חומרי בניה/חומרי מליטה/צמנט

מתוך ויקיספר, אוסף הספרים והמדריכים החופשי
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש

יצור צמנט[עריכה]

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

יצור קלינקר[עריכה]

קלינקר

חומרי הגלם ליצור הקלינקר הם אבן גיר, חול קוורצי וחרסית. אבן הגיר מהווה מקור לסידן (C). החול מהווה מקור לצורן (S). והחרסית מהווה מקור לחמרן (A). מאחר והחרסית איננה מינרל נקי, היא מכילה גם ברזל (F).

את חומרי הגלם טוחנים, ולאחר מכן קולים. במתקנים חדשים, הקליה מורכבת ממספר שלבים, המאפשרים מעבר חום בין תוצרי הקליה וגזי הפליטה, לבין חומרי הגלם. בצורה זו מפיקים יעילות גבוהה יותר בתהליך. 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 1400 ל- 1640 מע"צ. 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- 600 מע"צ, אבל מתרחש בצורה יעילה בין 800 ל- 1200 מע"צ. בשלב זה, חומרי הגלם עדיין במצב מוצק. כאשר הטמפרטורה בסביבות 1400 מע"צ, 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. ככול 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.

יצור סיגים[עריכה]

הסיגים הם תוצר לוואי של תעשיית הפלדה. בתהליך יצור הפלדה, משתמשים בסיד על-מנת לספוג "מזהמים" מתוך הפלדה המותכת. 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 מינרולוגי 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[עריכה]

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. ככול 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 יצור הבטון עצמו. תוספים נפוצים הם אבן גיר ואפר פחם. גם לסיגים מתייחסים לעתים 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 היצור 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.

כימיה של חומרים צמנטים[עריכה]

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
- תחמוצת הגופרית SO3

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. ככול 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. ככול 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, ככול 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 אטרנגיט על-פני הטריקלציום אלומינט, ובצורה זו מעכב את ההידרציה של הטריקלציום אלומינט, שללא עיכוב זה היה מביא להתקשרות של העיסה הצמנטית תוך דקות.

לכול 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.

צמנט פורטלנד[עריכה]

צמנט פורטלנד הוא הצמנט הנפוץ ביותר היום, ומהווה את הבסיס למרבית הצמנטים המעורבים. לכן נדון בהרחבה בכימיה של צמנט פורטלנד.

הרכיבים הראשיים של צמנט פורטלנד הם אליט, בליט, טריקלציום אלומינט וצליט. האליט אחראי לקבלת החוזק בגיל מוקדם, הבליט למירב החוזק בגיל מאוחר, הצליט נותן לצמנט את צבעו האפור האופייני, והטריקלציום אלומינט הוא המרכיב בעל חום ההידרציה הגבוה ביותר.

המרכיבים הראשיים של צמנט פורטלנד[1]
שם בעברית שם לטיני נוסחה כימית חום הידרציה
(Jul/gr)
זמן הידרציה אופייני
(לקצב הידרציה מקסימלי)
חשיבות טכנולוגית
אליט Alite C3S 520 מהיר, מספר שעות עד יומיים אחראי לחוזק בגיל מוקדם
בליט Belite C2S 260 איטי, שבוע עד שבועיים אחראי להתפתחות החוזק מעבר לשבוע הראשון
טריקלציום אלומינט [2] Tricalcium Aluminate C3A 910-1670 מהיר, יום רגיש להתקפת סולפטים
פריט Calcium Aluminoferrite C4AF 420 מהיר, יום מוריד את טמפרטורת הבציקה ביצור הצמנט

סיווג צמנט[עריכה]

תקן ישראלי מס' 1 מסווג את סוגי הצמנט לפי תקן ארופאי EN:197-1:2000. התקן מחלק את סוגי הצמנט המסחריים לפי הרכבם, חוזק תקני בגיל 28 יום, ומהירות היתקשות. 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. מהוא אחוז גבוה ומהוא נמוך, תלוי בסוג התוסף בתערובת. לדוגמה, עבור צמנט מעורב עם מיקרו-סיליקה (CEM II/A-D) אחוז גבוה של קלינקר הןא 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
הרכב הצמנטים על-פי התקן מופיע בטבלה למטה.

סיווג לפי חוזק תקני נעשה ע"פ 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 היתקשות הוא R עבור צמנט מהיר התקשות (בעל חוזק גבוה בגיל מוקדם), ו- N עבור צמנט רגיל.

סיווג צמנטים לפי הרכב על-פי תקן EN 197-1:2000
סיווג עיקרי סימון הצמנט שם תכולת קלינקר (%) תכולת תוסף (%) סוג תוסף
CEM I CEM I צמנט פורטלנד רגיל 95-100 0-5 ללא הגבלה
CEM II CEM II/A-S צמנט פורטלנד סיגים 80-94 6-20 סיגים
CEM II/B-S 65-79 21-35
CEM II/A-D צמנט פורטלנד מיקרו-סיליקה 90-94 6-10 מיקרו-סיליקה
CEM II/A-P צמנט פורטלנד פוצולני 80-94 6-20 פוצולנה טבעית
CEM II/B-P 65-79 21-35
CEM II/A-Q 80-94 6-20 פוצולנה טבעית קלויה
CEM II/B-Q 65-79 21-35
CEM II/A-V צמנט פורטלנד אפר פחם מרחף 80-94 6-20 אפר פחם מרחף עני בסידן
CEM II/B-V 65-79 21-35
CEM II/A-W 80-94 6-20 אפר פחם מרחף עשיר בסידן
CEM II/B-W 65-79 21-35
CEM II/A-T צמנט פורטלנד פצלים קלויים 80-94 6-20 פצלים קלויים
CEM II/B-T 65-79 21-35
CEM II/A-L צמנט פורטלנד אבן גיר 80-94 6-20 אבן גיר טחונה
CEM II/B-L 65-79 21-35
CEM II/A-LL 80-94 6-20
CEM II/B-LL 65-79 21-35
CEM II/A-M צמנט פורטלנד רב מרכיבי 80-94 6-20 כל שילוב של התוספים למעלה
CEM II/B-M 65-79 21-35
CEM III CEM III/A צמנט סיגים 35-64 36-65 סיגים
CEM III/B 20-34 66-80
CEM III/C 5-19 81-95
CEM IV CEM IV/A צמנט פוצולני 65-89 11-35 מיקרו-סיליקה, פוצולנה ו/או אפר פחם מרחף
CEM IV/B 45-64 36-55
CEM V CEM V/A צמנט מעורב 40-64 18-30 סיגים
18-30 פוצולנה ו/או אפר פחם מרחף עני בסידן
CEM V/B 20-38 31-50 סיגים
31-50 פוצולנה ו/או אפר פחם מרחף עני בסידן

הידרציה, התקשרות והתקשות[עריכה]

תהליך ההידרציה הוא התהליך בו מולקולות של מים מגיבות עם מרכיבי הצמנט ליצירת חומר המכיל מי-מבנה. מי-מבנה הן מולקולות מים המהוות חלק מהמבנה של החומר, וקשורות אליו בקשרי מימן. חלק מתוצרי ההידרציה הם גבישים, בהם המים מהוים חלק ממבנה הגבישים, אבל רוב תוצרי ההידרציה הם שרשראות קצרות של צורן שקשור לתחמוצת הסידן. מולקולות המים משתתפות במבנה ה"כמעט גבישי" ויוצרות קשר בין תחמוצות הסידן. מבנה זה נקרא ג'ל צמנטי ומסומן ע"י האותיות C-S-H (קיצור של קלציום סיליקט הידראט, וגם ההרכב הכימי של הג'ל בצורה לא סטיוכומטרית).

קצב ההידרציה[עריכה]

קצב ההידרציה מושפע מששה גורמים:

  1. ההרכב המינרולוגי של הצמנט
  2. דקות הטחינה
  3. יחס מים לצמנט
  4. טמפרטורת האשפרה
  5. מוספים
  6. ערבים

האליט והטרי-קלציום אלומינט הם המינרלים שעוברים הדרציה בקצב המהיר ביותר. תרומתו של הטרי-קלציום אלומינט לחוזק העיסה הצמנטית נמוכה. לכן בשעות הראשונות, ניתן להתייחס לקצב ההידרציה של הצמנט כאל קצב ההידרציה של האליט.

הידרציה של האליט[עריכה]

את ההידרציה של האליט בשעות הראשונות אפשר לחלק לשלושה שלבים:

  1. השלב הטרום-מושרה - תקופה של כחמש דקות מרגע ההרטבה של הצמנט, בה נרשם קצב הידרציה מהיר ופליטה של חום רב. שכבה ראשונית של של ג'ל צמנטי נוצרת מסביב לגרגירי הצמנט.
  2. השלב המושרה (נקרא גם התקופה הרדומה) - בשלב זה קצב ההידרציה יורד באופן משמעותי (כאלפית מקצב ההידרציה בשלב הטרום מושרה). שלב זה נמשך מספר שעות. ישנן מספר השערות בנוגע למנגנון שגורם להופעת השלב המושרה. כנראה שמצד אחד, ריכוז גבוה של סיד כבוי שנוצר מהתמוססות האליט בשלב הטרום-מושרה מעט את קצב ההתמוססות של האליט. כמו-כן, הג'ל הצמנטי הראשוני שנוצר מהווה מחסום המונע את המשך ההתמוססות של האליט. השערה אחרת היא כי חסרים גרעיני גיבוש בתמיסה כדי לאפשר קצב הידרציה גבוה.
  3. שלב ההאצה - מספר שעות לאחר תחילת ההידרציה, קצב ההידרציה מתחיל לעלות באופן משמעותי, תהליך אשר שיאו כחמש עד עשר שעות לאחר תחילת ההידרציה. לאחר מיכן קצב ההידרציה נותר גבוה, אך דועך אקספוננציאלית. ההשערות בדבר הגורם למעבר לשלב ההאצה הן: גידול במספר גרעיני הגיבוש, התפרקות של קליפת הג'ל הצמנטי הראשוני כתוצאה של הפרשי לחצים אוסמוטים, ושינוי בג'ל הצמנטי הראשוני לקליפה חדירה יותר למעבר מים ויונים.

לאחר שלב ההאצה, קצב ההידרציה של האליט יורד. ניתן להראות שירידה זו קשורה לתלות בקצב הדיפוזיה של היונים דרך הג'ל הצמנטי שנוצר. ההידרציה של האליט יכולה להימשך עוד חודשים לאחר שהחלה.

מנגנון ההידרציה של הבליט דומה, רק שהקצבים בו נמוכים יותר.

הידרציה של טרי-קלציום אלומינט[עריכה]

הטרי-קלציום אלומינט () עובר הידרציה מהירה המכילה מספר מוצרי ביניים ונגמרת בטרי-קלציום אלומינט הקסה הידראט (). הגבישים של הטרי-קלציום אלומינט הקסה הידרט אינם מכסים את פני השטח של גביש הטרי-קלציום אלומינט, ולכן ההידרציה ממשיכה בקצב מהיר. ההידרציה של טרי-קלציום אלומינט בצמנט עשויה להביא להתקשרות של הצמנט תוך 20 דקות.

כדי להוריד את קצב ההתקשרות של הטרי-קלציום אלומינט, מוסיפים גבס לצמנט. בנוכחות גבס, הטרי-קלציום אלומינט הופך לאטרנגיט (), כאשר הגבס המומס אוזל מהתמיסה, האטרנגיט הופך למונו-סולפט (), וקצב ההידרציה של הטרי-קלציום אלומינט עולה. ההשערה המקובלת היא כי האטרנגיט יוצר שכבה, יחסית אטימה, על-פני השטח של הטרי-קלציום אלומינט. השכבה הזו מורידה את קצב ההתמוססות של הטרי-קלציום אלומינט. כאשר האטרנגיט הופך למונו-סולפט, השכבה נהיית חדירה, וקצב ההדרציה עולה. תוך כשלושה חודשים, הטרי-קלציום אלומינט עובר הידרציה במלואו.

שינויי נפח[עריכה]

מקורות[עריכה]

  1. ^ Leas chemistry of cement and concrete, 4th edition, Peter C. Hewlett Editor (1998)
  2. ^ תלוי בתוצר ההידרציה. עבור טרי-קלציום אלומינט הקסה הידראט - 910 ג'ול לק"ג