צמנט

מפעל לייצור צמנט בפרובאנס-אלפ-קוט ד'אזור שבצרפת

צֵמֶנְט הוא חומר מליטה, המופק מאבני גיר וחימר המשמש בסיס לחומרי הדבקה בתעשיית הבנייה כמלט, בטון וטיח.

הגדרות

חומרי מליטה הם חומרים המאפשרים הדבקה של חומרי בנייה מוצקים. בדרך כלל מדובר בחומרים המורכבים ממחצבים.

המילה הלטינית צמנט שמשה בימי הביניים לתיאור של תערובת חומר מליטה אגרגט דק ומים. בשפות אחדות, כגון צרפתית, המילה צמנט משמשת גם לדבק. בעברית, המילה צמנט משמשת לתיאור אבקת חומר מליטה מחצבי בלבד.

מונחים קרובים הם:

• מלט – תערובת של חומר מליטה עם מים ותערובות חול דק
• בטון – תערובת של חומר מליטה, עם מים, חול וחצץ

התהליך בו עיסה צמנטית (תערובת צמנט ומים) מאבדת את הגמישות והופכת למוצק נקרא התקשרות. התחזקות המוצק עם הזמן נקראת התקשות או הקשיה.

קיימות שתי קבוצות של חומרי מליטה:

1. חומרי מליטה אוויריים – חומרי מליטה שמתקשרים באוויר, או שאינם מתקיימים במים
2. חומרי מליטה מימיים (נקראים גם הידראוליים, או הידרבולים) – חומרי מליטה המתקשרים במים, ומתקיימים במים.

היסטוריה

מהתקופה הפרה-היסטורית עד סוף התקופה הרומית

השימוש בתערובות קרקע לצורך בנייה וחיפוי קירות מוכר החל מן התקופות הפרה-היסטוריות המוקדמות. שימוש בסיד כבוי ליצירת רצפות מוכר כבר החל מן התקופה הנאוליתית. השימוש בלִבְנֵי טיט (בוץ) אשר אף הוא החל בתקופה הנאוליתית המריץ פיתוח תערובות קרקע אשר תסייענה בהדבקת הלבנים. במסופוטמיה החל מן האלף השלישי לפנה"ס מוכר גם השימוש בלבנים צרופות (לבני בוץ שעברו שרפה מכוונת), נמצא כי לבנים צרופות הודבקו זו לזו על ידי חומר ביטומני (אספלט) שלו קשיחות גבוהה יותר משל הטין הבוצי.

סיד שימש כחומר מליטה בצפון מזרח אגן הים התיכון, בעיקר ביוון עד לתקופה הרומית. הרומאים שיכללו את מלט הסיד, על ידי עירובו עם אפר געשי ויצרו בטון רומאי. האפר הגעשי המועדף היה מפוצולי שבאיטליה. מכאן המונח העדכני חומרים פוצולאנים (pozzolana באנגלית) – חומרים המתקשרים כימית בנוכחות סיד ומים.

בהיעדר האפר הגעשי, הרומאים השתמשו בתערובת סיד עם חרס טחון או אפר עץ, שאף הם בעלי תכונות פצולאניות. תערובת של סיד וחומר פוצולאני נקרא גם "צמנט רומי". הצמנט הרומי מתקשר כימית (כלומר הופך למוצק) מהר יותר מסיד, ומתגבש גם בהיותו במים, ואף עמיד בפני ארוזיה במים. מסיבה זו, בתהליך ייצור המלט, הצמנט הרומי החליף עד מהרה את הסיד.

מכיוון שהמלט הרומי זקוק למים על-מנת להתקשר כימית, מרבית המבנים ההיסטוריים ששרדו מהתקופה הרומית, הם כאלה שנבנו באזורים ובתקופות בהם הלחות באוויר הייתה מספקת להתקשרות והתקשות מלט זה.

אמנם בישראל ובעולם נמצאו שרידים ארכאולוגים של בטון מתקופות קדומות בהרבה מהתקופה הרומית, אך הרומאים היו הראשונים שעשו שימוש בבטון בקנה מידה גדול. כיפת הפנתאון היא דוגמה לשימוש כזה.

למרות שהרומאים תיעדו בכתב את מפרט הכנת סוגי המלט והבטון, עם נפילת האימפריה הרומית, חלה הידרדרות באיכות הצמנט והמלט. במבנים מהמאה התשיעית עד המאה ה-11 לספירה, איכות המלט הגיעה לשפל. הסיד ששימש להכנת מלט לא נשרף כראוי, והשימוש בחומרים פוצולאנים פסק לחלוטין בחלקים של אירופה, כתוצאה מהיעלמות תרבות הבנייה הרומית.

החל מהמאה ה-12 חל שיפור מתמיד באיכות המלט, ושב השימוש בחומרים פוצולאנים טבעיים, אך לא נתחדש דבר בתחום, עד המאה ה-18

מהמאה ה-18 עד לתקופה המודרנית

בשנת 1756, הוטל על ג'ון סמיתון (John Smeaton) להקים מגדלור חדש ב-Eddyston Rock, תחת הקודם שעלה באש; סמיתון עשה מחקר למציאת חומר בנייה שיתאים לתנאים הקשים להם נחשף מבנה מגדלור. ההמלצות לתערובת בימיו היו: שני חלקים סיד, חלק אחד קרקע בעלת תכונות פוצולאניות, ומעט מים. מאחר שלא היה שבע רצון מהתוצאות, החל לחפש את חומר המליטה המתאים ביותר על ידי טבילת כדור מלט לאחר שעבר התקשרות במים, ובחינת עמידות המלט המתגבש. הוא בחן מגוון חומרים פוצולאנים טבעיים ומלאכותיים. התוצאה הטובה ביותר התקבלה מסיד ממקור אבן גיר המכילה אחוז חרסית גבוה. הסיד שהוכן מאבן גיר חרסיתית זו נקרא גם "סיד הידראולי", מהיותו מתגבש במהירות במגע עם מים (בניגוד לסיד ה"רגיל").

חומר המליטה שנבחר לבניית המגדלור הורכב מחלקים שווים של סיד הידראולי ופוצולאנה טבעית. המגדלור הוקם בשנת 1759, והתנשא לגובה של 22 מטר. בשנת 1882 המבנה הוחלף במגדלור חדש והמקורי הישן פורק והורכב מחדש בפלימות'.

למרות הצלחתו של סמיתון, השימוש בסיד הידראולי לא קנה לו אחיזה. ב-1796, נרשם פטנט באנגליה על "צמנט רומי" (כשם מותג מסחרי, השונה מהצמנט הרומי המקורי) שהוא למעשה סיד הידראולי מאבן גירנית עשירה בחרסית (חוואר). הצמנט בהמצאה זו, היה צמנט מהיר התקשרות, ולכן היה שימושי בעבודות באזורי גאות ושפל, נמלים, סכרים ותעלות. 'צמנט-רומי' המומצא, היה הצמנט העיקרי בשימוש עד שב-1850 צמנט פורטלנד החל להחליפו בהדרגה.

החוקר הצרפתי ויקה יצר סיד הידראולי מלאכותי על ידי קלייה של גיר מעורב בחרסית שנטחנו יחדיו, בתהליך דומה לזה ששימש לייצור צמנט פורטלנד בעבר. במהלך המחצית הראשונה של המאה ה-19 נרשמו פטנטים רבים לצמנטים שונים המבוססים על סיד הידראולי. מתוכם, רק פטנט אחד זכה לפרסום רב, "צמנט פורטלנד", פטנט (אנגלי) "מספר 5022" מה-21 באוקטובר 1824, בידי יוסף אספדין (Joseph Aspdin). השם "צמנט פורטלנד" ניתן על מנת לרמוז לאבן פורטלנד שהייתה ידועה באנגליה בתכונת החוזק שלה. בדומה לויקה, אספדין עירב חרסית וגיר טחון, וקלה אותם יחד ליצירת סיד הידראולי. למעשה, לא היה כל חידוש בפטנט של אספדין, אך השימוש בשם "צמנט פורטלנד" הקנה לו חזקה לשימוש מסחרי במותג זה.

בנו הצעיר של יוסף אספדין, ויליאם, הקים עם שותפים חברה מתחרה לייצור צמנט בלונדון ב-1843. ויליאם גילה שתוצר קליית גיר מעורב בחרסית, (קלינקר), שנשרף ברמות חום גבוהות יותר מפיק צמנט בעל איכות וחוזק טובים בהרבה. ויליאם מעולם לא הגן על הפיתוח שלו בפטנט, ועד סוף ימיו טען שהפטנט היחיד הרלוונטי לצמנט הוא הפטנט שנרשם על ידי אביו. בדיקות מטלוגרפיות של שרידי קלינקר ארכאולוגיים מתנור ששימש את ויליאם אספדין גילו בליט ואליט שהם המרכיבים העיקריים בקלינקר של צמנט פורטלנד מודרני.

מנהל המפעל המתחרה, י.צ. ג'ונסון, גילה שקלייה של חומרי הגלם בטמפרטורה גבוהה יותר, יוצרת צמנט חזק בהרבה, אך מתגבש לאט יותר. ג'ונסון התקשה למצוא את יחסי החומרים האופטימלים. ב-1851, ג'והנסון עזב את מעסיקו וקנה את מפעל הצמנט שננטש על ידי ויליאם אספדין. הצמנט המשובח שיצר במפעל החדש נמכר במחיר כפול.

המעבר לכבשן סובב רציף, המצאתו של תומאס קרמפטון מ-1877, היה הצעד הטכנולוגי הבא לשיפור הצמנט, יעילות הייצור שלו ובקרת האיכות. בעיות רבות נתגלו סביב הפעלת כבשן זה, ופיתוחו נמשך עד סוף המאה ה-19. ב-1898, בארצות הברית נבנה הכבשן הסובב הראשון שעבד כמעט ללא תקלות, וב-1900 נבנו באנגליה שישה כבשנים כאלה שעבדו ברצף זה אחר זה. הכבשנים הסובבים הראשונים שימשו בעיקר לתפוקה אחידה, ופחות לשם הגברת התפוקה.

התקדמות טכנולוגית נוספת, בייצור צמנט, בשלהי המאה ה-19 הייתה השימוש במטחנת כדורים, שאיפשר ייצור צמנט בעל חוזק מוקדם גבוה יותר, ופתרה את בעיית ההתקשרות המהירה של הטריקלציום אלומינט (C₃A), בעקבות טחינה דקה של הקלינקר. כדי לעכב את התקשרות הטריקלציום אלומינט, מוסיפים לצמנט (בתהליך הייצור) סולפט, בדרך כלל בצורה של גבס. הסולפט מגיב עם הטריקלציום אלומינט ליצירת אטרינגיט. האטרינגיט מכסה את גבישי הטריקלציום אלומינט ומאט את קצב ההידרציה שלהם.

במהלך המאה ה-20, חוזקו של צמנט פורטלנד הכפיל את עצמו פי חמישה, פחות או יותר. במהלך עשרות השנים האחרונות, נכנסו שיפורים נוספים בטכנולוגיית הייצור של הצמנט, ובכימיה של צמנטים מעורבים. מרבית התעשייה עברה לתהליכי ייצור יבשים, שהם חסכוניים יותר באנרגיה. שיטת טחינה חדשה – מטחנת גלילים – הולכת ותופסת בהדרגה את מקומן של מטחנות הכדורים. מטחנת גלילים מאפשרת שליטה טובה יותר של דוק הטחינה, והיא חסכונית יותר באנרגיה.

צמנטים מעורבים המכילים אחוזים גבוהים של תוצרי לוואי מתעשיות אחרות, הם אחד הכיוונים העיקריים בפיתוח צמנט במפנה המאה ה-21. אפר פחם מתחנות כוח, המהווה חומר פסולת זול שמעוניינים להיפטר מהם באופן שאינו מזיק, וכך גם אפר מבערה של תוצרים חקלאיים, כמו קליפות אורז וקנה סוכר סחוט, ואפר ממקורות אחרים הם תוספים פוצלנים, ולפעמים חומרים בעלי תכונות מליטה משל עצמם, שיכולים להחליף אחוז ניכר מהצמנט בצמנט-פורטלנד מעורב.

מיקרו-סיליקה, שהיא תוצר לוואי של ייצור סיליקון לתעשיית האלקטרוניקה והפלדה, משמשת אף היא כתוסף פוצלני לייצור בטונים חזקים במיוחד או עמידים במיוחד. סיגים טחונים מתהליך ייצור הברזל הם חומר מליטה, כשלעצמו בעל קצב הידרציה איטי ביותר, אבל כשמערבבים אותם עם חומר בסיסי כגון צמנט פורטלנד, קצב ההידרציה שלהם גדל, והם מקנים לבטון עמידות גבוהה כנגד תנאי הסביבה המאכלים. הכללה של חומרים אלו בתערובת הצמנט, מוזילה את הצמנט, מורידה את האנרגיה הדרושה לייצורו, ופותרת בעיות סביבתיות על ידי שימוש בפסולת כחומר גלם.

ייצור צמנט

את ייצור הצמנט ניתן לחלק לשני שלבים: ייצור קלינקר או סיגים, טחינה וערבוב.

ייצור קלינקר

קלינקר

כבשן סובב

חומרי הגלם לייצור הקלינקר הם אבן גיר, חול קוורצי וחרסית. אבן הגיר מהווה מקור לסידן (Ca). החול מהווה מקור לצורן (Si). והחרסית מהווה מקור לחמרן (Al). מאחר שהחרסית איננה מינרל נקי, היא מכילה גם ברזל (Fe).

את חומרי הגלם טוחנים, ולאחר מכן קולים. במתקנים חדשים, הקליה מורכבת ממספר שלבים, המאפשרים מעבר חום בין תוצרי הקליה וגזי הפליטה לבין חומרי הגלם הנפרדים, ובכך מתייעל התהליך. עיקר הקליה מתבצעת בכבשן סובב. כבשן זה הוא למעשה צינור ארוך ורחב הסובב על צירו, ובעל שיפוע מתון היורד לכיוון היציאה. הצינור מצופה מצידו הפנימי בלבנים קרמיות מבודדות, המגנות עליו מהחום בצידו הפנימי, ומונעות בזבוז אנרגיה לסביבה. במרכז הצינור, בצד היציאה מהכבשן, מתבצעת בעירה של חומר דלק, כגון אבקת פחם או מזוט, המהווה את מקור החום לקליה. חומרי הגלם נכנסים מצידו הגבוה של הכבשן ונעים בהדרגה לכיוון היציאה. הטמפרטורה בכבשן נעה בין C°‏ 1,400 ל-C°‏1,640. כשחומרי הגלם מתחממים, קורים מספר תהליכים.

ראשית, חומרי הגלם מאבדים את מי המבנה שלהם. בשלב הבא, הגיר מתפרק לדו תחמוצת הפחמן ולסיד שרוף (תחמוצת הסידן – CaO). תהליך זה מתחיל כבר ב-C°‏600, אבל מתרחש בצורה יעילה בין C°‏800 ל-C°‏1,200. בשלב זה, חומרי הגלם עדיין במצב מוצק. כאשר הטמפרטורה בסביבות C°‏1,400, תחמוצות החמרן והברזל הופכות לנוזלים צמיגים. טמפרטורה זו נקראת טמפרטורת הבציקה. מעבר פאזה זה מתאפשר הודות לסביבה הבסיסית אותה מספק הסיד השרוף. ללא נוכחות הסיד, חומרים אלה היו נשארים מוצקים, כפי שקורה בהכנת קרמיקה. בסביבה הנוזלית, התהליכים הכימים מתרחשים בקצב גבוה יותר, והסיד מגיב עם תחמוצות הצורן ליצירת אליט ובליט, שהם מרכיבי הקלינקר העיקריים. ככל שטמפרטורת הכבשן עולה, כך נוצר יותר אליט. הבצק הצמיג של הפזות הנוזליות והמוצקות בקלינקר מתכדרר בתנועה הסיבובית של הכבשן.

הקלינקר יוצא מהכבשן בצורת אגרגטים בגודל של מספר מילמטרים עד מספר סנטימטרים. כשהקלינקר יוצא מהכבשן הוא מקורר במהירות בזרם אוויר חזק, ועובר לאחסון או ישירות לטחינה.

ייצור סיגים

הסיגים הם תוצר לוואי של תעשיית הפלדה. בתהליך ייצור הפלדה, משתמשים בסיד על-מנת לספוג "מזהמים" מתוך הפלדה המומסת. הסיד סופג את תחמוצות החמרן והצורן שבפלדה, ומזהמים נוספים. מכיוון שמשקלו הסגולי של הסיד קטן בהרבה ממשקלה הסגולי של הפלדה, הסיד שספג את המזהמים צף על-גבי הפלדה, וניתן להפרידו בקלות. תערובת הסיד עם ה"מזהמים" בעלת הרכב אטומים דומה לזה של הקלינקר, אך הרכב מינרלוגי שונה. תערובת זו היא למעשה הסיגים. כדי שלתערובת יהיו תכונות של חומר מליטה, יש לקרר אותה במהירות. לרוב, מרסקים את הסיגים לגודל של מספר מילימטרים ומקררים אותם במים.

טחינה וערבוב

הסיגים והקלינקר, כמו שהם, כמעט שאינם מגיבים עם מים. הסיבה לכך היא שהתגובה עם המים מתבצעת רק על שטח הפנים, ושטח הפנים המתקבל אינו גדול. על-מנת שיהיה ניתן להשתמש בהם כחומר מליטה, יש לטחון אותם לאבקה דקה. דקות הטחינה מבוטאת בשטח הפנים הסגולי, כלומר בשטח הפנים ליחידת משקל. שטח פנים סגולי אופייני של צמנט נע מ 300 עד 600 מ"ר לק"ג. ככל שדקות הטחינה גדולה יותר, כך העבידות וקצב ההידרציה יהיו גדולים יותר. צמנט פורטלנד, העשוי ברובו מקלינקר, נטחן לדקות נמוכה מזו של צמנט סיגים. זאת מכיוון שקצב ההידרציה הסגולי של הסיגים קטן יותר, ויש לפצות על-כך על ידי הגדלת שטח הפנים. שטח פנים גדול מאוד, גם הוא אינו רצוי, שכן הוא יגרום לצמנט להתקשר מהר מידי.

בשלב הטחינה, ניתן להוסיף תוספים שיטחנו יחד עם הצמנט, או שניתן לטחון אותם בנפרד ולהוסיף אותם לפני האריזה, או אפילו בתהליך ייצור הבטון עצמו. תוספים נפוצים הם אבן גיר ואפר פחם. גם לסיגים מתייחסים לעיתים כאל תוספים, כאשר הצמנט מורכב בעיקר מקלינקר.

קיימות שתי טכנולוגיות לטחינת צמנט. הטכנולוגיה הוותיקה והמצויה יותר היא מטחנת כדורים. מטחנת כדורים היא גליל, לתוכו מכניסים את חומרי הגלם וכדורי טחינה. עם סיבוב הגליל, הכדורים עולים, מתחככים ונופלים על חומרי הגלם. בצורה זו הכדורים טוחנים את חומרי הגלם, שיוצאים מהמטחנה דרך נפה, על-מנת למנוע טחינת יתר.

מטחנה אחרת, שהשימוש בה נהיה יותר נפוץ היא מטחנת הגלילים. מטחנת הגלילים יותר יעילה מבחינה אנרגטית, ומאפשרת אבטחת איכות טובה יותר, לשליטה על גודל הגרגר של האבקה המתקבלת. מטחנת הגלילים מורכבת משני גלילים מסגסוגת קשיחה, שניתן לקבוע את המרחק ביניהם בדיוק רב. חומרי הגלם עוברים במרווח שבין הגלילים תוך כדי תנועה מתואמת של הגלילים. גרגרים שגודלם גדול מהמרווח שבין הגלילים מתרסקים במעבר. קיימת מגבלה טכנית הייצור גרגרים דקים מגרגרים גסים. אם דקות הטחינה של התוצר הרצוי גדולה בהרבה מזו של חומר הגלם, חומר הגלם לא יכנס לחריץ שבין הגלילים, ולא יטחן. במצב כזה, יש לבצע מספר מעברים במטחנה, כאשר בכול מעבר דקות הטחינה עולה.

בדיקות תקניות של צמנט

בדיקות תקניות של צמנט מופיעות בתקן ישראלי מספר 3. הבדיקות לגביהן התקן מעלה דרישות הן בדיקות תפקודיות: זמני התקשרות, חוזק והגדלת נפח. בעבר היו דרישות גם לגבי שטח פנים סגולי, אבל הדרישה הוסרה, והיום שטח פנים סגולי נמדד לידיעה בלבד. משקל סגולי של הצמנט אף הוא נמדד לידיעה בלבד, מכיוון שהוא חיוני לצורך תכנון תערובת בטון. שיטות המדידה התקניות פותחו, ברובן, במאה ה-19, ואף-על-פי שהן פשוטות ופחות מדויקות משיטות מודרניות, הן עדין הבדיקות התקניות במרבית מדינות העולם.

זמני התקשרות

מחט ויקה

התקשרות היא התהליך בו העיסה הצמנטית מאבדת את התכונות הפלסטיות והופכת למוצק. זמני התקשרות חשובים על-מנת להעריך את משך הזמן בו ניתן לצקת את העיסה, ומשך הזמן עד שהעיסה יכולה להחזיק עומס מינימלי. בהקבלה לבטון, ניתן לומר, שעד זמן תחילת התקשרות ניתן לצקת את הבטון, ואחרי זמן סוף התקשרות ניתן ללכת על הבטון. יש להיזהר משימוש בזמני התקשרות של צמנט לצורך עבודה עם בטון, שכן זמני התקשרות של בטון מושפעים מגורמים רבים, ואינם מקבילים לזמני ההתקשרות של הצמנט ששימש לייצורו.

כדי לבדוק זמני התקשרות מכינים עיסה בעלת סומך תקני. כדי לבדוק אם עיסה היא בעלת סומך תקני, מרכיבים מחט דקה על מכשיר ויקה (ראו תמונה). משחררים את המחט מעל העיסה שמוחזקת בתבנית תקנית המיועדת לצורך זה. המחט צריכה לרדת לעומק המוגדר בתקן.

לצורך בדיקת זמן תחילת התקשרות משאירים את המחט ששמשה לצורך בדיקת סומך תקני. כאשר בשחרור המחט חודרת לעומק קטן או שווה לזה המוגדר בתקן, זהו זמן תחילת התקשרות.

לבדיקת זמן סוף התקשרות מחליפים את המחט במכשיר למחט בדיקת סוף התקשרות. מחט זו בעלת בליטה קטנה במרכזה, ובעלת בליטה היקפית בצורת טבעת. הבליטה המרכזית בולטת מעט יותר מהטבעת ההיקפית. כאשר הבליטה המרכזית משאירה סימן על העיסה הצמנטית, ואילו הטבעת ההיקפית אינה משאירה סימן, זהו זמן סוף התקשרות.

חוזק

חוזק הצמנט מוגדר כחוזק הבטון התקני שמיוצר ממנו. חוזק הלחיצה התקני של הצמנט יכול להיות: 32.5, 42.5 ו-52.5 מגפ"ס (מגה-פסקל). למעשה בארץ מיצרים ומשווקים רק את שני האחרונים. דרישת החוזק בתקן היא לחוזק מינימלי, כך שחוזק הצמנט עולה על חוזקו התקני.

בטון תקני מוכן על ידי שימוש בתערובת אגרגטים תקנית המיוצרת במיוחד לצורך זה. התערובת מיוצרת במערבל בחש קטן, דומה למערבל מזון המשמש במסעדות. מן הבטון יוצקים קוביות לבדיקת חוזק לחיצה ומנסרות לבדיקת חוזק מתיחה. לאחר מכן הבטון עובר אשפרה תקנית במשך 28 יום. 28 יום לאחר היציקה שוברים את הקוביות במכבש למדידת חוזק לחיצה. שוברים את הקורות בכפיפה למדידת חוזק מתיחה בכפיפה, ומשתמשים בחצאי הקורות השבורות למדידת חוזק מתיחה עקיפה.

הגדלת נפח

מחט לשטליה

מחט לשטליה עם דוגמת עיסה צמנטית קשויה. שימו לב למרחק בין קצוות המחט בהשוואה לתמונה הקודמת

הגדלת נפח העיסה הצמנטית לאחר שהתקשתה עשוי לגרום נזק רב למבנה. הגדלת נפח העיסה הקשויה עשוי להיגרם מהידרציה מאוחרת של סיד שרוף עד מוות (תחמוצת הסידן C), הידרציה של מגנזיה (תחמוצת המגנזיום M), או היווצרות אטרינגיט עקב עודף סולפטים.

בדיקת הגדלת נפח נעשית על ידי יציקת עיסה צמנטית לתוך מחט לשטליה המונחת על משטח זכוכית (ראו תמונה). מכסים את המחט במשטח נוסף ומניחים מתחת למים לאשפרה. בתום האשפרה מודדים את המרחק בין שתי המחטים (ראו תמונה).

שטח פנים סגולי

מכשיר בליין למדידת שטח פנים סגולי

שטח פנים סגולי הוא שטח הפנים ליחידת משקל. שטח הפנים הסגולי הוא צורת מדידה של דקות הטחינה. ככל ששטח הפנים הסגולי גדול יותר, כך יעלה קצב ההידרציה עבור צמנט בעל הרכב כימי זהה. לשטח הפנים הסגולי ודקות הטחינה השפעה על העבידות של הבטון הטרי.

שטח הפנים הסגולי נמדד בצורה עקיפה, על ידי שימוש במכשיר בליין (ראו תמונה). כח הגרר שמפעיל זורם במהירות נמוכה יחסי לגודל שטח הפנים של הגוף. במכשיר בליין יוצרים הפרש לחץ נמוך על ידי יצירת עומד הידרוסטטי בצינור הזכוכית (עם הנוזל האדום). מודדים את משך מעבר כמות אוויר ידועה דרך דוגמת צמנט שקולה שנמצאת בראש המתקן. שורש זמן מעבר האוויר יחסי לשטח הפנים של הצמנט.

משקל סגולי

משקל סגולי הוא המשקל ליחידת נפח. כדי למדוד משקל סגולי של צמנט, שוקלים דוגמת צמנט ומכניסים אותה לבקבוק לשטליה (ראו תמונה) הממולא עד קן האפס בנפט. באמצעות בקבוק לשטליה מודדים את נפח הדוגמה ומחלקים במשקלה.

כימיה של חומרים צמנטים

מרבית החומרים הצמנטים מורכבים מתרכובות של תחמוצות סידן, צורן ואלומיניום שלהן מבנה אמורפי. לצורך פישוט הכתיבה של הנוסחאות, מקובל ליצג כל תחמוצת באות אחת:
C – תחמוצת סידן CaO
S – תחמוצת צורן SiO₂
A – תחמוצת אלומיניום Al₂O₃
F – תחמוצת ברזל Fe₂O₃
H – תחמוצת המימן (מים) H₂O

הכימיה של החומרים הצמנטים מורכבת ביותר, ולכן מקובל להתייחס למינרליים הראשיים של צמנט פורטלנד (אליט ובליט) כאל מודל מייצג של המערכות הצמנטיות. התהליך הכימי של התקשרות והתקשות של חומר מליטה הידראולי נקרא הידרציה. ההתקשרות היא למעשה תוצאה פיזיקלית של ההידרציה.

תהליך ההידרציה מורכב ממספר שלבים ותהליכים. בחלוקה גסה, התהליכים הם: התמוססות מרכיבי הצמנט במים ושקיעה של ג'ל צמנטי. הג'ל הצמנטי מורכב מאוליגומרים (שרשראות קצרות) של C-S-H (ע"פ הקיצורים המופיעים למעלה) בעלות שרשרת מרכזית של S העטופה ב-C. המים (H) מהווים חלק מהמבנה המרחבי של כל שרשרת כזו. היחס בין המרכיבים אינו קבוע, אבל בג'ל של צמנט פורטלנד, יחס הסיד (C) לסיליקה (S) הממוצע הוא כ-1.7. מכיוון שיחס הסיד לסיליקה באליט ובבליט גדול יותר, בהדרציה שלהם משתחרר סיד עודף (CH).

חומרים שונים יוצרים בהדרציה ג'לים צמנטים בעלי תכונות שונות, ובעלי הרכב כימי שונה. לדוגמה, יחס הסיד לסיליקה בג'ל המתקבל בתגובה פוצלנית של מיקרו-סיליקה הוא 1.1, בעוד יחס זה בג'ל המתקבל מתגובה פוצלנית של זכוכית טחונה הוא 1.75.

לא הרבה ידוע על הכימיה של ההידרציה של צמנטים מעורבים. רבים מהחומרים הפוצלנים המשמשים בצמנטים המעורבים עשויים לעבור הידרציה גם שלא בנוכחות סיד, אם ה-pH גבוה דיו. הג'ל הצמנטי שחומרים אלו יוצרים שונה אף הוא, וכנראה הוא מהווה מפתח לעמידות שלהם בתנאי סביבה קיצוניים.

קצב ההידרציה תלוי בשני גורמים: דקות הטחינה והכימיה. ככל שהצמנט טחון דק יותר, כך קצב ההידרציה מהיר יותר. תופעה זו היא תולדה של שני גורמים: שטח פנים ותווך לדיפוזיה. ההידרציה של הצמנט עם המים מתרחשת על שטח הפנים של גרגרי הצמנט. ככל שהצמנט טחון דק יותר, שטח הפנים שלו גדול יותר, ויותר צמנט עובר הידרציה בו זמנית. מוצרי ההידרציה הראשונים שוקעים על-פני גרגרי הצמנט ומונעים את המשך ההידרציה המהירה. בשלב זה, הדיפוזיה של מרכיבי הצמנט המומסים דרך הקליפה של מוצרי ההידרציה מהווה את הגורם קובע הקצב בהידרציה. לכן, ככל שההידרציה מתקדמת קצב ההידרציה יורד. זהו גם העיקרון המעכב את ההידרציה של הטריקלציום אלומינט. הגבס מתמוסס מיד כאשר הצמנט נוגע במים. הסולפט מהגבס מגיב מיד עם הטריקלציום אלומינט ויוצר אטרינגיט על-פני הטריקלציום אלומינט, ובצורה זו מעכב את ההידרציה של הטריקלציום אלומינט, שללא עיכוב זה היה מביא להתקשרות של העיסה הצמנטית תוך דקות.

לכל מינרל ממרכיבי הצמנט יש קצב הידרציה משלו. ללא עיכוב, הטריקלציום אלומינט עובר הידרציה תוך דקות ספורות. האליט עובר הידרציה תוך שעות. והבליט עובר הידרציה תוך כיומיים. חומרים פוצלנים עוברים הידרציה, בדרך כלל, בקצב איטי יותר. מיקרו-סיליקה עוברת הידרציה תוך יום, בערך, עקב גודלה הקטן. סיגים עוברים הידרציה בקצב יותר איטי מאשר בליט ולכן צמנט סיגים עובר טחינה דקה יותר מאשר צמנט פורטלנד. אפר פחם עובר הידרציה בסדר גודל של שבועות וחודשים.

סיווג צמנט

תקן ישראלי מס' 1 מסווג את סוגי הצמנט לפי תקן אירופאי EN:197-1:2000. התקן מחלק את סוגי הצמנט המסחריים לפי הרכבם, חוזק תקני בגיל 28 יום, ומהירות התקשות. הסיווג לפי הרכב מבחין בחמישה סוגים:
CEM I – צמנט פורטלנד (צ"פ)
CEM II – צמנט פורטלנד מעורב
CEM III – צמנט סיגים
CEM IV – צמנט פוצלני
CEM V – צמנט מעורב

אחוז קלינקר בצמנט מצוין על ידי האותיות A, B, C. כאשר האות A מציינת אחוז גבוה של קלינקר, האות B מציינת אחוז נמוך של קלינקר, והאות C מציינת אחוז נמוך מאוד של קלינקר (בצמנט סיגים בלבד) בתערובת. הגדרת המושגים "אחוז גבוה" ו"אחוז נמוך", תלויה בסוג התוסף בתערובת. לדוגמה, עבור צמנט מעורב עם מיקרו-סיליקה (CEM II/A-D) אחוז גבוה של קלינקר הוא 90–94. בעוד עבור צמנט סיגים, אחוז גבוה (CEM III/A) הוא 35–64, ואחוז נמוך מאוד (CEM III/C) הוא 5–19.
סוג התוסף מצוין על ידי אות המופרדת במקף מהאות המציינת את אחוז הקלינקר. התוספים הנפוצים בארץ הם:
אפר פחם – V (גם W)
אבן גיר טחונה – L, ו-LL
סיגים – S
מיקרו-סיליקה – D

סיווג לפי חוזק תקני נעשה על פי דרישה לחוזק מינימלי לחוזק של תערובת בטון תקנית שנעשית מהבטון, וחוזקה התקני נבדק בגיל 28 יום. סוגי החוזק התקני של הצמנטים הנמכרים בארץ: 42.5 ו-52.5 מגפ"ס.

סיווג לפי מהירות התקשות הוא R עבור צמנט מהיר התקשות (בעל חוזק גבוה בגיל מוקדם), ו-N עבור צמנט רגיל.

סוגי צמנט מיוחדים

מרבית הצמנט בשימוש הוא צמנט פורטלנד וצמנט פורטלנד מעורב. על-מנת לתת מענה לצרכים מיוחדים, פותחו צמנטים לשימושים ספציפיים. צמנטים אלו לרוב יקרים יותר מצמנט פורטלנד, או שיש להם מגבלות שימוש.

צמנט חסין סולפטים

צמנט זה מכיל תכולה נמוכה של טריקלציום אלומינט, שהוא הרכיב הרגיש לסולפטים בצמנט פורטלנד. צמנט זה מיועד לשימוש במקומות חשופים למים עם ריכוז סולפט גבוה. למעשה, בבטון שמיוצר עם יחס מים לצמנט נמוך, צמנט חסין סולפטים לא נותן עמידות טובה יותר מצמנט פורטלנד רגיל או מעורב. מסיבות אלו ואחרות, צמנט חסין סולפטים אינו מיוצר ונמכר בישראל.

צמנט לבן

צמנט זה משמש לייצור של אלמנטים ארכיטקטוניים בצבע לבן, או בצבע אחר על ידי הוספת פיגמנט מתאים.

צמנט לבן הוא למעשה צמנט פורטלנד, שאינו מכיל צליט. הצליט הוא המינרל שמקנה לצמנט את צבעו האפור האופייני. הצליט הוא תרכובת של תחמוצות סידן, אלומיניום וברזל. כדי למנוע את היווצרות הצליט בתהליך ייצור הצמנט יש להשתמש בחומרי גלם בעלי דרגת ניקיון גבוהה. טמפרטורת הבציקה בהיעדר תחמוצות הברזל גבוהה יותר, ולכן יש לקלות את הצמנט בטמפרטורה גבוהה יותר. גם הטחינה של הקלינקר נעשית על ידי מטחנת כדורים הבנויה מחלקים שאינם מכילים ברזל.

צמנט לבן מכיל תכולה גבוהה של טריקלציום אלומינט (על-חשבון הצליט), ולכן הוא רגיש במיוחד להתקפת סולפטים. ניתן להבחין בכך בטיילות אבן משתלבת על שפת הים. לרוב אבן משתלבת לבנה (מצמנט לבן) עוברת בליה רבה יותר מאבנים אדומות ושחורות שנמצאות בסמיכות.

צמנט חוזק מוקדם גבוה

צמנט בעל חוזק מוקדם גבוה משמש כשיש צורך בפרוק מוקדם של הטפסות, מסיבות שקשורות בניהול פרויקט הבנייה. צמנט בעל חוזק מוקדם גבוה מסומן באות R. חוזק מוקדם גבוה, מביא בדרך כלל לחוזק מאוחר נמוך יחסית ממה שהיה מתקבל מצמנט בעל הרכב כימי זהה, אבל בעל חוזק מוקדם רגיל.

צמנט מהיר התקשרות מיוצר לרוב מקלינקר רגיל, כדי להאיץ את קצב ההתקשרות, טוחנים את הקלינקר לגרגרים דקים יותר מהצמנט הרגיל. ניתן ליצור צמנט בעל חוזק מוקדם גבוה גם על ידי הגדלת תכולת האליט על חשבון הבליט בקלינקר. שינוי כימי כזה דורש טמפרטורת קליה גבוהה יותר ומיקר את הצמנט.

צמנט אלומיניום

צמנט אלומיניום הוא למעשה צמנט המורכב בעיקר מתחמוצות חמרן וסידן (36 עד 90 אחוז תחמוצות חמרן). צמנט אלומיניום מיוצר על ידי קליה של באוקסיט עם גיר.

תוצרי ההדרציה של צמנט אלומיניום תלויים בטמפרטורת ההידרציה. בהמשך תוצרי ההידרציה עוברים מעבר פאזה לפאזה יציבה יותר, בתהליך ממושך, שתלוי בטמפרטורת הסביבה. צמנט אלומיניום עובר הידרציה מהירה גם בטמפרטורות נמוכות (עד טמפרטורת הקיפאון של המים). בניגוד לצמנט פורטלנד, זמן תחילת ההתקשרות של צמנט אלומיניום מתארך כאשר הטמפרטורה עולה, עד ל-C°‏25 לערך. כאשר מעלים את הטמפרטורה מעל ל-C°‏40, זמן תחילת היתקשרות חוזר ומתקצר. שינויי הפאזות בצמנט אלומיניום גורמים למספר תופעות. ראשית, צמנט האלומיניום מקבל את חוזק גבוה תוך מספר שעות, גם אם יוצקים אותו בטמפרטורות נמוכות. לאחר מספר ימים, חוזקו יורד, והוא מגיע לחוזק די יציב. כאשר טמפרטורת הסביבה מעל C°‏27, והלחות היחסית גבוהה, צמנט אלומיניום מאבד את חוזקו תוך מספר שנים מועטות (בהתאם לתנאי הסביבה). מסיבות אלו, שימושיו של צמנט אלומיניום מוגבלים.

צמנט אלומיניום משמש בעיקר להכנת מלט לכבשנים, שכן בניגוד לצמנט פורטלנד, הוא עמיד בחום. בכבשנים המגיעים לטמפרטורות גבוהות, צמנט אלומיניום הופך לחומר קרמי, ושומר על חוזקו המבני. שימושים נפוצים אחרים של צמנט אלומיניום הם כצמנט מהיר התקשרות וחוזק מוקדם גבוה לתיקונים דחופים, וכמוסף לצמנט פורטלנד. צמנט אלומיניום משמש כמוסף על מנת לקבל חוזק מוקדם גבוה, או כתוסף מקזז הצטמקות.

צמנטים פוצלנים משופעלים על ידי אלקלים

צמנטים מסוג זה מפותחים על-מנת להוריד את מחירי הצמנט, ולפתור בעיות סביבתיות. בצמנטים אלו מתבצע שפעול של חומר פוצולני עשיר בסידן, כגון סיגים או אפר-פחם בעל תכולת סידן גבוהה, על ידי סודה קאוסטית. צמנטים מסוג זה מתקשרים, בדרך-כלל, תוך זמן קצר מכדי שניתן יהיה לעשות בהם שימוש לייצור בטון מובא, ולכן אינם נמצאים בשימוש מסחרי.

צמנט מגנזיום

קיימים מספר צמנטים מבוססי מגנזיום. הפשוט מביניהם הוא תחמוצת המגנזיום (MgO) הנקראת גם מגנזיה, שבמגע עם מים מגיב ליצירת מימת המגנזיום (Mg(OH)₂).

צמנטים אחרים על-בסיס מגנזיום הם:

• צמנט מגנזיה פוספאט, המשמש בכבשנים להתכת מתכות
• צמנט מגנזיה אמוניום פוספאט, וצמנט מגנזיה טרי-פולי-פוספאט

צמנט לבארות נפט

צמנט לבארות נפט וגז משמש כדי ליצור בוצה (דייס), שניתן לשאוב אותה לעומק רב, ושמתקשה לאחר שהגיעה למקומה. התפקוד של החומר המתקבל הוא אטימת המרווח בין צינור השאיבה לבין שכבות הסלע בהן הוא עובר. בתקינה האמריקאית, יש תקן לצמנטים לבארות נפט, המסווג אותם על פי צורכי השימוש. מרבית הצמנטים לבארות נפט מורכבים בעיקר מקלינקר.

צמנטים לבארות נפט צריכים לתפקד בתנאים שונים מהותית מצמנטים רגילים, בעיקר טמפרטורה ולחץ גבוהים, בעומק הבאר. מצד שני, לצורך קידוחים באזורים הארקטיים, הבוצה המיוצרת מהצמנט צריכה לשמור על תכונות ריאולוגיות מספקות כדי שניתן יהיה לשאוב אותה למקומה. מסיבות אילו ואחרות, התקנים לצמנטים לבארות נפט כוללים מספר רב של דרישות תפקודיות הכוללות בין היתר: הפסד סומך בטמפרטורות גבוהות, תכונות ראולוגיות, התנגדות למעבר נוזלים של העיסה הקשויה, סגרגציה ועוד.

צמנט סיגים

צמנט סיגים מכיל אחוז גבוהה של סיגים ואחוז נמוך של קלינקר. הקלינקר משמש לקבלת חוזק מוקדם, וכמשפעל של הסיגים. מכיוון שהמינרלים בסיגים עוברים הידרציה לאט יותר מהמינרלי הקלינקר, צמנט סיגים טחון דק יותר מצמנט פורטלנד. צמנט סיגים מפתח את חוזקו לאט יותר מצמנט פורטלנד. צמנט סיגים יוצר בטון בעל עמידות גבוהה לסולפטים וחדירות נמוכה לכלוריד. תכונות אלו הופכות אותו לצמנט מועדף בעבודות תשתית לחוף הים.

ראו גם

• נשר מפעלי מלט ישראליים
• מפעל נשר רמלה
• קיר סלארי

לקריאה נוספת

• על צמנט בספר חומרי בנייה בוויקיספר

• Lea's chemistry of cement and concrete
• Proceedings of the 10th international Congress on the chemistry of cement : Gothenburg, Sweden, June
• Portland cement paste and concrete / I. Soroka
• Cement and concrete science & technology / editor, S. N. Ghosh
• Cement chemistry / H. F. W. Taylor

קישורים חיצוניים

• צמנט, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• צמנט: הבסיס של עולם הבנייה באתר דוד קלין
• מלט - Cement, דף שער בספרייה הלאומית