הצגת המקור של הדף "חומרי בניה/חומרי מליטה/צמנט"

==יצור צמנט==

כאשר מדברים היום על צמנט, מתיחסים לצמנט פורטלנד או צמנט אחר המבוסס על צמנט פורטלנד המעורב עם חומרים אחרים כגון '''סיגים''' וחומרים פוצולנים. המרכיב העיקרי של צמנט פורטלנד נקרא '''קלינקר'''. את יצור הצמנט ניתן לחלק לשני שלבים: יצור קלינקר או סיגים, טחינה וערבוב.

===יצור קלינקר===

[[תמונה:Clinker.jpg|שמאל|ממוזער|250px|קלינקר]]
חומרי הגלם ליצור הקלינקר הם [[w:he:אבן גיר|אבן גיר]], [[w:he:חול|חול]] [[w:he:קוורץ|קוורצי]] ו[[w:he:חרסית|חרסית]]. אבן הגיר מהווה מקור ל[[w:he:סידן|סידן]] (C). החול מהווה מקור ל[[w:he:צורן|צורן]] (S). והחרסית מהווה מקור ל[[w:he:חמרן|חמרן]] (A). מאחר והחרסית איננה [[w:he:מינרל|מינרל]] נקי, היא מכילה גם [[w:he:ברזל|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 [[w:he:אליט|אליט]] ו[[w:he:בליט|בליט]], שהם מרכיבי הקלינקר העיקריים. ככול שטמפרטורת הכבשן עולה, כך נוצר יותר אליט. הבצק הצמיג של הפזות הנוזליות והמוצקות בקלינקר מתכדרר בתנועה הסיבובית של הכבשן.

עלויות האנרגיה לקליה הן העלויות העיקריות ביצור צמנט פורטלנד. כמו-כן, יצור קלינקר הוא אחד המקורות הגדולים לפליטת פחמן דו-חמצני לאטמוספירה, ומוערך בכ- 8% מסך הפליטות. יצור צמנט פורטלנד במתקן מודרני פולט כטון פד"ח לכל טון צמנט פורטלנד מיוצר.

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===

הסיגים הם תוצר לוואי של תעשיית ה[[w:he:פלדה|פלדה]]. 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-פני הפלדה, וניתן להפרידו בקלות. תרכובת הסיד עם ה"מזהמים" בעלת הרכב אטומים דומה לזה של הקלינקר, אך הרכב מינרולוגי שונה. תערובת זו היא למעשה ה'''סיגים'''. כדי שלתערובת יהיו תכונות של חומר מליטה, יש לקרר אותה במהירות, כדי למנו צמיחה של גבישים גדולים. 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 קטן. 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 (כלומר גודל גרגר גדול יותר ושטח פנים סגולי קטן יותר). זאת מכיוון שקצב ההידרציה 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. במילה '''תוספים''' או '''ערבים''' אנו משתמשים לתאר חומרים מינרלים במוספים לבטון או לצמנט, כאשר המילה '''ערבים''' משמשת באופן בלעדי לציון התוספים שמעורבים בצמנט בתהליך היצור.

קיימות שתי טכנולוגיות לטחינת צמנט. הטכנולוגיה הוותיקה והמצויה יותר היא [https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_mill 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.

תוצרי הטחינה עוברים מיון על-ידי שיקוע במערכת ציקלונים ומעבר חוזר במערכת הטחינה. עלויות האנרגיה לטחינה עולות עם דקות הטחינה, ומהוות רכיב לא זניח בעליות היצור. [https://en.wikipedia.org/wiki/Cement_mill לקריאה נוספת בנושא טחינה]

==כימיה של חומרים צמנטים==

מרבית החומרים הצמנטים מורכבים מתרכובות של תחמוצות [[w:he:סידן|סידן]], [[w:he:צורן|צורן]] ו[[w:he:אלומיניום|אלומיניום]] שלהן מבנה אמורפי. לצורך פישוט הכתיבה של הנוסחאות, מקובל ליצג כל תחמוצת באות אחת:<br />
C - תחמוצת סידן CaO<br />
S - [[w:he:צורן דו-חמצני|תחמוצת צורן]] SiO<sub>2</sub><br />
A - תחמוצת אלומיניום Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub><br />
F - תחמוצת ברזל Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub><br />
H - תחמוצת המימן (מים) H<sub>2</sub>O<br />
<math>\bar{S}</math> - תחמוצת הגופרית SO<sub>3</sub>

הכימיה של החומרים הצמנטים מורכבת ביותר, ולכן מקובל להתייחס למינרליים הראשיים של צמנט פורטלנד ([https://he.wikipedia.org/wiki/%D7%90%D7%9C%D7%99%D7%98 אליט] [https://en.wikipedia.org/wiki/Belite 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 ה'''צמנט''' במים ושקיעה של '''ג'ל צמנטי'''. הג'ל הצמנטי מורכב [https://he.wikipedia.org/wiki/%D7%90%D7%95%D7%9C%D7%99%D7%92%D7%95%D7%9E%D7%A8 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) ל[[w:he:צורן דו-חמצני|סיליקה]] (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 [[w:he:מיקרו-סיליקה|מיקרו-סיליקה]] הוא 1.1, בעוד יחס זה בג'ל המתקבל מתגובה פוצלנית של [[w:he:זכוכית|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- [[w:he:pH|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 שה'''צמנט''' טחון דק יותר, כך קצב ההידרציה מהיר יותר. תופעה זו היא תולדה של שני גורמים: שטח פנים ותווך לדיפוזיה. ההידרציה של ה'''צמנט''' עם המים מתרחשת על שטח הפנים של גרגרי ה'''צמנט'''. ככול שה'''צמנט''' טחון דק יותר, שטח הפנים שלו גדול יותר, ויותר '''צמנט''' עובר הידרציה בו זמנית. מוצרי ההידרציה הראשונים שוקעים על-פני גרגרי ה'''צמנט''' ומונעים את המשך ההידרציה המהירה. בשלב זה, הדיפוזיה של מרכיבי ה'''צמנט''' 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 ה[[w:he:טריקלציום אלומינט|טריקלציום אלומינט]]. הגבס מתמוסס מיד כאשר ה'''צמנט''' נוגע במים. הסולפט מהגבס מגיב מיד עם הטריקלציום אלומינט ויוצר [[w:he:אטרנגיט|אטרנגיט]] על-פני הטריקלציום אלומינט, ובצורה זו מעכב את ההידרציה של הטריקלציום אלומינט, שללא עיכוב זה היה מביא להתקשרות של העיסה הצמנטית תוך דקות. התקשרות של הטריקלציום אלומינט בצמנט בהעדר כמות מספקת של גבס נקראת '''התקשרות בזק''' (באנגלית flash setting).

תופעה אחרת של התקשרות מהירה היא '''התקשרות כוזבת''' (באנגלית false setting) כאשר הגבס המוסף לצמנט הופך עקב החום בתהליך הטחינה לגבס המי-הידרט. הגבס המי-הידרט מגיב עם המים ויוצר גבישים ארוכים של גבס די-הידרט, הגורמים להתקשרות. עם-זאת, ההתקשרות של הגבס היא חלשה, בניגוד להתקשרות של הצמנט, ובבטון יש מספיק מים להמיס את כל הגבס. לכן ערבול חזק של בטון שהתקשר התקשרות כוזבת, תהפוך אותו לפלסטי ותאפשר את המשך העבודה.

לכול [[w:he:מינרל|מינרל]] ממרכיבי ה'''צמנט''' 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==
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, וקלציום אלומינו-פריט<ref>מינרל זה נקרא בספרו של סורוקה צליט. עם-זאת לא נמצא שום התיחסות למינרל בשם זה בספרות המקצועית. ניתן לקרוא לו בקיצור פריט מה שמזכיר את צבעו האפור</ref>. האליט אחראי לקבלת החוזק בגיל מוקדם, הבליט למירב החוזק בגיל מאוחר, הקלציום אלומינו-פריט נותן לצמנט את צבעו האפור האופייני, והטריקלציום אלומינט הוא המרכיב בעל חום ההידרציה הגבוה ביותר. 
{|border=1 align="center"
|+ '''המרכיבים הראשיים של צמנט פורטלנד'''<ref name="leas">Leas chemistry of cement and concrete, 4th edition, Peter C. Hewlett Editor (1998)</ref>
|-
! שם בעברית !! שם לטיני !! נוסחה כימית !! חום הידרציה<br /> (Jul/gr) !! זמן הידרציה אופייני<br /> (לקצב הידרציה מקסימלי)!! חשיבות טכנולוגית
|-
| אליט || Alite || C<sub>3</sub>S || 520 || מהיר, מספר שעות עד יומיים || אחראי לחוזק בגיל מוקדם
|-
| בליט || Belite || C<sub>2</sub>S || 260 || איטי, שבוע עד שבועיים || אחראי להתפתחות החוזק מעבר לשבוע הראשון
|-
| טריקלציום אלומינט ||<ref>תלוי בתוצר ההידרציה. עבור טרי-קלציום אלומינט הקסה הידראט - 910 ג'ול לק"ג</ref> Tricalcium Aluminate || C<sub>3</sub>A ||910-1670 || מהיר, יום || רגיש להתקפת סולפטים
|-
| קלציום אלומינו-פריט || Calcium Aluminoferrite ||  C<sub>4</sub>AF|| 420 || מהיר, יום || מוריד את טמפרטורת הבציקה ביצור הצמנט
|}

==סיווג צמנט==

תקן ישראלי מס' 1 מסווג את סוגי ה'''צמנט''' 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:<br />
CEM I - צמנט פורטלנד (צ"פ)<br />
CEM II - צמנט פורטלנד מעורב<br />
CEM III - צמנט סיגים<br />
CEM IV - צמנט פוצלני<br />
CEM V - צמנט מעורב

אחוז קלינקר ב'''צמנט''' 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 (ב'''צמנט''' 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.<br />
סוג התוסף מצוין על ידי אות המופרדת במקף מהאות המציינת את אחוז הקלינקר. התוספים הנפוצים בארץ הם:<br />
[[w:he:אפר פחם|אפר פחם]] - V (גם W)<br />
אבן [[w:he:גיר|גיר]] טחונה - L, ו- LL<br />
סיגים - S<br />
[[w:he:מיקרו-סיליקה|מיקרו-סיליקה]] - D<br />
הרכב הצמנטים על-פי התקן מופיע בטבלה למטה.

סיווג לפי חוזק תקני נעשה ע"פ דרישה לחוזק מינימלי לחוזק של תערובת [[w:he:מלט|מלט]] תקנית שנעשית מהצמנט, וחוזקה התקני נבדק בגיל 28 יום. סוגי החוזק התקני של הצמנטים הנמכרים בארץ: 42.5 ו- 52.5 מגפ"ס. בתקן קיים גם צמנט בעל חוזק תקני של 32.5 מגפ"ס, אך צמנט זה אינו משווק בארץ, ות"י 466 אוסר להכין ממנו אלמנטים קונסטרוקטיבים.

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

{| border="1"
|+ '''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
|-
| rowspan="19" | CEM II || CEM II/A-S || rowspan="2" | צמנט פורטלנד סיגים || 80-94 || 6-20 || rowspan="2" | 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 || rowspan="4" | צמנט פורטלנד פוצולני || 80-94 || 6-20 || rowspan="2" | פוצולנה טבעית
|-
| CEM II/B-P || 65-79 || 21-35
|-
| CEM II/A-Q || 80-94 || 6-20 || rowspan="2" | פוצולנה טבעית קלויה
|-
| CEM II/B-Q || 65-79 || 21-35
|-
| CEM II/A-V || rowspan="4" | צמנט פורטלנד אפר פחם מרחף || 80-94 || 6-20 || rowspan="2" | אפר פחם מרחף עני בסידן
|-
| CEM II/B-V || 65-79 || 21-35
|-
| CEM II/A-W || 80-94 || 6-20 || rowspan="2" | אפר פחם מרחף עשיר בסידן
|-
| CEM II/B-W || 65-79 || 21-35
|-
| CEM II/A-T || rowspan="2" | צמנט פורטלנד פצלים קלויים || 80-94 || 6-20 || rowspan="2" | פצלים קלויים
|-
| CEM II/B-T || 65-79 || 21-35
|-
| CEM II/A-L || rowspan="4" | צמנט פורטלנד אבן גיר || 80-94 || 6-20 || rowspan="4" | 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 || rowspan="2" | צמנט פורטלנד רב מרכיבי || 80-94 || 6-20 || rowspan="2" | כל שילוב של התוספים למעלה
|-
| CEM II/B-M || 65-79 ||21-35
|-
| rowspan="3" | CEM III || CEM III/A || rowspan="3" | צמנט סיגים || 35-64 || 36-65 || rowspan="3" | סיגים
|-
| CEM III/B || 20-34 || 66-80
|-
| CEM III/C || 5-19 ||81-95
|-
|rowspan="2" | CEM IV || CEM IV/A || rowspan="2" | צמנט פוצולני || 65-89 || 11-35 || rowspan="2" | מיקרו-סיליקה, פוצולנה ו/או אפר פחם מרחף
|-
| CEM IV/B || 45-64 || 36-55
|-
| rowspan="4" | CEM V || rowspan="2" | CEM V/A || rowspan="4" | צמנט מעורב || rowspan="2" | 40-64 || 18-30 || סיגים
|-
| 18-30 || פוצולנה ו/או אפר פחם מרחף עני בסידן
|-
| rowspan="2" | CEM V/B || rowspan="2" | 20-38 || 31-50 || סיגים
|-
| 31-50 || פוצולנה ו/או אפר פחם מרחף עני בסידן
|}

==הידרציה, התקשרות והתקשות==
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===
קצב ההידרציה מושפע משבעה גורמים:
# ההרכב המינרולוגי של הצמנט
# דקות הטחינה
# יחס מים לצמנט
# טמפרטורת האשפרה
# מוספים
# על פי הנחת שי וליוט.

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====
את ההידרציה של האליט בשעות הראשונות אפשר לחלק לשלושה שלבים:
# השלב ה'''טרום-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.
# השלב ה'''מושרה''' (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.
# שלב ה'''האצה''' - 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.

הסטויכומטריה של הידרציית האליט היא בקירוב <math>C_3S + H \rightarrow C_{1.6}SH + 1.3CH</math> כלומר מכל מולקולת אליט נוצרות בנוסף לג'ל הצמנטי מולקולה ושליש של סיד כבוי. מכיוון שהסיד הכבוי יחסית מסיס במים, הנפח של הסיד הכבוי עשוי במהלך הזמן להצטרף לנפח הנקבים בעיסה הצמנטית, ולהפוך אותה לחדירה יותר.

====הידרציה של הבליט====
מנגנון ההידרציה של הבליט דומה לזה של האליט, רק שהקצבים בו נמוכים יותר. עיקר הבליט עובר הידרציה רק כשבועיים לאחר ערבוב הצמנט עם המים.
הסטויכומטריה של הידרציית הבליט היא בקירוב  <math>C_2S + H \rightarrow C_{1.6}SH + 0.3CH</math> כלומר על כל מולקולת בליט שעוברת הידרציה, בנוסף לג'ל הצמנטי נוצרת שליש מולקולת סיד כבוי. כמות זו היא רבע מכמות הסיד הכבוי שנוצר בהידרציית האליט. לכן הג'ל הצמנטי שנוצר אטום יותר מזה שנוצר על-ידי הידרציה של אליט.

====הידרציה של טרי-קלציום אלומינט====
הטרי-קלציום אלומינט (<math>C_3A</math>) עובר הידרציה מהירה המכילה מספר מוצרי ביניים ונגמרת בטרי-קלציום אלומינט הקסה הידראט (<math>C_3AH_6</math>). 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 (<math>C_6A\bar{S}_3H_{32}</math>), כאשר הגבס המומס אוזל מהתמיסה, האטרנגיט הופך למונו-סולפט (<math>C_4A\bar{S}H_{12}</math>), 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.

===כיצד מודדים את ההידרציה===
ניתן לעקוב אחר ההידרציה במספר שיטות שונות:
* מעקב אחר העלמות המינרלים המרכיבים את הצמנט, על-ידי שימוש בדיפרקציה של קרני X (XRD). לא ניתן לעקוב אחרי יצירת הג'ל הצמנטי בשיטה זו, שכן היא מתאימה אך ורק למדידה של חומר גבישי.
* מעקב אחר ריכוז של מומסים בתמיסת הנקבים.
* מעקב אחר החום הנפלט כתוצאה מהתגובה הכימית של ההידרציה.
* מעקב אחר שינוי התכונות הפלסטיות של העיסה הצמנטית, ולאחר מכן אחר פיתוח החוזק של העיסה הצמנטית הקשויה.

===השפעת הטמפרטורה===
בדומה לתהליכים כימיים רבים, קצב ההידרציה עולה ככול שהטמפרטורה עולה. ההידרציה של צמנט פורטלנד רגיל נעצרת בטמפרטורה נמוכה מ <math>5^oC</math>. בקירוב ניתן להניח שזמן ההידרציה האפקטיבי הוא <math>Effective hydration time = t\times\Delta T</math> באשר <math>\Delta T</math> הוא הפרש הטמפרטורה בין טמפרטורת ההידרציה לטמפרטורה בה ההידרציה נעצרת. נוסחה זו מספיק טובה עבור צמנט פורטלנד בטמפרטורות שבין 5 ל- 50 מעלות צלזיוס. בטמפרטורה גבוהה יותר, הג'ל הצמנטי שנוצר שונה מזה שבטמפרטורות רגילות. בטמפרטורה גבוהה מ- <math>70^oC</math> לא נוצר אטרנגיט. כאשר מדובר בסוגי צמנט אחרים התמונה שונה. לדוגמה, צמנט סיגים כלל אינו מתקשר בטמפרטורות נמוכות מ- <math>20^oC</math>.

===שינויי נפח במהלך ההידרציה===
העיסה הצמנטית מורכבת משלוש מרכיבים: צמנט, ג'ל צמנט, ומים. ככול שהזמן עובר, יותר צמנט ומים מגיבים ליצירת ג'ל צמנטי. הג'ל הצמנטי הוא למעשה החומר המדביק שבסופו של דבר יוצר את החוזק של הבטון. היחס הסטויכומטרי המשקלי בין מים לצמנט הוא כ- 0.38. מכיוון שלרוב אין צורך להגיע לחוזק בטון גבוה במיוחד, ומכיוון שיש צורך במים על מנת ליצור בטון שניתן לצקת אותו, לרוב תכולת המים בבטון גדולה מזו הדרושה לתגובה כימית עם הצמנט. עודפי המים משאירים אחריהם חללים הנקראים חללים נימיים (קפילרים). הנקבים הנימיים הם נקבים בגודל של מיקרונים עד מאות מיקרונים. חללים אלו הם הגורם לחדירות הבטון לגורמים מזיקים ומחלישים את הבטון. נפח הג'ל הצמנטי שנוצר בתגובה בין הצמנט למים הוא בנפח גדול בערך פי 2.2 מנפח הצמנט שיצר אותו. ניתן להשתמש בנתונים אלו על-מנת לחשב את אחוז הנקבים הקפילרים עבור יחס מים לצמנט נתון ודרגת הידרציה נתונה.
[[קובץ:שינויי נפח בהידרציה.png|ממוזער|טקסט=שינויי נפח יחסיים במרכיבי עיסה צמנטית בעלת יחס מים לצמנט של 0.5 כנגד התקדמות ההידרציה. הגרף מציג 3 קוים ליניארים שהסכום של כולם בנקודה נתונה הוא 100%. קו אחד עולה מיצג את נפח הג'ל הצמנטי. שני קוים יורדים מיצגים את נפח הנקבים ונפח הצמנט שלא עבר הידרציה|שינויי נפח יחסיים במרכיבי עיסה צמנטית בעלת יחס מים לצמנט של 0.5 כנגד התקדמות ההידרציה]]
נפח העיסה הצמנטית הקשויה דומה לזה של העיסה הצמנטית הטריה. עם-זאת, יש שינויים קטנים בנפח שגורמים למאמצים וסדיקה. הנפח של עיסה צמנטית הקשויה של צמנט פורטלנד נמוך מעט מזה של העיסה הטריה. לכן בטון רגיל מצטמק במהלך ההתקשות. ניתן למנוע הצטמקות זו על-ידי שימוש בתוספים מקזזי הצטמקות. מקזזי הצטמקות נפוצים הם: 
* תערובת טרי-קלציום אלומינט עם גבס, שיחד יוצרים אטרנגיט.
* סיד שרוף עד מוות, שנטחן לדקות כזו שההידרציה והגדלת הנפח ביצירת סיד כבוי תתאם להצטמקות העיסה הקשויה.
* תחמוצת המגנזיום, שנטחנה לדקות כזו שההידרציה והגדלת הנפח ביצירת מימת המגנזיום תתאם להצטמקות העיסה הקשויה.

==מקורות והערות שוליים==
<div class="limitedRef" style="clear: both; direction: ltr;"><references /></div>

[[קטגוריה:חומרי בניה]]