Ehitusmaterjalid

Tuntakse nii loodus­likke kui ka tehis­likke ehitus­materjale. Loodus­likuks peetakse ehitus­materjale, mida kasu­ta­takse otse loodusest saadud töötle­mata kujul. Loodus­likku pärit­olu anor­gaani­lised ehitus­mater­jalid on näiteks kivimid, savi, liiv ja kruus. Need on sageli ka tehis­like ehitus­mater­jalide toor­aineks. Tehis­likest ehitus­mater­jalidest on olulised tsement, betoon, tellised, klaas, metallid ja sulamid.

Ehitusmaterjalide kasuta­mine sõl­tub nende omadus­test, ent ena­masti pea­vad need olema piisa­valt odavad, vastu­pidavad, kõvad ja tugevad.

Kivist hooned on vastu­pidavad ja nende elu­iga on väga pikk. Kivim on tugev ehitus­materjal ja see­tõttu kasuta­takse seda palju. Kivimid koos­nevad mineraa­lidest, mis on loodus­likku pärit­olu kindla keemi­lise koos­tise ja kristall­struktuu­riga liit- või liht­ained, näiteks kvarts ja teemant (vt ka 7. kl loodusgeograafia õpikust teemat „Kivimid“).

Tard- ja moonde­kivimeid, mida kasutatakse ehituses, nime­ta­takse raud- ehk maa­kivideks. Üks levi­nuim raud­kivi on tera­lise välimu­sega punase- ja halli­kaskirju graniit. Mitut värvi tera­kesed gra­niidi koos­tises on erine­vad mine­raalid. Näiteks valged või valkjas­hallid tera­kesed gra­niidis on kõva mine­raal kvarts, mille moodus­tab SiO₂.

Graniit on väga tugev, ilmas­tiku- ja kulumis­kindel ehitus­materjal, kuid seda on raske töö­delda. Graniiti kasu­ta­takse sisustus­elementide, sillu­tus- ja ääre­kivide, skulp­tuuride jm valmis­ta­miseks.

Graniiti võib Eestis leida süga­valt maa seest ja mandri­jääga saabu­nud ränd­kivide koosti­sest. Täna­päeval kasu­ta­takse kõr­gema kvali­teediga ja otse maa­põuest kaevan­datud gra­niiti, mida tuuakse Eestisse pea­miselt Soomest.

Paas ehk paekivi on pea­miselt karbo­naa­tidest koosnevate sette­kivi­mite üldine nime­tus. See kivim on Eesti rahvus­kivi, mis on peh­mem ja pare­mini töödel­dav kui raud­kivi. Paas on olu­line ehitus­mater­jalide lähte­aine ja dekora­tiivne viimist­lus­kivi. Kuigi paas on küllalt­ki vastu­pidav, on karbo­naa­did pae koosti­ses tund­likud happe­sade­mete suh­tes.

Pae tähtsamad liigid Eestis on lubja­kivi ja dolo­miit. Lubja­kivi koosneb pea­miselt kalt­siidist, mille põhi­koostis­osa on kaltsium­karbonaat. Lubja­kivist on sajan­deid laotud müüre, ent täna­päeval kasu­ta­takse seda teiste ehitus­mater­jalide toor­ainena. Dolo­miidi koos­tist väljen­dab ligi­kaud­ne valem CaCO₃∙MgCO₃ ehk CaMg(CO₃)₂. Dolo­miidil on pea­miselt dekora­tiivne väär­tus ja sageli viimist­letakse sellega hoo­nete välis­pindu.

Killustikku saadakse nii raud- kui ka pae­kivi purus­tamisel. Raud­kivi­killus­tikku on lähte­mater­jali kõva­duse tõttu raskem toota, kuid seda hinna­takse kõrge­malt kui pae­kivi­killus­tikku. Killus­tikku kasu­ta­takse palju tee-ehituses ja betooni täite­mater­jalina.

Kruus ja liiv tekivad kivi­mite mure­nemisel loodu­ses ning need on tähtsad ehitus­mater­jalide toor­ained.

Savi tekib mõne mine­raali (nt talk, kaoliniit) mure­nemisel väga pee­neks mater­jaliks ja see on samuti tähtis toor­aine ehitu­ses. Savi on märjalt ker­gesti vormi­tav, mis­tõttu valmis­ta­takse sellest telli­seid. Savi, liiva ja vee segu nime­ta­takse savi­mördiks ja seda kasu­tatakse tellis­te side­ainena ahjudes, plii­tides ja kami­nates.

Tsement on väga tähtis side­aine. Seda valmis­tatakse peenes­tatud lubja­kivi ja savi kõrgel tempe­ra­tuuril (~1400 °C) kuumu­tamisel. Suurel kuumusel kaltsium­karbonaat (CaCO₃) lagu­neb ja tekib kaltsium­oksiid (CaO) ehk kustu­ta­mata lubi.

CaCO₃ → CaO + CO₂↑

Kaltsiumoksiid moodustab saviga rea­gee­rides kaltsium­silikaate. Kõrgel tempe­ra­tuuril moodus­tuvad kõvad tükid ehk tsemendi­klinker, mille pulbriks jahva­tamisel saadak­segi tsement. Kui lisada sellele vett ja liiva, tekib tsement­mört, mis kõvas­tub juba tun­dide jook­sul, sest vesi seos­tub silikaa­tidega.

Telliseid osati teha juba aasta­tuhan­deid tagasi Vana-Egip­tuses ja Mesopo­taamias. Traditsioo­niline telliste põhi­kompo­nent on savi, ent sageli nime­tatakse tellis­teks kõiki rist­tahuka­kuju­liseks vormi­tud ja müüri­ladu­miseks sobi­likke tehis­kive.

Kui kuumutada savi all­pool sulamis­tempe­ra­tuuri, paa­kub see tuge­vaks poor­seks massiks. Seda omadust kasu­ta­takse põle­tatud savi­telliste valmis­tamiseks: savist vor­mitud telliseid kuumu­tatakse kõrgel tempe­ra­tuuril (~1000 °C), savi­osakesed klee­puvad kokku ja moodus­tavad vastu­pidava struk­tuuri. Selliselt valmis­tatud tellised on kuuma­kindlad ja raud(III)­ühen­dite lisan­dite tõttu punakat värvi.

Valged silikaattellised saa­dakse kõr­ge rõhu all liiva, lubja ja vee segu kuumu­tamisel. Silikaat­tellised on vastu­pidavad ja ilmas­tiku­kindlad, kuid pole kuuma­kindlad ega sobi kütte­kollete ehita­miseks nagu põle­tatud telli­sed.

Klaasiks nimetatakse aatomite ebakorra­pärase paigu­tusega tahket mater­jali, mis on tava­liselt läbi­paistev. Klaasi peamine lähte­aine on võima­likult puh­tast SiO₂-st koos­nev kvarts­liiv. Kuigi kvarts­klaasi saab valmis­tada ainu­üksi räni­diok­siidist, muudab SiO₂ kõrge sulamis­tempe­ra­tuur (üle 1700 °C) selle kalliks ja keeru­kaks. Üldiselt kasu­ta­takse kvarts­klaasi vaid eri­juhul ning tava­list akna- ja pudeli­klaasi tootes lisa­takse sulamis­tempe­ra­tuuri alan­dami­seks naatrium­karbonaati ja vees lahus­tumise vähen­dami­seks kaltsium­karbonaati.

Klaasil ei ole kindlat keemi­list valemit, tegemist on sili­kaa­tide seguga, mille valemit väljen­datakse oksii­dide sisal­duse kaudu. Tavalise klaasi ligi­kaudne valem on Na₂O∙CaO∙6SiO₂, klaasi koosti­ses on sageli ka teisi ele­mente, näiteks magnee­siumi või alu­mii­niumi.

Tavaline klaas on kõva, aga samas hab­ras mater­jal, mis on läbi­paistev näh­tava val­guse suh­tes, kuid neelab suure osa ultra­violett­kiir­gusest. Klaas on halb soojus­juht, ning kui klaasi tempe­ra­tuuri järsult tõsta, või­vad tek­kinud pin­ged klaasi lõh­kuda. Klaasi kee­milist koos­tist muu­tes on võimalik saada eri­ots­tarbe­lisi klaase, näiteks klaase, mis on kuuma­kind­lamad ja lase­vad ultra­violett­kiir­gust pare­mini läbi.

Metallide omaduste ja kasutus­aladega tut­vusid põhja­li­ku­malt juba 8. klassi keemia­kursuses.

Metalle kasutatakse ehitu­ses võrdle­misi palju. Kuna ena­mik metalle on puh­tal kujul peh­med ja mitte kuigi vastu­pidavad, valmis­tatakse nende oma­duste paran­dami­seks mit­me metalli või metalli ja mitte­metalli segu­sid, s.o sula­meid.

Metalle ja sulameid kasu­ta­takse nii ehi­tiste kande­konstrukt­siooni­des kui ka välis­pinda­des. See­juures tule­vad kasuks nende tuge­vus ja hea töödel­davus.

Teras on raua ja süsiniku sulam, kus süsiniku­sisaldus on 0,002–2%. Terast kasuta­takse väga laial­daselt, näiteks valmis­tatak­se sellest töö­riistu ja teras­konstrukt­sioone. Tera­sele lisa­takse tihti veel teisi metalle (nt Cr, Ti), et saada eri­tera­seid ja paran­dada tera­se oma­dusi: tuge­vust, kõva­dust ja korro­siooni­kind­lust.