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.
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.
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.
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