Ehitusmaterjalid

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

Ehitus­materjalide omadused sõltuvad kasutus­alast, ent enamasti peavad need olema piisavalt odavad, vastu­pidavad, kõvad ja tugevad.

Kivist hooned on vastupidavad ning 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 ühendid või lihtained, näiteks kvarts ja teemant (vt ka 7. kl loodusgeograafia õpikust teemat „Kivimid“).

Tard- ja moonde­kivimeid, mida kasutatakse ehituses, nimetatakse ka raud- ehk maa­kivideks. Üks levinuim raud­kivi on teralise välimusega punase- ja halli­kirju graniit. Erinevat värvi terakesed graniidi koostises on erinevad mineraalid. Valged või valkjas­hallid terakesed graniidis on kõva mineraal kvarts, mille moodustab SiO₂. Graniidi koostises võib leida ka kvartsist pehmemat, enamasti roosakas- või kollakas­punast päeva­kivi ja veelgi pehmemat mustjat või tume­kuldset vilku, mis laguneb kergesti õhu­kesteks lehtedeks.

Graniiti võib Eestis leida sügaval maa sees ja mandri­jääga saabunud ränd­kivide koostisest. Eestis on kive palju, ent suur osa neist ei sobi ehituses kasutamiseks (nt murenemis­protsesside tõttu). Maa­kivist ehitamise kõrg­periood Eestis jääb 20. sajandi algusesse. Tänapäeval kasutatakse kõrgema kvaliteediga ja otse maa­põuest kaevandatud graniiti, mida tuuakse Eestisse peamiselt Soomest.

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

Paas ehk paekivi on üldine nimetus sette­kivimitele, mis koosnevad peamiselt karbonaatidest. See hallikas kivim on Eesti rahvus­kivi, mis on pehmem ja paremini töödeldav kui raudkivi. Põhja- ja Lääne-Eestis ning saartel on paas kergesti kätte­saadav, mistõttu on sellest valmistatud palju ajaloolisi ehitisi. Paas on ka oluline teiste ehitus­materjalide lähte­aine ja hea dekoratiivne viimistlus­kivi, mille kaevandamiseks on Eestisse rajatud mitmeid maardlaid. Kuigi paas on küllaltki vastupidav, on karbonaadid pae koostises tundlikud happe­sademete suhtes.

Pae tähtsaimad liigid Eestis on lubjakivi ja dolomiit. Lubjakivi koosneb peamiselt kaltsiidist, mille põhi­koostisosa on kaltsium­karbonaat. Lubjakivist on sajandeid laotud müüre, ent täna­päeval kasutatakse seda harilikult teiste ehitus­materjalide toorainena. Dolomiidi koostist väljendatakse ligikaudse valemiga CaCO₃∙MgCO₃ ehk CaMg(CO₃)₂. Dolomiidil on peamiselt dekoratiivne väärtus ja sageli viimistletakse sellega hooneid väljastpoolt.

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. Kruusa­tera suurus on umbes 2–64 mm, liiv on veelgi peenem. Kruus ja liiv on tähtsad ehitus­materjali toorained.

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

Väga tähtis sideaine on tsement, mida valmistatakse lubja­kivi ja savi peenestatud segu kuumutamisel kõrgel temperatuuril (~1400 °C). Suurel kuumusel kaltsium­karbonaat (CaCO₃) laguneb ning tekib kaltsium­oksiid (CaO).

CaCO₃ → CaO + CO₂↑

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

Kui tsement­mördile lisada kruusa või killustikku, saadakse üsna tugev ja odav betoon. Betoonile on väga lihtne anda soovitud kuju: vedel segu tuleb valada vormi tahkuma. Kui panna betooni sisse raud­vardad, saadakse veelgi tugevam betoon – raud­betoon. Betoon peab hästi vastu survele, raud­armatuur aga talub ka painutamist ja tõmbamist. Raud­betoon on väga hea liit­materjali näide, sest selle koostis­osade omadused on ühte materjali koondatud.

Telliseid osati teha juba aasta­tuhandeid enne kristlikku aja­arvamist 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 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 või suitsu­lõõride ehitamiseks nagu põletatud tellised.

Klaasiks nimetatakse eba­korra­pärase aatomite paigutusega tahket materjali, mis harilikult on läbipaistev. Klaasi peamine lähte­aine on võimalikult puhtast räni­dioksiidist 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. Saadud 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.

Raud(II)ühendid muudavad klaasi roheliseks ja raud(III)­ühendid punakas­pruuniks, mistõttu tuleb akna­klaasi valmistades kasutada võimalikult vähe raua­ühendeid sisaldavat kvartsliiva.

Metallide omaduste ja kasutusaladega tutvusid põhjalikumalt juba 8. klassi keemiakursuses. Meeldetuletuseks vaata 8. klassi keemia õpikust teemat „Metallid“.

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

Teras on raua ja süsiniku sulam, mis on sobilik materjal näiteks ehitiste kande­konstruktsioonide valmistamiseks. Vaske ja selle sulameid kasutatakse näiteks dekoratiivse ja vastu­pidava katuse­materjalina. Üsna laialdast rakendust leiavad ka alumiiniumi­sulamid.