Fråga Experten: Betongens framställning och historia?

Fråga Experten

Vilka råvaror finns i betong, och hur framkallas dem? Kan du berätta lite om betongens historia, när uppfanns den och hur utvecklades den?
/Oliver

Delmaterialen till betong är ballast, cement och vatten. Ballast är bergmaterial uppdelat i ett antal fraktioner såsom exempelvis 0-8 mm grus och 8-16 mm makadam. Gruset är oftast av typen naturgrus (naturligt rundat från istiden), vilket man gräver fram i grustäkter. Stenen (makadam) är däremot som regel alltid krossat bergmaterial, tidigare fanns det naturlig sten (singel) men denna finns det inte så mycket kvar av idag. Naturgruset ses som en ändlig resurs och är viktigt för vattenreningen, varför man försöker idag försöker använda krossgrus/maskinsand istället. Dock kan betongen med enbart krossad ballast (”helkross”) vara ganska pastakrävande (vatten+cement), sliter på utrustningen och ha en seg konsistens som gör den lite svårarbetad. Volymförhållandet i betong mellan ballast, cement och vatten är ungefär 70%, 20% respektive 10% (dvs. mest ballast och minst cement).

Andra delmaterial som kan användas i betong är flygaska (stenkol), silikastoft och masugns-slagg. Med dessa alternativa bindemedel kan man ersätta delar av cementet i betongen, och eftersom de är restmaterial från industrin kan man få ner miljöbelastningen på betongen. I Sverige är inte användningen av dessa så stor, men med ett ökat miljöfokus finns ett växande itresse och användning idag (främst slagg och flygaska). Cement tillverkas genom att man bränner kalksten, vilket är en process som frigör en hel del koldioxid (ca 2/3 från själva kalkstenen och 1/3 från processen). Bränner man kalkstenen (kalciumkarbonat) vid lite lägre temperatur (ca 800 grader) får man bränd kalk, vilket kan användas till murning (efter att ”släckt” kalken med vatten). Men för att tillverka så kallat portlandcement behöver man komma upp i drygt 1400 grader. Förutom kalksten behövs en liten mängd lera eller sand för att få rätt balans mellan kalcium och kisel, järn samt aluminium. Och så behövs lite gips (kalciumsulfat, max 5%) tillsättas cementet för att kontrollera det riktigt tidiga hårdnandet (av aluminium-delen).

I de flesta betonger använder man dessutom tillsatsmedel, och då främst flytmedel/vattenreducerare. Med denna kan man göra betongen mer bearbetbar och möjliggör betonger med lågt vatten-cement-tal (vct). Vct-talet anger förhållandet mellan cement och vatten, och är den främsta parametern som styr betongens hållfasthet och täthet. Ett annat vanligt tillsatsmedel är luftporbildare, vilket behövs för att göra betongen frostresistent/frostbeständig. Flytet är som regel baserat på en polykarboxylat och luftporbildaren på tensid (typ diskmedel). Båda tillsätts betongen i mycket små mängder, och har ingen direkt negativ inverkan på miljö eller människa.Så råmaterialet till betong är alltså framför allt vatten och bergmaterial, där ju även cement tillverkas av berg (kalksten).

Historisk sett finns har man hitta betongliknande material från ca 5000 f Kr vid utgrävningar i Israel / Serbien. Och det finns de som hävdar att pyramiderna (2500 f Kr) är platsbyggda med betong, där bl.a. den franska vetenskapsmannen Joseph Davidovits säger sig ha bevis för detta. Annars är Grekerna, Etruskerna och Romarna kända för sin betong (500-100 f Kr). Men det är först i början av 1800-talet som den ”riktiga” betongen började tillverkas, i och med att engelsmännen Joseph Aspdin och Isaac Johnson kom på hur man skulle framställa portlandscement av den typen vi använder idag. Mot slutet av 1800-talet lärde man sig hur betongkonstruktioner kunde armeras, vilket möjliggjorde en helt annan utformning och rationellare byggande (längre spännvidder, tunnare konstruktioner, osv). Tidigare byggde man valv och liknande, där betongen inte utsattes för dragpåkänningar. Betongens draghållfasthet är ca 8% av tryckhållfastheten, och med armering kan den ta upp stora dragpåkänningar. Armeringen är också bra för att begränsa sprickbildningen från betongens uttorkningskrympning. Betongen ger ett bra skydd till armeringen, främst från att rosta (korrodera) men även mot brand. I betongen är det basiskt (ca pH 13, från kalcium- kalium och natriumhydroxid), vilket ger detta korrosionsskydd. Men med tiden tar betongen upp den koldioxid från luften som tidigare frigjordes när kalkstenen brändes. Denna process (karbonatisering) gör också att pH sjunker till ca 9-10, cementpastan (cement-gellen) återgår till att bli kalksten, och betongen tappar sitt korrosionsskydd. Detta går mycket långsamt, men är i utomhuskonstruktioner (tillgång till fukt) ofta det som begränsar dess livslängd. Enn annan sak som kan få armeringen att rosta är om det tränger in klorider (finns i havsvatten och tösalter). Genom att ha tillräckliga täckande betongskikt till armeringen i kombination med tillräckligt tät betong (lågt vct) kan man dimensionera sin armerade konstruktion så den får lång livslängd. Betongen blir egentligen inte sämre med tiden, utan tvärt om. Så utan armering kan en betongkonstruktion hålla flera hundra/tusen år.

Det finns gott om litteratur i ämnet om du vill fördjupa dig, både vad gäller delmaterialen, cementkemi och betongens historia.

Oskar Esping, tekn. dr. Thomas Betong och Thomas Concrete Group