Portlandtsement – mis see on ja kuidas toimib?

Portlandtsement on betooni üks olulisemaid koostisosi. Selle ülesanne ei ole lihtsalt täitematerjale omavahel „kokku liimida“. Veega kokku puutudes käivituvad tsemendis keemilised reaktsioonid, mille käigus kujuneb välja tsemendikivi struktuur ning areneb betooni tugevus.

Selle protsessi mõistmine aitab aru saada paljudest praktilistest küsimustest: miks on oluline vesi-tsementtegur, miks vajab betoon järelhooldust, miks mõjutab temperatuur kivinemist ning miks võivad noore betooni kuivamine või külmumine jätta jälje kogu konstruktsiooni kasutuseaks.

Mis on portlandtsement?

Portlandtsement on hüdrauliline sideaine – veega segamisel hakkab see reageerima ning moodustab aja jooksul tugeva ja vees püsiva tsemendikivi. See tähendab, et tsement ei kivine lihtsalt vee kuivamise või aurustumise tõttu. Vastupidi: vesi osaleb keemilistes reaktsioonides, mille tulemusena tsemendikivi tekib.

Portlandtsement valmistatakse põhiliselt lubjakivi ja savimineraale sisaldavatest lähteainetest. Neid kuumutatakse kõrgel temperatuuril, mille tulemusena tekib tsemendiklinker. Klinker jahvatatakse väga peeneks ning sellele lisatakse tardumise reguleerimiseks kaltsiumsulfaati. Sõltuvalt tsemendi liigist võivad koostises olla ka muud põhikomponendid.

Kuivas tsemendipulbris on seega olemas ühendid, mis on valmis veega reageerima. Vee lisamine käivitab protsessi, mida nimetatakse hüdratatsiooniks. Selle käigus hakkab algne tsemenditera järk-järgult muutuma ning selle ümber ja vahele moodustuvad uued reaktsiooniproduktid.

Just nende reaktsioonide tõttu muutub algselt plastne tsemendipasta kõigepealt tarduvaks ja seejärel järjest tugevamaks tsemendikiviks.

Vesi ja betoon

Mis juhtub, kui tsemendile lisatakse vesi?

Hetkel, kui vesi puutub kokku tsemenditeradega, algab hüdratatsioon. See ei ole lihtsalt vee imendumine tsemendisse, vaid keemiliste reaktsioonide ahel, mille käigus osa tsemendi lähteühenditest lahustub ning nende asemele hakkavad moodustuma uued ühendid.

Reaktsioon algab tsemenditera pinnalt. Vette liiguvad lahustunud ioonid ning üsna kiiresti hakkavad tekkima esimesed hüdratatsiooniproduktid. Kõige olulisem neist on C-S-H-geel, millest kujuneb hiljem tsemendikivi peamine tugevust andev struktuur.

Hüdratatsioon ei toimu kogu aeg ühesuguse kiirusega. Vahetult pärast vee lisamist on reaktsioon aktiivne, millele järgneb väiksema reaktsioonikiirusega periood. See annab värskele betoonile praktilise aja transportimiseks ja paigaldamiseks, kuid ei tähenda, et betoon selle aja jooksul muutumatuna püsiks.

Tsemendiosakesed hakkavad juba varakult omavahel seostuma ning nende vahel kujuneb järk-järgult uus struktuur. Betooni jätkuv segamine ja liigutamine lõhub seda tekkivat struktuuri osaliselt ning aitab seetõttu materjali mõnda aega töödeldavana hoida. Samal ajal hüdratatsioon jätkub ja töödeldavus väheneb.

Seetõttu on praktiliselt oluline, et pärast paigaldamist ja vajalikku tihendamist saaks betoon võimalikult kiiresti rahule jääda. Sellest hetkest saab hüdratatsiooni käigus kujunev struktuur areneda ilma edasise mehaanilise häirimiseta.

Hüdratatsiooni edenedes kasvavad reaktsiooniproduktid tsemenditerade ümber ja täidavad järk-järgult nendevahelist ruumi. Üksikud osakesed hakkavad moodustama omavahel seotud struktuuri. Betoon kaotab plastilisuse, tardub ning hakkab arendama tugevust.

Oluline on mõista, et kogu tsemenditera ei reageeri korraga. Reaktsioon liigub järk-järgult tera sisemuse suunas ning selle kiirus muutub aja jooksul. Seetõttu ei lõpe hüdratatsioon hetkel, kui betoon on kõvaks muutunud – protsess võib sobivates tingimustes jätkuda väga kaua.

Hüdratatsioon ei ole üks reaktsioon

Portlandtsement ei koosne ühest ainest, mis reageeriks veega ühel kindlal viisil. Tsemendiklinkris on mitu erinevat mineraali, millest olulisemad on C₃S, C₂S, C₃A ja C₄AF. Need reageerivad veega erineva kiirusega ja nende mõju tsemendi käitumisele muutub aja jooksul.

Kõige lihtsamalt võib nende rolli kirjeldada nii: C₃A reageerib väga kiiresti ja mõjutab tugevalt tsemendi varajast reaktsiooni ning soojuse eraldumist. C₃S annab suure osa varajasest tugevusest, C₂S reageerib aeglasemalt ja panustab rohkem tugevuse hilisemasse arengusse. C₄AF osaleb samuti hüdratatsioonis, kuid selle otsene panus tugevuse kujunemisse on väiksem.

Praktikas toimuvad need reaktsioonid samaaegselt ja mõjutavad üksteist. Seetõttu ei ole vaja neid nelja mineraali ega nende keemilisi valemeid pähe õppida. Oluline on mõista põhimõtet: tsemendi hüdratatsioon koosneb mitmest eri kiirusega toimuvast reaktsioonist. Just selle tõttu muutub ka soojuse eraldumine, tardumine ja tugevuse areng ajas.

Kuidas tekib tsemendikivi struktuur ja tugevus?

Vee lisamisel ei muutu tsemenditerad lihtsalt kõvemaks. Hüdratatsiooni käigus tekivad uued reaktsiooniproduktid, mis kasvavad tsemenditerade pinnalt neid ümbritsevasse ruumi ning hakkavad järk-järgult moodustama omavahel seotud struktuuri.

Kõige olulisem tugevust andev hüdratatsiooniprodukt on C-S-H ehk kaltsiumsilikaathüdraat. Seda võib lihtsustatult ette kujutada väga peene võrgustikuna, mis seob tsemendikivi struktuuri järjest tugevamalt kokku. Lisaks tekivad hüdratatsiooni käigus teised ühendid, sealhulgas kaltsiumhüdroksiid ja ettringiit, mille roll ja omadused on erinevad.

Alguses on tsemenditerade vahel palju veega täidetud ruumi. Hüdratatsiooni jätkudes tekib sinna järjest rohkem reaktsiooniprodukte. Struktuur muutub tihedamaks, pooride süsteem muutub ning tsemendikivi tugevus kasvab.

See aitab mõista ka üht betooni väga olulist põhimõtet: kogu segamisvesi ei muutu tsemendikiviks. Osa veest osaleb hüdratatsioonis, osa paikneb poorides ning osa võib aja jooksul betoonist lahkuda. Seetõttu mõjutab algne vee kogus väga tugevalt seda, milline pooristruktuur pärast kivinemist alles jääb.

Mida rohkem on tsemendi suhtes üleliigset vett, seda rohkem jääb pärast selle vee lahkumist tsemendikivisse poorset ruumi. Seetõttu on vesi-tsementteguril otsene seos betooni tugevuse, tiheduse ja vastupidavusega.

Betooni struktuur ja vastupidavus

Miks tugevus aja jooksul kasvab?

Betooni tugevus ei teki ühekorraga. See kasvab hüdratatsiooni edenedes, sest tsemenditerade ümber moodustub järjest rohkem hüdratatsiooniprodukte ning nendevaheline struktuur muutub tihedamaks ja tugevamaks.

Alguses toimub tugevuse areng suhteliselt kiiresti. Seetõttu võib betoon saavutada juba esimeste päevade ja nädalatega märkimisväärse osa oma hilisemast tugevusest. Hüdratatsiooni edenedes jääb tsemenditeradesse järjest vähem reageerimata materjali ning nende ümber ja vahele koguneb üha rohkem hüdratatsiooniprodukte. Reaktsiooni kulgu hakkavad järjest enam piirama nii vaba ruumi vähenemine kui ka vee ja lahustunud ainete transport läbi kujunenud mikrostruktuuri. Seetõttu aeglustub hüdratatsioon ja koos sellega ka tugevuse edasine kasv.

28 päeva on oluline kontrollpunkt, mitte betooni tugevuse arengu lõpp. Seda vanust kasutatakse tavapäraselt betooni survetugevuse määramisel ja tugevusklassi hindamisel, kuid hüdratatsioon võib sobivate niiskus- ja temperatuuritingimuste korral jätkuda ka pärast seda.

Seetõttu võib betooni survetugevus suureneda veel kuude ja isegi aastate jooksul. Kas ja kui palju see tegelikult suureneb, sõltub tsemendi koostisest, vesi-tsementtegurist, temperatuurist, niiskustingimustest ning sellest, kui hästi on betooni eriti varases eas järelhooldatud.

See tähendab ka, et sageli kasutatav lihtsustus – näiteks „seitsme päevaga on betoon saavutanud umbes 70% oma tugevusest“ – võib olla kasulik ligikaudse orientiirina, kuid ei kirjelda universaalset füüsikalist seaduspära. Erinevate tsementide ja tingimuste korral võib tugevuse areng olla väga erinev.

Betooni kivinemine ja tugevuse areng

Mida vajab hüdratatsioon jätkumiseks?

Tsemendi hüdratatsiooni jätkumiseks on vaja eelkõige vett ja sobivat temperatuuri. Kui mõlemad tingimused on olemas, saavad tsemendi reageerimata osad edasi reageerida ning tsemendikivi struktuur jätkab arenemist.

Vesi ei ole siin lihtsalt keskkond, milles reaktsioon toimub. Vesi on hüdratatsiooni üks lähteaineid. Osa segamisveest seotakse keemiliselt hüdratatsiooniproduktidesse ning osa jääb tsemendikivi poorisüsteemi. Kui vaba vee hulk väheneb liiga palju ja tsemendikivi sisemine suhteline niiskus langeb, aeglustub hüdratatsioon järjest tugevamalt ning võib lõpuks praktiliselt peatuda.

Temperatuur mõjutab eelkõige reaktsioonide kiirust. Madalamal temperatuuril hüdratatsioon aeglustub, kõrgemal temperatuuril kiireneb. See ei tähenda siiski, et mida kõrgem temperatuur, seda parem. Liiga kiire varajane hüdratatsioon võib muuta tekkiva tsemendikivi mikrostruktuuri ning anda suurema varajase tugevuse arvelt ebasoodsama hilisema tugevuse arengu.

Just seetõttu on betooni esimesed päevad ja nädalad nii olulised. Sel ajal kujuneb kiiresti struktuur, mis mõjutab hiljem nii tugevust, tihedust kui ka vastupidavust.

Mis juhtub, kui betoon liiga vara kuivab?

Kui noor betoon kaotab vett liiga kiiresti, ei tähenda see ainult seda, et pind muutub kuivaks. Vee vähenemine mõjutab otseselt tsemendi hüdratatsiooni – reaktsioon aeglustub ning piisavalt madala sisemise niiskuse korral võib praktiliselt peatuda.

Mõju on eriti oluline betooni pinnalähedases kihis, sest just sealt saab vesi kõige lihtsamini ümbritsevasse keskkonda aurustuda. Seetõttu võib halvasti järelhooldatud betooni sisemine osa areneda suhteliselt hästi, samal ajal kui selle pind jääb poorsemaks, nõrgemaks ja keskkonnamõjudele vastuvõtlikumaks.

Varajase kuivamisega kaasneb veel teine protsess. Vee lahkumisel tsemendikivi mahukahaneb. Kui betooni struktuur on alles noor ja väikese tugevusega ning kahanemine on takistatud, võivad tekkida tõmbepinged ja praod. Seega võib liiga varajane kuivamine mõjutada betooni nii hüdratatsiooni kui ka füüsilise mahumuutuse kaudu.

Kui kuivanud betoon saab hiljem uuesti vett, võib hüdratatsioon uuesti jätkuda, kui reageerimata tsementi on alles. See ei tähenda siiski, et varajase kuivamise mõju kaoks. Vahepeal tekkinud kahanemine ja võimalikud mikropraod ning kuivamise tõttu teistsuguseks kujunenud pinnastruktuur ei pruugi hilisema märgumisega muutuda samaväärseks pidevalt nõuetekohaselt järelhooldatud betooniga.

Just seetõttu on järelhoolduse eesmärk midagi enamat kui lihtsalt betooni pinna märjana hoidmine. Eesmärk on säilitada noores betoonis tingimused, milles tsemendi hüdratatsioon ja struktuuri kujunemine saavad toimuda võimalikult soodsalt.

Betooni mahumuutused

Mis juhtub, kui noor betoon külmub?

Noore betooni külmumine on eriti ohtlik ajal, mil tsemendikivi struktuur alles kujuneb. Värskes betoonis on palju vaba vett ning vee ruumala suureneb jäätumisel ligikaudu 9%. Betooni poorides tekkiv jää tõrjub osa veel külmumata veest eemale ning selle liikumine läbi poorisüsteemi tekitab sisemisi rõhke. Kui noor tsemendikivi ei suuda neid pingeid vastu võtta või veel ei ole piisavalt vaba ruumi nende leevendamiseks, võib kujunev struktuur kahjustuda.

Kõige kriitilisem on külmumine väga varases eas, enne kui betoon on saavutanud piisava algtugevuse. Sellisel juhul ei pruugi hilisem sulamine ja hüdratatsiooni jätkumine tekkinud kahjustust enam täielikult kompenseerida. Betoon võib küll edasi tugevneda, kuid selle lõplik tugevus ja eriti vastupidavus võivad jääda kavandatust väiksemaks.

Hüdratatsiooni edenedes olukord muutub. Osa veest seotakse hüdratatsiooniproduktidesse, pooristruktuur areneb ning betooni tugevus suureneb. Seetõttu suudab piisava algtugevuse saavutanud betoon külmumisele oluliselt paremini vastu panna kui värske betoon.

Praktikas kasutatakse varajase külmumise suhtes sageli orientiirina survetugevust umbes 3,5–5 N/mm². Seda ei tohiks siiski käsitleda universaalse piirina, millest alates külmumine enam kahju ei tee. Tegelik tulemus sõltub betooni koostisest, õhusisaldusest, külmumise temperatuurist ja kestusest, niiskusseisundist ning sellest, millistes tingimustes betoon pärast sulamist edasi kivineb.

Oluline on ka eristada hilisemat survetugevust ja betooni tegelikku kahjustamatust. Betoon võib pärast sulamist ja sobivate niiskus- ning temperatuuritingimuste taastumist jätkata hüdratatsiooni ja saavutada märkimisväärse tugevuse, kuid külmumise põhjustatud mikrostruktuuri kahjustused ei pruugi täielikult kaduda.

Kas pärast kuivamist või külmumist tugevuse areng jätkub?

Jah. Kui betoonis on veel reageerimata tsementi ning hüdratatsiooniks vajalik niiskus ja sobiv temperatuur taastuvad, võib tugevuse areng jätkuda. Kuid see ei tähenda, et betoon jätkaks lihtsalt sealt, kus protsess pooleli jäi, ning jõuaks lõpuks tingimata sama tulemuseni nagu katkestuseta kivinenud betoon.

Määrav on eelkõige see, millal ebasoodsad tingimused tekkisid. Mida noorem ja nõrgem oli betoon kuivamise või külmumise hetkel, seda suurem võib olla mõju hilisemale tugevusele ja struktuurile. Kui betoon oli jõudnud juba märkimisväärselt kivineda, on mõju üldjuhul väiksem.

Katsetulemused annavad siin hea ettekujutuse võimalikust suurusjärgust. Varajase hüdratatsiooni tugeva häirimise korral on katsetes saadud lõpptugevusi ligikaudu 50–80% korralikult kivinenud võrdlusbetooni tugevusest. See ei ole universaalne vahemik: piisava algtugevuse korral võib hilisem survetugevus taastuda ka peaaegu täielikult, kuigi betooni vastupidavus võib siiski olla kahjustunud.

Siin on aga üks väga oluline erinevus: survetugevus ei kirjelda kogu betooni seisundit. Isegi kui hilisem survetugevus jõuab külmumata või kuivamata võrdlusbetoonile lähedale, võivad varases eas tekkinud muutused pooristruktuuris, mikropraod või pinnakihi halvem kvaliteet mõjutada vee läbilaskvust, külmakindlust ja betooni pikaajalist vastupidavust.

Seetõttu ei ole õige mõelda, et „küll pärast sulamist edasi kivineb“ või „hiljem saab jälle vett“ lahendab probleemi. Hüdratatsioon võib jätkuda, kuid juba tekkinud kahjustus ei pruugi olla pöörduv.

See ongi põhjus, miks betooni esimestel tundidel, päevadel ja nädalatel valitsevad tingimused võivad mõjutada konstruktsiooni omadusi veel aastakümneid hiljem.

Mida sellest praktikas meelde jätta?

Portlandtsement ei muutu tugevaks lihtsalt kuivades. Tsement reageerib veega ning selle hüdratatsiooni tulemusena kujuneb tsemendikivi struktuur ja areneb tugevus.

See protsess algab kohe pärast vee lisamist, kuid ei lõpe siis, kui betoon on tardunud, ega ka 28 päeva möödudes. Sobivate tingimuste korral võib hüdratatsioon ja tugevuse areng jätkuda veel väga kaua, kuigi järjest aeglasemalt.

vesi on hüdratatsiooniks vajalik lähteaine, mitte lihtsalt vahend betooni töödeldavaks muutmiseks;
segamisvee kogus mõjutab kujunevat pooristruktuuri ning seeläbi betooni tugevust, tihedust ja vastupidavust;
temperatuur mõjutab hüdratatsiooni kiirust, kuid kiirem reaktsioon ei tähenda automaatselt paremat lõpptulemust;
noore betooni liiga varajane kuivamine võib peatada hüdratatsiooni, põhjustada mahukahanemist ning halvendada eriti pinnalähedase betooni kvaliteeti;
värske või väga noore betooni külmumine võib kahjustada alles kujunevat struktuuri pöördumatult;
tingimuste taastumisel võib hüdratatsioon jätkuda, kuid kaotatud aega ei saa alati lihtsalt tagasi anda;
hiljem saavutatud hea survetugevus ei tõesta üksi, et betooni mikrostruktuur ja pikaajaline vastupidavus jäid kahjustamata.

Kõige olulisem mõte on lihtne: betooni lõplikke omadusi ei määra ainult see, millest betoon valmistati. Sama oluline on see, millistes tingimustes lasti tsemendil pärast vee lisamist reageerida.

Portlandtsement – mis see on ja kuidas toimib ?