חומרי בניה/חומרי מליטה/הסטוריה

מהתקופה הפרה-היסטורית עד סוף התקופה הרומית

מבני האבן הראשונים, מתקופות פרה-היסטוריות ומהתקופה הציקלופית ביוון העתיקה, נבנו בצורה כזו, שמשקל האבנים עצמן מחזיק אותן במקום. מבנים מסוג זה הם בעלי יציבות מוגבלת, ודורשים סיתות מדויק של האבנים. מבנים מלבני טיט (בוץ) נבנו אף הם כבר בתקופות קדומות ואף מוזכרים בתורה. במבנים אלה, הטיט שימש אף כחומר מליטה בין הלבנים. החיסרון של שיטת בניה זו הוא שהטיט הוא למעשה חומר מליטה אוירי, ולכן מבנים מסוג זה שרדו רק באקלים מדברי. במסופוטמיה, לבני חרס, שהם למעשה לבני טיט שרופות, הודבקו זו לזו על ידי חומר ביטומני. אבל סוג בניה זה היה מוגבל לאזורים בהם ניתן היה למצוא ביטומן.

המונומנטים המצריים הם המבנים הגדולים הראשונים בהם נעשה שימוש במלט להדבקה של אבנים. המצרים השתמשו בגבס להכנת המלט. ייתכן שהגבס שימש אף כחומר סיכה בשינוע האבנים. הגבס אינו עמיד במים, אך מכיוון שהגשמים נדירים במצרים, המבנים השתמרו.

תערובות של סיד וחומרים פוצולנים שימשו כחומר מליטה בצפון מזרח אגן הים התיכון, ובבלקן. מבני הבטון המוקדמים ביותר הידועים לנו הם מהתקופה הנאוליטית. בין האתרים מהתקופה הנאוליטית בהם נמצא שימוש בבטון המבוסס על תערובת של סיד וחומר פוצולני גם אתר יפתחאל שבארץ. הרומאים יצרו מלט על-ידי ערבוב הסיד באפר וולקני. האפר הוולקני המועדף היה מפוצולי שבאיטליה. לכן, חומרים שמתקשרים בנוכחות סיד ומים נקראים עד היום "חומרים פוצולנים" (pozzolana באנגלית). כאשר לא היה אפר וולקני זמין, השתמשו הרומאים בתערובת סיד עם חרס טחון או אפר עץ, חומרים שאף הם בעלי תכונות פוצולניות. של כך, צמנט אשר הרכבו הוא תערובת של סיד וחומר פוצולני נקרא ב צמנט רומי. הצמנט הרומי מתקשר במים, עמיד במים ומתקשר יותר מהר מהסיד. לפיכך, עד מהרה החליף הצמנט הרומי את הסיד והגבס ביצור מלט ברחבי האמפריה הרומית. מכיוון שהצמנט הרומי זקוק למים על-מנת להתקשר, מרבית המבנים ההיסטוריים ששרדו מהתקופה הרומית, נבנו באזורים ותקופות בהם הלחות באוויר הספיקה על-מנת לאפשר את התקשרות והתקשות המלט. למרות שנמצאו בישראל שרידים ארכיאולוגים של בטון מתקופות קדומות בהרבה מן התקופה הרומית, הרומאים היו הראשונים שעשו שימוש בבטון בקנה מידה גדול. כיפת הפנתאון היא דוגמה לשימוש כזה.

למרות שהרומאים תיעדו בכתב את מפרט הכנת המלטים והבטון, עם נפילת האימפריה הרומית, חלה הידרדרות באיכות הצמנט והמלט. במבנים מהמאה התשיעית עד המאה ה-11 לספירה, איכות המלט הגיעה לרמה נמוכה: הסיד ששימש להכנת מלט לא נקלה כראוי, והשימוש בחומרים פוצולנים הפסיק לחלוטין בחלקים של אירופה. החל מהמאה ה-12 חל שיפור מתמיד באיכות המלט, וחזר השימוש בחומרים פוצולנים טבעיים. יחד עם זאת, גם ספרים מתקופה זו בתחום זה מצטטים את הספרות הרומית ואינם מחדשים. למעשה עד למאה ה-18, לא הייתה שום התקדמות בידע ובטכנולוגיה של חומרי המליטה מאז התקופה הרומית.

מהתקופה הטרום ויקטורינית עד לתקופה המודרנית

בשנת 1756, הוטל על ג'ון סמיטון (John Smeaton) להקים מגדלור חדש ב- Eddyston Rock, לאחר שהמגדלור הקודם עלה באש. ג'ון החל את הפרויקט במחקר למציאת חומר בניה שיתאים לתנאים הקשים אליהם נחשף מגדלור. הוא גילה שחומר המליטה המומלץ לעבודות מסוג זה הוא תערובת של שני חלקים סיד, חלק אחד של קרקע בעלת תכונות פוצולניות, וכמות מינימלית של מים, אבל התוצאה אינה תמיד משביעת רצון. ג'ון החליט לבצע ניסויים למציאת חומר המליטה המתאים ביותר על ידי הטבלת כדור מלט, מיד לאחר שעבר התקשרות, במים, ובחינה של העמידות שלו. הוא גילה שסיד מאבן גיר שמכילה כמות גדולה של חרסית נותנת את התוצאה הטובה ביותר. הסיד שהוכן מאבן גיר שמכילה חרסית נקרא גם סיד הידראולי, מכיוון שהוא מתקשר במגע עם מים (בניגוד לסיד רגיל). הוא גם בחן מבחר של חומרים פוצלנים טבעיים ומלאכותיים. לבסוף, חומר המליטה ששימש בבניית המגדלור הורכב מכמויות שוות של סיד הידראולי ופוצלנה טבעית. המגדלור הוקם לבסוף בשנת 1759, ומתנשא לגובה של 22 מטר. בשנת 1882 המגדלור שבנה ג'ון סמיתון הוחלף במגדלור חדש. המגדלור של סמיתון פורק והורכב מחדש בפלימות'.

למרות הצלחתו של סמיתון, השימוש בסיד הידראולי לא קנה לו אחיזה. ב- 1796, נרשם פטנט באנגליה על "צמנט רומי" שהוא למעשה סיד הידראולי מאבן גירנית עשירה בחרסית (חוואר). צמנט זה כמובן לא היה דומה לצמנט הרומי, והשם "צמנט רומי" שימש רק כמותג. הצמנט-הרומי היה צמנט מהיר התקשרות, ולכן היה שימושי בעבודות באזורי גאות ושפל, נמלים, סכרים ותעלות. הצמנט-הרומי היה הצמנט העיקרי בשימוש עד שב- 1850 צמנט פורטלנד החל להחליפו בהדרגה.

החוקר הצרפתי ויקה (Vicat) 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. מסיבות היסטוריות, רק פטנט אחד זכה לפרסום רב. פטנט זה הוא פטנט (אנגלי) מספר 5022 מה- 21 באוקטובר 1824, שנרשם על ידי יוסף אספדין (Joseph Aspdin). יוסף אספדין קרא לצמנט שלו "צמנט פורטלנד" וזאת ע"מ לרמוז לאבן פורטלנד הידועה (באנגליה) בחוזקה. בדומה לויקה, יוסף אספדין ערב חרסית וגיר טחון וקלה אותם יחד ליצירת סיד הידראולי. למעשה, בפטנט של אספדין לא היה כל חידוש, אבל השימוש בשם "צמנט פורטלנד" נתן לו חזקה לשימוש מסחרי בשם.

בנו הצעיר של יוסף אספדין, ויליאם, הקים עם שותפים חברה מתחרה לייצור צמנט בלונדון ב- 1843. ויליאם גילה שקלינקר (תוצר הקלייה של גיר מעורב בחרסית) שנשרף בטמפרטורה גבוהה יותר נותן צמנט בעל איכות טובה יותר, וחוזק גדול בהרבה. עדויות היסטוריות מ- 1848 מגלות שהצמנט שיצר ויליאם אספדין היה פי 2.4 יותר חזק מהצמנט הרומי הטוב ביותר שנמכר באותה תקופה, וב- 20% יותר חזק מצמנט הפורטלנד הטוב ביותר שיוצר על ידי מתחריו. ויליאם מעולם לא הגן על הפיתוח שלו בפטנט, ועד סוף ימיו טען שהפטנט היחיד לצמנט שיצר הוא הפטנט שנרשם על ידי אביו. בדיקות מטלוגרפיות של שרידי קלינקר ארכאולוגים מתנור ששימש את ויליאם אספדין גילו בליט ואליט שהם המרכיבים העיקריים בקלינקר של צמנט פורטלנד מודרני.

גם המנהל של המפעל המתחרה, I.C. Johnson, גילה שקלייה של חומרי הגלם בטמפרטורה גבוהה יותר, יוצרת צמנט שאף-על-פי שמתחזק לאט יותר, נותן חוזק יותר גבוה, אבל התקשה למצוא את יחסי החומרים האופטימלים. ב- 1851, ג'והנסון עזב את מעסיקו וקנה את מפעל הצמנט שננטש על ידי ויליאם אספדין. הצמנט שיצר ג'והנסון במפעל החדש שלו כנראה היה טוב בהרבה משל כל מתחריו, שכן הוא הצליח למכור אותו במחיר כפול.

ההתקדמות המשמעותית הבאה בטכנולוגיה של ייצור צמנט פורטלנד, לאחר הגילוי של ויליאם אספדין, הייתה המעבר לכבשן סובב רציף. שימוש בכבשן רציף שיפר את יעילות העבודה ובקרת האיכות בייצור הצמנט.

בקרת האיכות בייצור צמנט ממשיכה להשתפר מאז תחילת המאה ה- 20 ועד היום. את הכבשן הסובב המציא תומאס קרמפטון (Thomas Crampton. הפטנט על הכבשן הסובב נרשם ב- 1877. הכבשנים הסובבים אף-על-פי שהם יעילים יותר, הציבו, בראשיתם, בעיות טכנולוגיות רבות והפיתוח שלו נמשך עד סוף המאה ה- 19. רק ב- 1898 נבנה, בארצות הברית, הכבשן הסובב הראשון שעבד באופן "חלק", ב- 1900 נבנו באנגליה 6 כבשנים סובבים שעבדו בטור. הכבשני הסובבים הראשונים לא שימשו על מנת לעלות את סדר הגודל של הייצור, אלא בעיקר לייצור אחיד יותר.

התקדמות טכנולוגית נוספת, בייצור צמנט, בשלהי המאה ה- 19 הייתה השימוש במטחנת כדורים. השימוש במטחנת כדורים איפשר ייצור צמנט בעל חוזק מוקדם גבוה יותר. טחינה דקה של הקלינקר הביאה לבעיה של התקשרות מהירה של הטריקלציום אלומינט (C₃A). כדי לעקב את היתקשרות הטריקלציום אלומינט, מוסיפים לצמנט (בתהליך הייצור) סולפט, בדרך כלל בצורה של גבס. הסולפט מגיב עם הטריקלציום אלומינט ליצירת אטרנגיט. האטרנגיט מכסה את גבישי הטריקלציום אלומינט ומעט את קצב ההידרציה שלהם.

במהלך המאה ה-20, חוזקו של הצמנט פורטלנד הכפיל את עצמו בערך פי 5. 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 על דקות הטחינה, והיא חסכונית יותר באנרגיה.

צמנטים מעורבים המכילים אחוזים גדולים של תוצרי לואי מתעשיות אחרות, הם אחד הכיוונים הדומיננטים בפיתוח צמנט בחצי המאה האחרונה. אפר פחם מתחנות כח, 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 (Silica Fume), שהיא תוצר לואי 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, לכשעצמו 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 סביבה קורוזיבים. הכללה של חומרים אלו בתערובת הצמנט, מוזילה את הצמנט, מורידה את האנרגיה הדרושה ליצירו, ופותרת בעיות סביבתיות (בעבר חומרים אלו היו פסולות וכיום הם חומר גלם).