehittämään entistä vähähiilisempiä betoniseoksia.
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.
Betonin lujuus pienoiskuva|Betoniseinän muotitusta. Painava betonimassa vaatii tukevarakenteiset muotit.
Betonia voidaan luokitella sen puristuslujuuden perusteella. Nykyään puristuslujuus määritellään lieriö- tai kuutiolujuutena. Puristuslujuuden yksikkö on megapascal (MPa).
Laboratorio-olosuhteissa kyetään valmistamaan jopa yli C90/105 betonia, mutta suurimmat lujuudet työmaakäytössä ovat C70/85. Betonielementtitehtaissa käytetään korkealujuusbetoneita C80/95 -lujuuksiin saakka ja jopa korkeampiin lujuuksiin yleisesti. 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.
Betonimassan valmistus työmaalla 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 lujuusluokkaan 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.
pienoiskuva|Betonin valua pienoiskuva|Raudoitusverkon asentaminen valun pohjalle Betonin valmistus aloitetaan työmaalla sekoittamalla keskenään vesi, sementti ja runkoaine. Betoni alkaa kovettua välittömästi reagoidessaan veden kanssa - reaktio on tosin melko hidas.
+Taulukko. 3-rakenneluokan betonin seossuhteet tilavuusosina Lujuusluokka MN/m2 Vähimmäissementtimäärä kg/m3 sementtiä hienosoraa someroa tai sepeliä K20 300 1 2,5 K15 250 2 3 K10 200 4 Betonin valmistus työmaalla
Nykyisin ei betonia valmisteta työmailla, jos tarvittavat määrät ovat suurempia kuin 1 m3, 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.
Valutyö
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, mutta betonin kovettuminen voi jatkua vielä tämänkin jälkeen.
Lasertasoitus