Antik Çağlardan Günümüze Beton ve Çimento

Modern betonun temel bileşenlerinden biri olan çimento şimdiki özelliklerinde olmasa da asırlardır varlığını sürdürmektedir. Yaklaşık 12 milyon yıl önce, şimdi İsrail olarak bilinen bölgede, doğal çimento birikintileri kendiliğinden yanma sonucu kireçtaşı ve petrol şeyli arasındaki reaksiyonlarla oluşmuştur.

Bir yapıda kireçtaşı ve sönmemiş kireç çimentosunun bilinen en eski kullanımı yaklaşık 12.000 yıl öncesine dayanmaktadır. Bu antik malzemeye Şanlıurfa sınırları içinde yer alan Göbekli Tepe Tapınağında rastlanmıştır.

Nevali Çori, Şanlıurfa ilinin Hilvan ilçesine bağlı Güluşağı mahallesinin hemen kuzeybatısında bulunan bir höyüktür. Buradaki beton zemin yapmak için kullanılan kireç fırınları organize tarımdan daha eskidir.

1985 yılında İsrail Galilee’de MÖ 7000’den kalma bir beton döşeme gün ışığına çıkarıldı. Kalınlığı 5-8 cm arasında olan bu 9000 yıllık beton döşeme kumlu kil tabanı üzerine yapılmıştır. Beton iyi bir şekilde konsolide edilmiş, yüzeyi sert ve pürüzsüzdür. Bundan yaklaşık 2000 yıl sonra Doğu Avrupa ve Orta Doğu’da bu tür beton yapıların kanıtları bulunmaktadır ancak daha sonra teknolojinin kaybolduğu görülüyor. Şimdiye kadar ortaya çıkarılan kanıtlara göre, MÖ 5000’de beton konusunda elde edilmiş bilgiler neredeyse yok olmuştur. Yeniden ortaya çıkışını görmek için MÖ 2500’lü yıllara gelinmesi gerekmektedir.

MÖ 3000 civarında, Kuzey Çinliler tekne yapımında ve Çin Seddi’nin yapımında bir çeşit çimento kullanmıştır. Bu yapılardan bazıları zamanın, afetlerin ve yoğun savaşların pençesinden kurtulup günümüze kadar ulaşmıştır.

“An Experimental Study of Pig Blood–Lime Mortar Used on Ancient Architecture in China” başlıklı makalede, Çinlilerin Romalılardan çok önce beton katkı maddesi olarak domuz kanı kullanımını geliştirdiği ifade edilmiştir. Günümüze kadar korunan binlerce antik Çin yapısında kullanılan kireçli çimento bileşeninde domuz kanına rastlanmıştır. Kireçli çimento ile karıştırılan hayvan kanı su azaltıcı ve hava sürükleyici görevi görerek dayanıklılığı artırır.

Çelişkili raporlar olmasına rağmen eski Mısır’daki Büyük Giza Piramidi’nin yapımında bir tür beton kullanılmış olabilir. Bilinen en eski beton işçiliği görseli, Mısır’daki Thebes kentinde beton üretiminin çeşitli aşamalarını gösteren MÖ 1950’lere ait bir duvar resminde görülebilir. Beton üretimi daha sonra Mısır’dan Akdeniz’e özellikle Antik Yunanistan’a yayılmıştır.

Puzolanlar Doğu Akdeniz’de MÖ 500-400’den beri kullanılmıştır. Eski Yunanlılar öncülük etse de Pantheon gibi binalar için kullanılan Roma betonundaki kireç-puzolan harcının potansiyelini tamamen geliştiren Romalılar olmuştur. Romalı mimar Vitruvius dört tip puzolanda bahseder: siyah, beyaz, gri ve kırmızı. Bunların hepsi İtalya’nın volkanik bölgelerinde bulunabilir. Puzolanlar, su ile karıştırılmadan hemen önce kireçle ikiye bir oranında iyice karıştırılarak uygulanmıştır.

Roma’daki 43 metre çapındaki ve 22 metre yüksekliğindeki Pantheon Tapınağı, yoğun bir agrega tabakası üzerine sıkıştırılmış puzolanlı çimentodan yapılmış dış temel duvarlara sahiptir. 2000 yıl boyunca meydana gelen büyük depremlerin normalde yapıyı yeterince zayıflatacak çatlaklara neden olmasına rağmen halen ayakta kalması oldukça şaşırtıcıdır. Kubbeyi destekleyen dış duvarlar, aralarında dışa doğru uzanan odaların bulunduğu, eşit aralıklarla yedi niş içermektedir. Başlangıçta yalnızca yapının ağırlığını en aza indirmek için tasarlanan bu nişler ve odalar, duvarların ana bölümlerinden daha incedir ve çatlak yerlerini kontrol eden kontrol derzleri görevi görür. Niş ve haznelerdeki çatlamalar sayesinde hareketten kaynaklanan gerilmeler giderilir. Bu, kubbenin esasen dış duvarların nişler ve odalar arasındaki kısımları tarafından oluşturulan 16 kalın, yapısal olarak sağlam beton sütun tarafından desteklendiği anlamına gelir.

Domus Aurea, Roma İmparatoru Nero tarafından Antik Roma’nın kalbinde inşa edilmiş geniş peyzajlı bir saraydır. 300 dönümlük bir alanı kapladığı sanılıyor, ancak çoğu henüz kazılmamıştır. Bu yapı Roma Kolezyumu’ndan daha büyüktür. Beton duvarlar o kadar çarpıcı fresklerle kaplıydı ki, sanatçının adı hala aşırı olan şeyleri tanımlamak için kullanılıyor. Fabulous, belki de Roma’nın çimento ve boya ile çalışan en yetenekli sanatçısıydı.

Romalı mimar Vitruvius; 10 bölümden oluşan “De Architectura” isimli kitabında yapıların dayanıklı, kullanışlı ve güzel olmasını Latince “Firmitas Utilitas Venustas” şeklinde ifade etmiştir. Bu, günümüzde de geçerlidir. Vitruvius mimarlık üzerine yazdığı kitabında temiz agrega kullanmanın önemini vurgulanmıştır. Bir kumun betonda kullanımın uygunluğunu belirlemek için basit bir test önermiştir: “Şunu deneyin: Beyaz bir bezin üzerine biraz kum atın ve ardından silkeleyin, kumaş kirli değilse ve üzerine kir yapışmıyorsa kum uygundur”.

Vitruvius Adamı (Vitruvian Man), Leonardo da Vinci imzalı bir çizimdir. Romalı mimar Vitruvius’un çalışmalarına dayanan notlar eşlik eder. Çizim, antik Roma mimarı tarafından De Architectura adlı eserinin III. Kitabında açıklanan geometri ile ideal insan vücudu oranlarının korelasyonlarına dayanmaktadır. Vitruvius, insan figürünü mimarideki orantıların ana kaynağı olarak tanımlamıştır. Aynı bölümde su geçirmez beton için karışım tasarımı verilmektedir.

Mezoamerika’da, Roma İmparatorları zamanında, Mayalar sönmemiş kireç kullanarak harç ve sıva geliştirmiş ve beton üretmiştir. Maya çimentosu, Portland çimentosu gibi hidrolojik bir çimentoydu. Mayaların çimento ritüellerine sönmemiş kireç üretiminde kullandıkları fırınlar eşlik ederdi. Kadınsı olduğu düşünülen fırın kıskanç hale geleceğinden ve düzgün çalışmayı reddedeceğinden, yakma sırasında kadınların fırının yakınına gelmesine izin verilmezdi.

Pisa Kulesi, 1173 yılında kireçtaşı ve kireç harcı ile inşa edilmiştir ancak kulenin dışı mermer kaplıdır. Kireçtaşı muhtemelen kulenin çatlamamasının ve kırılmamasının nedenidir. Kireçtaşı ve kireç çimentosu harcı, kulenin eğimli tarafından üzerine uygulanan baskılara dayanabilecek kadar esneklik sağlamaktadır.

1700’lerde, daha iyi yapı malzemeleri geliştirme yarışında İngilizlerin bir avantajı vardı. O da John Smeaton’dı. Smeaton, inşaat mühendisliğinin babası olarak bilinir. Roma’nın düşüşünden ve betonun sırlarının kaybolmasından 1000 yıldan fazla bir süre sonra, Smeaton nasıl çimento yapılacağını yeniden keşfetmiştir. İngiltere’nin güney kıyılarının hemen dışındaki Eddystone Kayalıkları’nda tehlikeli bir yerin üzerine bir deniz feneri inşa etmekle görevlendirildi. Bu kayalar yüzlerce gemiyi batırmış ve binlerce ölüme neden olmuştur. Daha önce yapılan üç deniz feneri başarısız olmuştu. İlki dalgalar tarafından yıkılmıştır. İkincisi bir kasırga sırasında çökmüştür. Üçüncüsü de yanmıştır. Smeaton dünyanın en güçlü deniz fenerini inşa etmeye kararlıydı. Fener, 1756-1759 yılları arasında, Smeaton’un yüksek kil içerikli kireci uçucu kül ile karıştırarak geliştirdiği hidrolik çimento dolgulu bir harç kullanılarak inşa edilmiştir. Bu fener bir yüzyıldan fazla bir süre Eddystone Kayaları üzerinde durmuştur. 1882’de deniz feneri demonte edilerek yeniden betondan inşa edilmiştir.

1824 yılında Portland çimentosu’nun patentini alan kişinin İngiliz Joseph Aspdin olduğu bilinmektedir. Ama, alit fazı içeren ilk modern Portland çimentosunu geliştiren kişi Joseph Aspdin’in oğlu William Aspdin’dir. William, kimya eğitimi çok az olan farklı bir karakterdi. O bir deneme yanılma ustasıydı. Her yeni yüklenen fırın pişirmeye hazır olduğunda, ofisinden dışarı çıkar ve çimentonun özel özelliklerinin tanımlanamayan bir “sihirli bileşenin” sonucu olduğu izlenimini vermek için ham karışımın üzerine avuç avuç parlak renkli kristaller saçardı.

1836’da Almanya’da betonun basınç ve eğilme dayanımının ilk sistematik testi yapıldı. 1877’de Alman Çimento Üreticileri Birliği, Portland çimentosu için ilk standardı yayımladı.

Amerikan İç Savaşı sırasında, neredeyse tüm yollar yağmurdan sonra çamur bataklığına dönüşen topraktı. Tüm hava koşullarına uygun sert yüzeyli çok az yol vardı. Bu yollara mucitleri İskoç inşaat mühendisi John Loudon McAdam’dan dolayı “makadam” yollar deniyordu. McAdam, bu yollarda kullandığı tekniği eski Roma İmparatorluğunun yol inşaatçılarına borçluydu. Yollar (Latince pavinientum), çimento yatağı üzerine yerleştirilmiş ve sıkıştırılmış çakıl katmanlarından yapılmıştır. Yolun kenarlarındaki hendekler gerekli drenajı sağlamaktadır.

Beton kimyasal katkısı için ilk patent Almanya’da 1873 yılında alınmıştır. Patent, kalsiyum klorür hızlandırıcı için alınmıştır.

1887’de Henri Louis Le Chatalier, çimento üretmek için oksit oranlarını belirledi. Bu oksitlere alit (trikalsiyum silikat), belit (dikalsiyum silikat) ve selit (tetrakalsiyum alüminoferrit) adını verdi. Le Chatelier; beton sertleşmesinin, çimento ve su arasındaki reaksiyonun kristal ürünlerinin oluşumundan kaynaklandığını öne sürmüştür.

1897’de Sears Roebuck, 50 galonluk (190 kg) ithal Portland çimentosu varillerinin her birini 3,4 dolara satıyordu. 1898’de çimento üreticileri 90’dan fazla farklı formül kullanıyor olsa da 1900’e gelindiğinde temel test ve üretim yöntemleri standart hale gelmiştir.

Portland çimentosu üretiminin ilk günlerinde fırınlar dikey ve sabitti. 1885’te bir İngiliz mühendis yatay, hafif eğimli ve dönebilen daha verimli bir fırın geliştirdi. Döner fırın daha iyi sıcaklık kontrolü sağlamakla beraber daha iyi karıştırma performansına sahiptir. 1890’da döner fırınlar piyasaya hâkim olmuştur. 1909’da Thomas Edison, ilk uzun fırın için bir patent almıştır. New Jersey, New Village’daki Edison Portland Çimento Fabrikasında kurulan bu fırın 46 metre uzunluğundaydı.

Thomas Edison, beton inşaatı için çelik kalıp kavramına öncülük etmiştir. 1913’te US Steel, Edison’un Montclair NewJersey’de inşa ettiği beton evlerin, hızla büyüyen bir şirket kasabası olan Gary Indiana’daki konut sıkıntısına bir çözüm olacağını düşünmekteydi. Müteahhitler, şirketin çalışanları için sıra evler inşa etmek için Edison’un patentli çelik kalıplarını kullandı. Şimdi, 100 yıldan fazla bir süre sonra, Edison Konsept Evleri ABD Ulusal Tarih Siciline girmiştir.

1891’de George Bartholomew, ABD Ohio’da halen kullanımda olan ilk modern beton yolu inşa etmiştir. Yolda kullanılan beton yaklaşık 55 MPa basınç dayanımı vermektedir.

Harmon S. Palmer, 1900 yılında ticari olarak ilk beton blok makinesini icat etmiştir.

Duff A. Abrams, betonun bileşimi ve özellikleri alanında çalışan Amerikalı bir araştırmacıydı. Portland Çimento Derneğinin (PCA) araştırma laboratuvarının araştırmacısı, profesörü ve yöneticisiydi. İncelik modülü, su/çimento oranı gibi kavramları ilk kez tanımlayan Abrams, ‘Abrams konisi’ olarak adlandırılan yöntemi kullanarak bir beton karışımının işlenebilirliği için bir test yöntemi (beton çökme testi) geliştirmiştir. Engineering News Record’a göre Ohio’daki Big Four Demiryolu Köprüsü, beton karışımı tasarımının yapıldığı ilk büyük ölçekli projeydi. Bu projede Profesör Duff A. Abrams tarafından önerilen beton karışım tasarım yöntemi kullanılmıştır.

1902’de August Perret; Paris’te kolonlar, kirişler ve döşeme plakaları için çelik takviyeli beton kullanarak bir apartman tasarladı ve inşa etti. Binanın taşıyıcı duvarları yoktu, ancak betonun sosyal olarak daha kabul edilebilir olmasına yardımcı olan zarif bir beton cepheye sahipti. Bina geniş çapta beğenildi ve beton, bir yapı malzemesinin yanı sıra mimari bir malzeme olarak daha yaygın bir şekilde kullanılmaya başlandı. Sonraki yıllarda betonarme binaların tasarımında etkili oldu ve böylece mimari beton doğdu.

August Perret tarafından tasarlanan ve inşa edilen apartman

1903 yılında inşa edilen Ingalls Binası dünyanın ilk beton gökdeleniydi.

Kömür yakan elektrik santrallerinden gelen uçucu külün betonda puzolanik bir bileşen olarak kullanımı 1914’te fark edildi ancak kullanımına ilişkin en erken kayda değer çalışma 1937’de yapıldı.

1915’te Lynn Mason Scofield, beton için renkli pigment üreten ilk şirketi kurdu.

SS Atlantis, 1918’de inşa edilen, kendinden tahrikli ilk beton gemilerden biriydi. 61 metre uzunluğundaydı ve 1150 ton yük taşıyabiliyordu. Beton gemiler, çelik kıtlığı nedeniyle ve çelik gövdeler inşa etmek için aylara kıyasla haftalar içinde dökülebildiği için, Birinci Dünya Savaşı’ndan İkinci Dünya Savaşı’na kadar kullanıldı.

1927’de Alman mühendisler Max Giese ve Fritz Hull, borulardan beton pompalama fikrine ulaştılar. 38 metre yüksekliğe ve 119 metre mesafeye beton pompaladılar. Kısa bir süre sonra, 1932’de Hollanda’da Jacob Cornelius tarafından bir beton pompası patenti alındı.

Betonun donma/çözülme hasarına karşı direncini artırmak için kullanılan hava sürükleyici maddeler 1930’da keşfedildi

İkinci Dünya Savaşı sırasında Almanya’da binlerce uçaksavar silahı ve tahkimat içeren bir dizi uçaksavar kulesi inşa edilmiştir. Berlin’deki bir uçaksavar savaştan haftalar sonra Ruslar ve ardından Fransızlar tarafından vurulmuştur. Daha sonra Fransızlar aşırı miktarda patlayıcıyla burayı yıkmaya çalışmıştır. Beton yapıyı yıkmaktan vazgeçen ABD, onu şehrin enkazına gömmüştür. Bu 7 katlı beton kalenin en üst iki katı hala turistlere açıktır.

Schwerbelastungskörper (Almanca: “ağır yük taşıyan gövde”), Almanya’nın Berlin kentindeki Tempelhof ilçesinin kuzeybatı kesiminde Dudenstraße, General-Pape-Straße ve Loewenhardtdamm’ın kesişme noktasında bulunan ağır bir beton silindirdir. Hitler’in baş mimarı Albert Speer tarafından, bölgenin bataklık, kumlu zemininde büyük binalar inşa etmenin fizibilitesini belirlemek için inşa edildi. 1941 yılında Dyckerhoff & Widmann AG tarafından 400.000 Reichsmark maliyetle inşa edildi. Zemine 18,2 metre ulaşan 11 metre çapında bir temelden oluşur.

Dünya Savaşları arasında, radarın icadından önce, beton parabolik ses aynaları, askeri hava savunma kuvvetleri tarafından uçak motorlarının sesini dinleyerek gelen düşman uçaklarını tespit etmek için erken uyarı cihazları olarak kullanıldı. İkinci Dünya Savaşı sırasında güney İngiltere kıyılarında, büyük bir beton akustik ayna ağı inşa edildi. Daha sonra Chain Home radar sisteminin geliştirilmesi nedeniyle proje iptal edildi. Bu aynaların birçoğu bugün hala ayaktadır. Bu konsept daha sonra modern ses duvarını geliştirmek için kullanıldı.

İkinci Dünya Savaşı sırasında Sovyetler, Alman tanksavar silahlarından korunmak için T-32 tanklarına “beton zırh” dökmeye çalıştı. Bu, AT mermilerini durdurmada başarılı olmasına rağmen, Sovyet tanklarını o kadar ağır yaptı ki, kolayca manevra yapmaları imkânsız hale geldi.

Sovyetler Birliği, standartlaştırılmış prekast bileşenler geliştirildi. 1960’lardan 1980’lere kadar, Sovyetler Birliği hızlı bir kentsel gelişim geçiriyordu. Bütün şehirler merkez ofislerde tasarlanıyor ve Sovyet topraklarında inşa ediliyordu. Gerekli inşaat hızına hitap etmek için birçok farklı çok katlı bina inşa etmek için düzenlenebilecek standart beton paneller geliştirdiler. Örnekler Avrupa ve Rusya’da görülebilir. Taşkent şehri, dekoratif ve stilistik desenler dahil olmak üzere bu beton panellerin farklı türlerini ve olası düzenlemelerini temsil etmektedir.

1967’de İsrailli/Kanadalı mimar Moshe Safdie ilk olarak 3 boyutlu prekast beton modüller tasarladı. Habitat 67, gri estetiği ve kaotik düzenlemesi nedeniyle mimaride en beğenilen eserlerden biridir. Safdie, beton modüler tasarımın kapısını açtı.