أسمنت

يُعدّ الإسمنت الهيدروليكي النوع الأكثر شيوعًا من الإسمنت، ويتصلّب عن طريق إضافة الماء إلى معادن الكلنكر . يتكوّن الإسمنت الهيدروليكي (مثل إسمنت بورتلاند ) من خليط من السيليكات والأكاسيد، وهي الأطوار المعدنية الأربعة الرئيسية للكلنكر، والتي يُشار إليها اختصارًا في تدوين كيميائيي الإسمنت ، وهي:

C ₃ S: أليت (3CaO·SiO ₂ )؛

C ₂ S: بيليت (2CaO·SiO ₂ )؛

C ₃ A: ألومينات ثلاثي الكالسيوم (3CaO·Al ₂ O ₃ ) (تاريخيًا، ولا يزال يسمى أحيانًا السيليت )؛

C ₄ AF: ألومينوفريت الكالسيوم (4CaO·Al ₂ O ₃ · Fe ₂ O ₃ ).

تُعدّ السيليكات مسؤولة عن الخواص الميكانيكية للأسمنت، حيث يُعدّ كلٌّ من ألومينات ثلاثي الكالسيوم والبراونميلريت ضروريين لتكوين الطور السائل أثناء عملية تلبيد ( حرق ) الكلنكر عند درجة حرارة عالية في الفرن . ولا تزال كيمياء هذه التفاعلات غير واضحة تمامًا، وهي موضع بحث مستمر. ^{[ 8 ]}

أولاً، يُحرق الحجر الجيري (كربونات الكالسيوم) لإزالة الكربون منه، مما ينتج عنه الجير (أكسيد الكالسيوم) في عملية تُعرف بتفاعل التكليس . يُعد هذا التفاعل الكيميائي وحده مصدراً رئيسياً لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون على مستوى العالم . ^{[ 9 ]}

CaCO3 → CaO _{+ CO2}

يتفاعل الجير مع ثاني أكسيد السيليكون لإنتاج سيليكات ثنائي الكالسيوم وسيليكات ثلاثي الكالسيوم.

2CaO + _{SiO₂ →} 2CaO _. SiO₂

3CaO + _{SiO₂ →} 3CaO _. SiO₂

يتفاعل الجير أيضاً مع أكسيد الألومنيوم لتكوين ألومينات ثلاثي الكالسيوم.

3CaO _{+ Al₂O₃} → _{3CaO .} Al₂O₃​​_​

في الخطوة الأخيرة، يتفاعل أكسيد الكالسيوم وأكسيد الألومنيوم وأكسيد الحديديك معًا لتكوين ألومينوفيريت الكالسيوم.

4CaO + Al ₂ O ₃ + Fe ₂ O ₃ → 4CaO _. آل ₂ يا _3. الحديد ₂ يا ₃

يُعدّ الإسمنت غير الهيدروليكي، مثل الجير المطفأ ( أكسيد الكالسيوم المخلوط بالماء)، شكلاً أقل شيوعاً من الإسمنت، حيث يتصلب بفعل الكربنة عند ملامسته لثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء (حوالي  412 جزءًا في المليون حجميًا، أي ما يعادل 0.04% حجميًا ). يُنتج أكسيد الكالسيوم  (الجير) أولاً من كربونات الكالسيوم ( الحجر الجيري أو الطباشير ) عن طريق التكليس عند درجات حرارة أعلى من 825 درجة مئوية (1517 درجة فهرنهايت) لمدة 10 ساعات تقريبًا تحت الضغط الجوي .  

CaCO3 → CaO _{+ CO2}

ثم يتم استهلاك أكسيد الكالسيوم (إطفاؤه) عن طريق خلطه بالماء لصنع الجير المطفأ ( هيدروكسيد الكالسيوم ):

CaO + H ₂ O → Ca(OH) ₂

بمجرد تبخر الماء الزائد تمامًا (وتسمى هذه العملية تقنيًا بالترسيب )، تبدأ عملية الكربنة:

Ca(OH) ₂ + CO ₂ → CaCO ₃ + H ₂ O

هذا التفاعل بطيء، لأن الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون في الهواء منخفض (حوالي  0.4  مليبار). يتطلب تفاعل الكربنة تعريض الأسمنت الجاف للهواء، لذا فإن الجير المطفأ يُعدّ أسمنتًا غير هيدروليكي ولا يمكن استخدامه تحت الماء. تُسمى هذه العملية دورة الجير .

من الناحية الكيميائية، يُعدّ الإسمنت منتجًا يحتوي على الجير كمكوّن رابط أساسي، ولكنه ليس أول مادة استُخدمت في البناء. فقد استخدم البابليون والآشوريون البيتومين (الأسفلت أو القار ) لربط الطوب المحروق أو ألواح المرمر . وفي مصر القديمة ، كانت الكتل الحجرية تُربط معًا بملاط مصنوع من الرمل والجبس المحروق تقريبًا (CaSO₄ _· 2H₂O ₎ ، وهو جبس باريس الذي غالبًا ما كان يحتوي على كربونات الكالسيوم (CaCO₃ ₎ . ^{[ 11 ]}

استُخدم الجير (أكسيد الكالسيوم) في جزيرة كريت ومن قِبل الإغريق القدماء . وتشير الأدلة إلى أن المينويين في كريت استخدموا شظايا الفخار المسحوقة كمادة بوزولانية اصطناعية للأسمنت الهيدروليكي. ^{[ 11 ]} لا يُعرف على وجه اليقين من اكتشف أولًا أن مزيجًا من الجير غير الهيدروليكي المُطفأ والمادة البوزولانية يُنتج خليطًا هيدروليكيًا (انظر أيضًا: التفاعل البوزولاني )، ولكن هذا النوع من الخرسانة استُخدم من قِبل الإغريق، وتحديدًا المقدونيين القدماء ، ^{[ 12 ] [ 13 ]} وبعد ثلاثة قرون على نطاق واسع من قِبل المهندسين الرومان . ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}

يوجد نوع من المسحوق يُنتج نتائج مذهلة بفعل عوامل طبيعية. يُوجد هذا المسحوق في محيط مدينة بايا وفي المناطق المحيطة بجبل فيزوف . عند مزجه بالجير والحصى، لا يُضفي هذا المسحوق قوةً على المباني فحسب، بل يُصلّب حتى عند بناء أرصفة بحرية منه تحت الماء.

استخدم الإغريق الطف البركاني من جزيرة ثيرا كمادة بوزولانية، بينما استخدم الرومان الرماد البركاني المسحوق ( سيليكات الألومنيوم المنشطة ) مع الجير. كان هذا المزيج يتصلب تحت الماء، مما يزيد من مقاومته للتآكل كالصدأ. ^{[ 17 ]} سُميت هذه المادة "بوزولانا" نسبةً إلى مدينة بوتسولي ، غرب نابولي، حيث كان يُستخرج الرماد البركاني. ^{[ 18 ]} في حال عدم توفر الرماد البوزولاني، استخدم الرومان الطوب المسحوق أو الفخار كبديل، وربما استخدموا البلاط المسحوق لهذا الغرض قبل اكتشاف مصادر طبيعية بالقرب من روما. [11] تُعد قبة البانثيون ^{الضخمة في روما} وحمامات كاراكالا الهائلة أمثلة على المباني القديمة المصنوعة من هذه الخرسانة، والتي لا يزال العديد منها قائمًا. ^{[ 19 ] [ 2 ]} كما استخدم نظام القنوات المائية الرومانية الواسع الأسمنت الهيدروليكي على نطاق واسع. ^{[ 20 ]} نادرًا ما استُخدمت الخرسانة الرومانية في واجهات المباني. كانت التقنية المعتادة هي استخدام مواد واجهة الطوب كقالب لملء الفراغات بمونة مخلوطة مع ركام من قطع مكسورة من الحجر أو الطوب أو شظايا الفخار أو قطع الخرسانة المعاد تدويرها أو غيرها من مخلفات البناء. ^{[ 21 ]}

صُمِّمَ الخرسانة خفيفة الوزن واستُخدمت في بناء العناصر الإنشائية من قِبَل بناة ما قبل كولومبوس الذين عاشوا في حضارة متقدمة للغاية في إل تاخين بالقرب من مدينة مكسيكو، في المكسيك. وتُظهر دراسة مُفصَّلة لتكوين الركام والمادة الرابطة أن الركام كان من الخفاف، وأن المادة الرابطة كانت إسمنتًا بوزولانيًا مصنوعًا من الرماد البركاني والجير. ^{[ 22 ]}

لا يُعرف ما إذا كانت هذه المعرفة قد حُفظت في أدبيات العصور الوسطى ، لكن البنائين في تلك الحقبة وبعض المهندسين العسكريين استخدموا الإسمنت الهيدروليكي بكثرة في منشآت مثل القنوات والحصون والموانئ ومرافق بناء السفن . ^{[ 23 ] [ 24 ]} استُخدم مزيج من ملاط ​​الجير والحصى مع الطوب أو الحجر كواجهات في الإمبراطورية الرومانية الشرقية ، وكذلك في الغرب حتى العصر القوطي . واستمر استخدام الملاط الهيدروليكي في منطقة راينلاند الألمانية طوال العصور الوسطى، لوجود رواسب بوزولانية محلية تُسمى التراس . ^{[ 21 ]}

التابي مادة بناء مصنوعة من جير قشور المحار والرمل وقشور المحار الكاملة لتشكيل الخرسانة. وقد أدخلها الإسبان إلى الأمريكتين والفلبين في القرن السادس عشر. ^{[ 25 ]}

تم وضع المعرفة التقنية لصنع الأسمنت الهيدروليكي بشكل رسمي من قبل المهندسين الفرنسيين والبريطانيين في القرن الثامن عشر. ^{[ 23 ]}

قدّم جون سميتون إسهامًا هامًا في تطوير الأسمنت أثناء تخطيطه لبناء منارة إديستون الثالثة (1755-1759) في القناة الإنجليزية، والمعروفة الآن باسم برج سميتون . كان بحاجة إلى ملاط ​​هيدروليكي يتصلب ويكتسب بعض القوة خلال فترة الاثنتي عشرة ساعة بين المد والجزر المتتاليين . أجرى تجارب على تركيبات مختلفة من الحجر الجيري ومواد مضافة، بما في ذلك التراس والبوزولانا ^{[ 11 ]} ، كما أجرى بحثًا سوقيًا شاملًا عن أنواع الجير الهيدروليكي المتوفرة، وزار مواقع إنتاجها، ولاحظ أن "الصلابة الهيدروليكية" للجير ترتبط ارتباطًا مباشرًا بمحتوى الطين في الحجر الجيري المستخدم في صناعته. كان سميتون مهندسًا مدنيًا، ولم يطور الفكرة أكثر من ذلك.

في الساحل الجنوبي للمحيط الأطلسي بالولايات المتحدة، تم استخدام التابي، الذي يعتمد على أكوام قشور المحار التي خلفتها قبائل السكان الأصليين الأمريكيين الأوائل، في بناء المنازل من ثلاثينيات القرن الثامن عشر إلى ستينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 25 ]}

في بريطانيا تحديدًا، ازدادت تكلفة أحجار البناء عالية الجودة بشكل ملحوظ خلال فترة النمو السريع، وأصبح من الشائع تشييد المباني الفخمة باستخدام الطوب الصناعي الجديد، وتغطيتها بالجص لمحاكاة الحجر. كان الجير الهيدروليكي هو الخيار المفضل لهذا الغرض، ولكن الحاجة إلى سرعة التصلب شجعت على تطوير أنواع جديدة من الأسمنت. أشهرها " الأسمنت الروماني " لباركر. ^{[ 26 ]} طوّره جيمس باركر في ثمانينيات القرن الثامن عشر، وحصل على براءة اختراعه عام 1796. في الواقع، لم يكن يشبه المادة التي استخدمها الرومان، بل كان "أسمنتًا طبيعيًا" مصنوعًا من حرق " السبتاريا " - وهي عقيدات موجودة في بعض رواسب الطين، وتحتوي على معادن طينية وكربونات الكالسيوم . طُحنت العقيدات المحروقة إلى مسحوق ناعم. هذا المنتج، الذي يُصنع منه ملاط ​​مع الرمل، يتصلب في غضون 5-15 دقيقة. أدى نجاح "الأسمنت الروماني" إلى قيام مصنّعين آخرين بتطوير منتجات منافسة عن طريق حرق أسمنت الجير الهيدروليكي الاصطناعي المصنوع من الطين والطباشير . سرعان ما أصبح الإسمنت الروماني شائعًا، لكن تم استبداله إلى حد كبير بالإسمنت البورتلاندي في خمسينيات القرن التاسع عشر. ^{[ 11 ]}

يبدو أن الفرنسي لويس فيكات لم يكن على دراية بعمل سميتون ، إذ اكتشف المبدأ نفسه في العقد الأول من القرن التاسع عشر. ثم ابتكر فيكات طريقة لدمج الطباشير والطين في مزيج متجانس، ومن خلال حرق هذا المزيج، أنتج "إسمنتًا صناعيًا" عام 1817 ^{[ 27 ]} يُعتبر "السلف الرئيسي" ^{[ 11 ]} للإسمنت البورتلاندي، و"...حصل إدغار دوبس من ساوثوارك على براءة اختراع لهذا النوع من الإسمنت عام 1811." ^{[ 11 ]}

في روسيا، ابتكر إيغور تشيليف مادة رابطة جديدة بمزج الجير والطين. ونُشرت نتائجه عام 1822 في كتابه " رسالة في فن إعداد الملاط الجيد" الذي نُشر في سانت بطرسبرغ . وبعد بضع سنوات، في عام 1825، نشر كتابًا آخر وصف فيه طرقًا مختلفة لصنع الإسمنت والخرسانة، وفوائد الإسمنت في بناء المباني والسدود. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

يُعدّ إسمنت بورتلاند ، وهو النوع الأكثر شيوعًا من الإسمنت المستخدم عالميًا كمكوّن أساسي في الخرسانة والملاط والجص ومواد الحشو غير المتخصصة ، منتجًا طُوّر في إنجلترا في منتصف القرن التاسع عشر، ويُستخرج عادةً من الحجر الجيري . أنتج جيمس فروست ما أسماه "الإسمنت البريطاني" بطريقة مماثلة في نفس الفترة تقريبًا، لكنه لم يحصل على براءة اختراع حتى عام 1822. ^{[ 31 ]} في عام 1824، حصل جوزيف أسبدين على براءة اختراع لمادة مشابهة، أطلق عليها اسم إسمنت بورتلاند ، نظرًا لأن لون الجص المصنوع منها كان مشابهًا للون حجر بورتلاند الفاخر المستخرج من جزيرة بورتلاند ، دورست، إنجلترا. مع ذلك، لم يكن إسمنت أسبدين شبيهًا بإسمنت بورتلاند الحديث، بل كان خطوة أولى في تطويره، ويُطلق عليه اسم " إسمنت بورتلاند الأولي" . ^{[ 11 ]} غادر ويليام أسبدين ، ابن جوزيف أسبدين، شركة والده، وفي مصنعه للأسمنت، أنتج على ما يبدو سيليكات الكالسيوم عن طريق الصدفة في أربعينيات القرن التاسع عشر، وهي خطوة متوسطة في تطوير أسمنت بورتلاند. كان ابتكار ويليام أسبدين غير بديهي لمصنعي "الأسمنت الصناعي"، لأنه تطلب كمية أكبر من الجير في الخليط (وهي مشكلة لوالده)، ودرجة حرارة أعلى بكثير للفرن (وبالتالي كمية أكبر من الوقود)، وكان الكلنكر الناتج شديد الصلابة، مما أدى إلى تآكل سريع لأحجار الطحن ، التي كانت تقنية الطحن الوحيدة المتاحة في ذلك الوقت. ولذلك، كانت تكاليف التصنيع أعلى بكثير، لكن المنتج تصلب ببطء نسبيًا واكتسب قوة بسرعة، مما فتح سوقًا لاستخدامه في الخرسانة. نما استخدام الخرسانة في البناء بسرعة من عام 1850 فصاعدًا، وسرعان ما أصبح الاستخدام السائد للأسمنت. وهكذا بدأ أسمنت بورتلاند دوره المهيمن. قام إسحاق تشارلز جونسون بتحسين إنتاج أسمنت بورتلاند المتوسط ​​(المرحلة المتوسطة من التطوير) وادعى أنه الأب الحقيقي لأسمنت بورتلاند. ^{[ 32 ]}

يُعدّ زمن التصلب و"القوة المبكرة" من الخصائص المهمة للأسمنت. يعتمد كل من الجير الهيدروليكي والأسمنت "الطبيعي" والأسمنت "الاصطناعي" على محتواها من البليت (2 CaO · SiO₂ _، ويُختصر بـ C₂S ₎ لتطوير قوتها . يكتسب البليت قوته ببطء. ولأنه كان يُحرق في درجات حرارة أقل من 1250 درجة مئوية (2280 درجة فهرنهايت) ، فإنه لا يحتوي على الأليت (3 CaO · SiO₂ _، ويُختصر بـ C₃S ₎ ، وهو المسؤول عن القوة المبكرة في الأسمنت الحديث. أول أسمنت يحتوي باستمرار على الأليت صنعه ويليام أسبدين في أوائل أربعينيات القرن التاسع عشر: وهو ما يُعرف اليوم باسم أسمنت بورتلاند "الحديث". بسبب الغموض الذي أحاط منتج ويليام أسبدين، ادعى آخرون ( مثل فيكات وجونسون) أسبقيتهم في هذا الاختراع، لكن التحليلات الحديثة ^{[ 33 ]} لكل من الخرسانة والأسمنت الخام أظهرت أن منتج ويليام أسبدين، الذي صُنع في مصنع نورثفليت للأسمنت في كينت، كان أسمنتًا حقيقيًا قائمًا على الأليت. مع ذلك، كانت أساليب أسبدين تجريبية: يُنسب إلى فيكات الفضل في تحديد الأساس الكيميائي لهذه الأسمنتات، بينما أثبت جونسون أهمية تلبيد الخليط في الفرن .  

في الولايات المتحدة، كان أول استخدام واسع النطاق للإسمنت هو إسمنت روزنديل ، وهو إسمنت طبيعي يُستخرج من رواسب ضخمة من الدولوميت اكتُشفت في أوائل القرن التاسع عشر بالقرب من روزنديل، نيويورك . حظي إسمنت روزنديل بشعبية كبيرة في أساسات المباني ( مثل تمثال الحرية ، ومبنى الكابيتول ، وجسر بروكلين ) وفي تبطين أنابيب المياه. ^{[ 34 ]} أما إسمنت سوريل ، أو الإسمنت القائم على المغنيسيا، فقد حصل الفرنسي ستانيسلاس سوريل على براءة اختراعه عام 1867. ^{[ 35 ]} كان أقوى من إسمنت بورتلاند، لكن مقاومته الضعيفة للماء (الترشيح) وخصائصه المسببة للتآكل ( تآكل التنقر بسبب وجود أيونات الكلوريد القابلة للترشيح وانخفاض درجة حموضة الماء المسامي (8.5-9.5)) حدّت من استخدامه كخرسانة مسلحة في تشييد المباني. ^{[ 36 ]}

كان التطور التالي في صناعة أسمنت بورتلاند هو إدخال الفرن الدوار . وقد أنتج هذا الفرن خليطًا من الكلنكر يتميز بقوة أكبر، نظرًا لتكوّن كمية أكبر من الأليت (C3S ₎  عند درجة الحرارة العالية التي يصل إليها (1450 درجة مئوية)، كما أنه أكثر تجانسًا. ولأن المواد الخام تُغذى باستمرار إلى الفرن الدوار، فقد أتاح ذلك عملية تصنيع متواصلة تحل محل عمليات الإنتاج الدفعي ذات السعة المنخفضة . ^{[ 11 ]}

حصل جول بيد على براءة اختراع لأسمنت ألومينات الكالسيوم في فرنسا عام 1908 لمقاومته الأفضل للكبريتات. ^{[ 37 ]} وفي عام 1908 أيضاً، أجرى توماس إديسون تجارب على الخرسانة مسبقة الصب في منازل في يونيون، نيو جيرسي. ^{[ 38 ]}

في الولايات المتحدة، بعد الحرب العالمية الأولى، أدى طول فترة تصلب إسمنت روزنديل، التي بلغت شهرًا على الأقل، إلى انخفاض شعبيته في بناء الطرق السريعة والجسور، ما دفع العديد من الولايات وشركات البناء إلى التحول إلى إسمنت بورتلاند. وبسبب هذا التحول، لم يتبق من شركات إسمنت روزنديل الخمس عشرة سوى شركة واحدة بحلول نهاية عشرينيات القرن الماضي. ولكن في أوائل ثلاثينيات القرن نفسه، اكتشف البناؤون أنه على الرغم من سرعة تصلب إسمنت بورتلاند، إلا أنه لم يكن بنفس متانة إسمنت روزنديل، خاصةً في بناء الطرق السريعة، لدرجة أن بعض الولايات توقفت عن استخدامه في بناء الطرق السريعة والفرعية. وقد أعجب المهندس بيرترين إتش. وايت، الذي ساهمت شركته في بناء قناة كاتسكيل المائية في مدينة نيويورك ، بمتانة إسمنت روزنديل، فابتكر مزيجًا من إسمنت روزنديل وإسمنت بورتلاند يجمع بين مزايا كليهما. تميز هذا المزيج بمتانته العالية وسرعة تصلبه. أقنع وايت مفوض الطرق السريعة في نيويورك بإنشاء قسم تجريبي من الطريق السريع بالقرب من نيو بالتز، نيويورك ، باستخدام كيس واحد من أسمنت روزنديل مقابل ستة أكياس من أسمنت بورتلاند. وقد حقق المشروع نجاحًا، ولعقود من الزمن، استُخدم مزيج أسمنت روزنديل-بورتلاند في بناء الطرق السريعة والجسور الخرسانية. ^{[ 34 ]}

استُخدمت المواد الأسمنتية كقالب لتثبيت النفايات النووية لأكثر من نصف قرن. ^{[ 39 ]} وقد طُوّرت تقنيات تثبيت النفايات بالأسمنت ونُشرت على نطاق صناعي في العديد من البلدان. ​​تتطلب أشكال النفايات الأسمنتية عملية اختيار وتصميم دقيقة تتناسب مع كل نوع من أنواع النفايات لتلبية معايير قبول النفايات الصارمة للتخزين والتخلص طويل الأجل. ^{[ 40 ]} وقد دُرست الأسمنت كمادة لتخزين الطاقة الكهربائية، على غرار البطاريات. ^{[ 41 ]}

يُعدّ الإسمنت البورتلاندي، وهو نوع من الإسمنت الهيدروليكي، أكثر أنواع الإسمنت شيوعًا في العالم. ويُستخدم الإسمنت البورتلاندي بشكل أساسي في صناعة الخرسانة. ويتوفر الإسمنت البورتلاندي باللونين الرمادي والأبيض .

تتوفر خلطات أسمنت بورتلاند غالبًا كخلطات مطحونة من منتجي الأسمنت، ولكن يتم أيضًا خلط تركيبات مماثلة من المكونات المطحونة في مصنع خلط الخرسانة.

يحتوي إسمنت خبث أفران الصهر البورتلاندي، أو إسمنت أفران الصهر (وفقًا لتسميتي ASTM C595 و EN 197-1 على التوالي)، على ما يصل إلى 95% من خبث أفران الصهر المحبب المطحون ، مع إضافة الكلنكر البورتلاندي وقليل من الجبس. تتميز جميع تركيباته بقوة نهائية عالية، ولكن مع زيادة محتوى الخبث، تنخفض القوة المبكرة، بينما تزداد مقاومة الكبريتات ويقل انبعاث الحرارة. يُستخدم هذا الإسمنت كبديل اقتصادي لإسمنت بورتلاند المقاوم للكبريتات والإسمنت منخفض الحرارة.

يحتوي إسمنت بورتلاند المُضاف إليه رماد متطاير على ما يصل إلى 40% من الرماد المتطاير وفقًا لمعايير الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM C595)، أو 35% وفقًا لمعايير الاتحاد الأوروبي (EN 197-1). يتميز الرماد المتطاير بخواصه البوزولانية ، مما يحافظ على قوة الخرسانة القصوى. ولأن إضافة الرماد المتطاير تسمح بتقليل محتوى الماء في الخرسانة، فإنه يحافظ أيضًا على قوتها المبكرة. وعند توفر رماد متطاير عالي الجودة وبسعر مناسب، يُمكن اعتباره بديلاً اقتصاديًا لإسمنت بورتلاند العادي. ^{[ 45 ]}

يشمل إسمنت بورتلاند البوزولاني إسمنت الرماد المتطاير، لأن الرماد المتطاير مادة بوزولانية ، ولكنه يشمل أيضًا أنواعًا أخرى من الإسمنت مصنوعة من مواد بوزولانية طبيعية أو اصطناعية. في البلدان التي يتوفر فيها الرماد البركاني (مثل إيطاليا، وتشيلي، والمكسيك، والفلبين)، غالبًا ما يكون هذا النوع من الإسمنت هو الأكثر شيوعًا. وتُحدد نسب الاستبدال القصوى عمومًا كما هو الحال في إسمنت بورتلاند-الرماد المتطاير.

أسمنت بورتلاند المحتوي على غبار السيليكا. يمكن أن تؤدي إضافة غبار السيليكا إلى زيادة قوة الخرسانة بشكل استثنائي، ويتم إنتاج أنواع من الأسمنت تحتوي على 5-20% من غبار السيليكا أحيانًا، مع العلم أن 10% هي النسبة القصوى المسموح بها وفقًا للمعيار الأوروبي EN 197-1. ومع ذلك، يُضاف غبار السيليكا عادةً إلى أسمنت بورتلاند في خلاطة الخرسانة. ^{[ 46 ]}

تُستخدم أسمنتات البناء في تحضير ملاط ​​البناء والجص ، ويُمنع استخدامها في الخرسانة. وهي عادةً تركيبات معقدة خاصة تحتوي على الكلنكر البورتلاندي وعدد من المكونات الأخرى التي قد تشمل الحجر الجيري، والجير المطفأ، ومواد تهوية، ومؤخرات التصلب، ومواد عازلة للماء، ومواد تلوين. صُممت هذه الأسمنتات لإنتاج ملاط ​​سهل الاستخدام يسمح بأعمال بناء سريعة ومتناسقة. ومن بين أنواع أسمنتات البناء في أمريكا الشمالية، الأسمنتات البلاستيكية وأسمنتات الجص، وهي مصممة لإنتاج رابطة محكمة مع كتل البناء.

تحتوي الأسمنتات المتمددة، بالإضافة إلى الكلنكر البورتلاندي، على كلنكر متمدد (عادةً كلنكر سلفوألومينات)، وهي مصممة لتعويض آثار انكماش الجفاف الذي يُلاحظ عادةً في الأسمنتات الهيدروليكية. يُمكن استخدام هذا النوع من الأسمنت في صناعة الخرسانة لألواح الأرضيات (حتى 60  مترًا مربعًا) دون الحاجة إلى فواصل تمدد.

يمكن تصنيع الأسمنت الأبيض المخلوط باستخدام الكلنكر الأبيض (الذي يحتوي على القليل من الحديد أو لا يحتوي عليه إطلاقًا) ومواد بيضاء إضافية مثل الميتاكاولين عالي النقاء . أما الأسمنت الملون فيُستخدم لأغراض تزيينية. تسمح بعض المعايير بإضافة الأصباغ لإنتاج أسمنت بورتلاند ملون، بينما لا تسمح معايير أخرى (مثل ASTM) باستخدام الأصباغ في أسمنت بورتلاند، وفي هذه الحالة يُباع الأسمنت الملون على أنه أسمنت هيدروليكي مخلوط.

الأسمنت المطحون ناعماً جداً هو أسمنت ممزوج بالرمل أو الخبث أو معادن بوزولانية أخرى مطحونة بدقة متناهية. يتميز هذا النوع من الأسمنت بنفس الخصائص الفيزيائية للأسمنت العادي، ولكن بكمية أسمنت أقل بنسبة 50%، ويعود ذلك بشكل خاص إلى زيادة مساحة السطح المتاحة للتفاعل الكيميائي. حتى مع الطحن المكثف، يمكن أن يستهلك تصنيعه طاقة أقل بنسبة تصل إلى 50% (وبالتالي انبعاثات كربونية أقل) مقارنةً بأسمنت بورتلاند العادي. ^{[ 47 ]}

الأسمنت الجيري البوزولاني عبارة عن خليط من البوزولان المطحون والجير . هذا هو الأسمنت الذي استخدمه الرومان، وهو موجود في المباني الرومانية الباقية مثل البانثيون في روما. يكتسب هذا النوع من الأسمنت قوته ببطء، لكن قوته النهائية قد تكون عالية جدًا. نواتج التفاعل التي تُكسبه هذه القوة هي نفسها تقريبًا تلك الموجودة في أسمنت بورتلاند.

لا تتمتع أسمنتات الخبث والجير - وهي عبارة عن خبث أفران الصهر المطحون والمحبب - بخواص هيدروليكية بذاتها، بل يتم تنشيطها بإضافة القلويات، وأكثرها اقتصادية استخدام الجير. وهي تشبه أسمنتات الجير البوزولانية في خصائصها. ويُعد الخبث المحبب فقط (أي الخبث الزجاجي المبرد بالماء) فعالاً كمكون للأسمنت.

تحتوي الأسمنتات فائقة الكبريتات على حوالي 80% من خبث أفران الصهر المطحون، و15% من الجبس أو الأنهيدريت ، وقليل من الكلنكر البورتلاندي أو الجير كمنشط. وتكتسب هذه الأسمنتات قوتها من خلال تكوين الإترينجيت ، حيث ينمو معدل قوتها بشكل مشابه للأسمنت البورتلاندي البطيء. كما أنها تتميز بمقاومة جيدة للعوامل المؤكسدة، بما في ذلك الكبريتات.

أسمنت ألومينات الكالسيوم هو أسمنت هيدروليكي مصنوع أساسًا من الحجر الجيري والبوكسيت . المكونات الفعالة هي ألومينات الكالسيوم الأحادي CaAl₂O₄ ( _{CaO · Al₂O₃} أو CA _{في ترميز} كيميائيي الأسمنت _، CCN) والمايينيت Ca₁₂Al₁₄O₃ (Ca₁₂Al₁₄O₃ _أو Ca₁₂Al₁₄O₃ _{) . تكتسب هذه} الأسمنت قوتها من خلال التفاعل مع الماء لتكوين هيدرات ألومينات _{الكالسيوم} . وهي مناسبة تمامًا للاستخدام في الخرسانة المقاومة للحرارة العالية ، مثل _بطانات الأفران .

تُصنع أسمنتات سلفو ألومينات الكالسيوم من الكلنكر الذي يحتوي على _{الإيليميت} ( Ca₄ ₍ AlO₂ ₎ ₆SO₄ _أو C₄A₃S وفقًا _لتسمية كيميائيي الأسمنت ) كمرحلة أساسية. تُستخدم هذه الأسمنتات في الأسمنتات المتمددة _، والأسمنتات فائقة المقاومة المبكرة ، والأسمنتات "منخفضة الطاقة". ينتج عن عملية التميؤ الإترينجيت، ويتم الحصول على خصائص فيزيائية متخصصة (مثل التمدد أو سرعة التفاعل) عن طريق ضبط توافر أيونات الكالسيوم والكبريتات. وقد بدأ استخدامها كبديل منخفض الطاقة لأسمنت بورتلاند في الصين، حيث يُنتج منها عدة ملايين من الأطنان سنويًا. ^{[ 48 ] [ 49 ]} تكون متطلبات الطاقة أقل نظرًا لانخفاض درجات حرارة الفرن اللازمة للتفاعل، وانخفاض كمية الحجر الجيري (الذي يجب إزالة الكربونات منه حراريًا) في الخليط. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي انخفاض محتوى الحجر الجيري وانخفاض استهلاك الوقود إلى انخفاض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ._{تبلغ انبعاثات ثاني} أكسيد الكبريت حوالي نصف الانبعاثات المرتبطة بكلنكر بورتلاند. ومع ذلك،_ثانيعادة ما تكون أعلى بكثير.

تُنتج أنواع من الأسمنت "الطبيعي"، المشابهة لأنواع معينة من أسمنت ما قبل عصر بورتلاند، عن طريق حرق الحجر الجيري الطيني في درجات حرارة معتدلة. نسبة الطين في الحجر الجيري (حوالي 30-35%) تسمح بتكوين كميات كبيرة من البليت (المعدن ذو المقاومة المنخفضة في المراحل المبكرة والمقاومة العالية في المراحل المتأخرة في أسمنت بورتلاند) دون تكوين كميات كبيرة من الجير الحر. وكما هو الحال مع أي مادة طبيعية، فإن خصائص هذا النوع من الأسمنت متغيرة للغاية.

تُصنع أسمنتات الجيوبوليمر من مخاليط من سيليكات المعادن القلوية القابلة للذوبان في الماء، ومساحيق المعادن الألومينوسيليكاتية مثل الرماد المتطاير والميتاكاولين .

تُصنع الأسمنتات البوليمرية من مواد كيميائية عضوية تتفاعل مع بعضها البعض. وغالبًا ما يستخدم المصنّعون موادًا متصلبة حراريًا . ورغم أنها أغلى ثمنًا في كثير من الأحيان، إلا أنها تُنتج مادة مقاومة للماء تتمتع بقوة شد عالية.

أسمنت سوريل هو أسمنت صلب ومتين مصنوع من خلال دمج أكسيد المغنيسيوم ومحلول كلوريد المغنيسيوم

يُقترح إنتاج الإسمنت الكهربائي عن طريق إعادة تدوير الإسمنت من مخلفات الهدم في فرن القوس الكهربائي كجزء من عملية صناعة الصلب . ويهدف الإسمنت المُعاد تدويره إلى استبدال جزء من الجير المستخدم في صناعة الصلب أو كله، مما ينتج عنه مادة شبيهة بالخبث، ذات تركيب معدني مشابه للإسمنت البورتلاندي، وبالتالي القضاء على معظم انبعاثات الكربون المرتبطة به. ^{[ 50 ]}

تُعد الصين أكبر منتج ومستهلك للأسمنت في العالم.

في عام 2006، قُدِّر أن الصين أنتجت 1.235 مليار طن من الإسمنت، ما يُمثل 44% من إجمالي إنتاج الإسمنت العالمي. ^{[ 60 ]} ومن المتوقع أن ينمو الطلب على الإسمنت في الصين بنسبة 5.4% سنويًا، وأن يتجاوز مليار طن في عام 2008، مدفوعًا بنمو مُتباطئ ولكنه قوي في الإنفاق على البناء. وسيبلغ استهلاك الإسمنت في الصين 44% من الطلب العالمي، وستبقى الصين أكبر مستهلك وطني للإسمنت في العالم بفارق كبير. ^{[ 61 ]}

في عام 2010، بلغ استهلاك الأسمنت عالمياً 3.3 مليار طن. ومن هذا الاستهلاك، استحوذت الصين على 1.8 مليار طن. ^{[ 62 ]}

يتراوح تركيز الكربون في الإسمنت من حوالي 5% في المنشآت الإسمنتية إلى حوالي 8% في حالة الطرق الإسمنتية. ^{[ 63 ]} تُطلق صناعة الإسمنت _ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بشكل مباشر عند تسخين كربونات الكالسيوم ، مما ينتج عنه الجير وثاني أكسيد الكربون ، ^{[ 64 ] [ 65 ]} وأيضًا بشكل غير مباشر من خلال استخدام الطاقة إذا تضمن إنتاجها انبعاث ثاني أكسيد الكربون._2. تنتج صناعة الإسمنت حوالي 10% منانبعاثات ثاني أكسيد الكربونالناتجة عن الأنشطة البشرية₂ انبعاثات، منها 60% من العملية الكيميائية، و40% من احتراق الوقود. ^{[ 66 ]} وتشير دراسة أجرتها تشاتامهاوسعام 2018 إلى أن 4 مليارات طن من الأسمنت المنتجة سنويًا تُسهم بنسبة 8% منانبعاثات ثاني أكسيد الكربونانبعاثات _2. ^{[ 5 ]}

ما يقرب من 900  كيلوغرام من ثاني أكسيد الكربون_{يُنبعث غاز ثاني أكسيد الكربون بمقدار 2} لكل 1000 كيلوغرام من أسمنت بورتلاند المُنتَج. في الاتحاد الأوروبي، انخفض استهلاك الطاقة المُحدَّد لإنتاج الكلنكر الأسمنتي بنحو 30% منذ سبعينيات القرن الماضي. يُعادل هذا الانخفاض في متطلبات الطاقة الأولية ما يُقارب 11 مليون طن من الفحم سنويًا، مع ما يترتب على ذلك من فوائد في خفض انبعاثاتثاني أكسيد الكربون._{انبعاثات 2.} وهذا يمثل حوالي 5% منثاني أكسيد الكربون_2. ^{[ 67 ]}​

تنتج غالبية انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في صناعة أسمنت بورتلاند (حوالي 60%) عن التحلل الكيميائي للحجر الجيري إلى جير، وهو أحد مكونات الكلنكر في أسمنت بورتلاند. ويمكن تقليل هذه الانبعاثات عن طريق خفض نسبة الكلنكر في الأسمنت. كما يمكن تقليلها باستخدام طرق تصنيع بديلة، مثل طحن الأسمنت مع الرمل أو الخبث أو معادن بوزولانية أخرى للحصول على مسحوق ناعم جدًا. ^{[ 68 ]}

لتقليل نقل المواد الخام الثقيلة وتقليل التكاليف المرتبطة بها، من الأجدى اقتصادياً بناء مصانع الأسمنت بالقرب من محاجر الحجر الجيري بدلاً من مراكز الاستهلاك. ^{[ 69 ]}

اعتبارًا من عام 2025يُعدّ احتجاز الكربون وتخزينه وسيلةً واعدةً لخفض انبعاثات الكربون في صناعة الإسمنت. وقد حصلت شركة "إير ليكيد" الفرنسية على تمويل من الاتحاد الأوروبي لمشروعين لاحتجاز الكربون وتخزينه في كوجاوي (بولندا)، بالإضافة إلى برنامج K6 الذي يهدف إلى إنتاج أول إسمنت محايد للكربون في أوروبا في لومبر، فرنسا. ومن المتوقع أن تبدأ هذه المشاريع عملياتها بحلول عام 2028، وأن تحتجز 18.1 مليون طن من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون على مدى عقد من الزمن. ^{[ 70 ]}

تمتص منتجات إسمنت بورتلاند المُمَيَّأة، مثل الخرسانة والملاط، غاز _ثاني أكسيد الكربون الجوي ببطء ، والذي ينطلق أثناء التكليس في الفرن. تُسمى هذه العملية الطبيعية، عند عكسها إلى التكليس، بالكربنة. ^{[ 71 ]} وبما أنها تعتمد على انتشار ثاني أكسيد الكربون _في كتلة الخرسانة، فإن معدلها يعتمد على العديد من العوامل، مثل الظروف البيئية ومساحة السطح المعرض للغلاف الجوي. ^{[ 72 ] [ 73 ]} تكتسب الكربنة أهمية خاصة في المراحل الأخيرة من عمر الخرسانة - بعد الهدم وسحق الأنقاض. ويُقدَّر أن ما يقرب من 30% من ثاني أكسيد الكربون الجوي₂ يتم إعادة امتصاص الغازات الناتجة عن إنتاج الأسمنت خلال دورة حياة منتجات الأسمنت. ^{[ 73 ]}

تُعتبر عملية الكربنة آليةً لتدهور الخرسانة، إذ تُقلل من درجة حموضتها، مما يُسرّع تآكل حديد التسليح. ^{[ 71 ]} ومع ذلك، ونظرًا لأن ناتج كربنة هيدروكسيد الكالسيوم (Ca(OH) _₂ ) ، وهو كربونات الكالسيوم (CaCO₃ ₎ ، يشغل حجمًا أكبر، فإن مسامية الخرسانة تقل، مما يزيد من قوتها وصلابتها. ^{[ 74 ]}

توجد مقترحات لتقليل البصمة الكربونية للأسمنت الهيدروليكي من خلال اعتماد الأسمنت غير الهيدروليكي، مثل ملاط ​​الجير ، في بعض التطبيقات. فهو يعيد امتصاص جزء من ثاني أكسيد الكربون._٢ أثناء التصلب، ويتطلب طاقة أقل في الإنتاج مقارنة بالأسمنت البورتلاندي. ^{[ ٧٥ ]}

ومن بين المحاولات الأخرى لزيادة امتصاص ثاني أكسيد الكربون استخدام أنواع من الأسمنت تعتمد على المغنيسيوم ( أسمنت سوريل ). ^{[ 76 ] [ 77 ] [ 78 ]}

في بعض الحالات، اعتمادًا بشكل أساسي على مصدر وتركيب المواد الخام المستخدمة، قد تُطلق عملية التكليس بدرجة حرارة عالية للحجر الجيري والمعادن الطينية غازات وغبارًا غنيًا بالمعادن الثقيلة المتطايرة في الغلاف الجوي ، مثل الثاليوم ^{[ 79 ]} ، ويُعد الكادميوم والزئبق من أكثرها سمية. غالبًا ما توجد المعادن الثقيلة (الثاليوم، الكادميوم، الزئبق، ...) والسيلينيوم كعناصر نادرة في كبريتيدات المعادن الشائعة ( البيريت (FeS₂ ₎ ، الزنك بليند (ZnS) ، الغالينا (PbS)، ...) الموجودة كمعادن ثانوية في معظم المواد الخام. توجد لوائح بيئية في العديد من البلدان للحد من هذه الانبعاثات. اعتبارًا من عام 2011 في الولايات المتحدة، يُسمح قانونًا لأفران الأسمنت بضخ كميات من السموم في الهواء تفوق ما تُطلقه محارق النفايات الخطرة. ^{[ 80 ]}

ينشأ وجود المعادن الثقيلة في الكلنكر من المواد الخام الطبيعية، ومن استخدام المنتجات الثانوية المعاد تدويرها أو أنواع الوقود البديلة . وتحد درجة الحموضة العالية السائدة في ماء مسام الأسمنت (12.5 < pH < 13.5) من حركة العديد من المعادن الثقيلة عن طريق تقليل ذوبانها وزيادة امتصاصها على أطوار المعادن في الأسمنت. ويوجد النيكل والزنك والرصاص عادةً في الأسمنت بتراكيز ملحوظة. وقد ينشأ الكروم أيضًا بشكل مباشر كشوائب طبيعية من المواد الخام ، أو كتلوث ثانوي ناتج عن احتكاك سبائك الصلب الكرومي الصلب المستخدمة في مطاحن الكرات عند طحن الكلنكر. ولأن الكرومات (CrO₄²⁻ ₎ سامة وقد تسبب حساسية جلدية شديدة حتى بتراكيز ضئيلة، فإنه يُختزل أحيانًا إلى كروم ثلاثي التكافؤ (Cr ⁽ III)) بإضافة كبريتات الحديدوز (FeSO₄ ₎ .

يستهلك مصنع الإسمنت ما بين 3 إلى 6 جيجا جول من الوقود لكل طن من الكلنكر المُنتَج، وذلك تبعًا للمواد الخام والعملية المُستخدمة. تستخدم معظم أفران الإسمنت اليوم الفحم وفحم الكوك البترولي كوقود أساسي، وبدرجة أقل الغاز الطبيعي وزيت الوقود. يمكن استخدام بعض النفايات والمنتجات الثانوية ذات القيمة الحرارية القابلة للاسترداد كوقود في فرن الإسمنت (وهي عملية تُعرف بالمعالجة المشتركة )، لتحل محل جزء من الوقود الأحفوري التقليدي ، كالفحم، إذا استوفت مواصفات دقيقة. كما يمكن استخدام بعض النفايات والمنتجات الثانوية التي تحتوي على معادن مفيدة مثل الكالسيوم والسيليكا والألومينا والحديد كمواد خام في الفرن، لتحل محل مواد خام أخرى مثل الطين والصخر الزيتي والحجر الجيري. ولأن بعض المواد تحتوي على معادن مفيدة وقيمة حرارية قابلة للاسترداد، فإن التمييز بين أنواع الوقود البديلة والمواد الخام ليس واضحًا دائمًا. على سبيل المثال، تتميز حمأة الصرف الصحي بقيمة حرارية منخفضة ولكنها مهمة، وعند احتراقها تُنتج رمادًا يحتوي على معادن مفيدة في تركيب الكلنكر. ^{[ 81 ]} تُعدّ إطارات السيارات والشاحنات المستعملة مفيدة في صناعة الإسمنت نظرًا لقيمتها الحرارية العالية، كما أن الحديد الموجود فيها يُعدّ مادة خام مفيدة. ^{[ 82 ] : ص 27}

يُصنع الكلنكر بتسخين المواد الخام داخل الموقد الرئيسي للفرن إلى درجة حرارة 1450  درجة مئوية. تصل درجة حرارة اللهب إلى 1800  درجة مئوية. تبقى المادة عند درجة حرارة 1200  درجة مئوية لمدة تتراوح بين 12 و15 ثانية،  أو أحيانًا لمدة تتراوح بين 5 و8 ثوانٍ (وتُعرف أيضًا بزمن الإقامة). توفر هذه الخصائص لفرن الكلنكر فوائد عديدة، فهي تضمن التدمير الكامل للمركبات العضوية، والتعادل التام للغازات الحمضية وأكاسيد الكبريت وكلوريد الهيدروجين. علاوة على ذلك، تُدمج آثار المعادن الثقيلة في بنية الكلنكر، ولا تُنتج أي منتجات ثانوية، مثل الرماد أو المخلفات. ^{[ 83 ]}

تستخدم صناعة الإسمنت في الاتحاد الأوروبي حاليًا أكثر من 40% من أنواع الوقود المشتقة من النفايات والكتلة الحيوية لتوفير الطاقة الحرارية اللازمة لعملية تصنيع الكلنكر الرمادي. ورغم أن اختيار هذا النوع من الوقود البديل عادةً ما يكون مدفوعًا بالتكلفة، إلا أن عوامل أخرى تكتسب أهمية متزايدة. يوفر استخدام الوقود البديل فوائد لكل من المجتمع والشركة، منها: خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون._٢- تُعدّ الانبعاثات الناتجة عن الوقود البديل أقل من تلك الناتجة عن الوقود الأحفوري، ويمكن معالجة النفايات بشكل مشترك بكفاءة واستدامة، كما يمكن تقليل الطلب على بعض المواد الخام. ومع ذلك، توجد اختلافات كبيرة في نسبة استخدام الوقود البديل بين الدول الأعضاء في الاتحاد الأوروبي. ويمكن تحسين الفوائد المجتمعية إذا زادت نسبة استخدام الوقود البديل في المزيد من الدول الأعضاء. وقد قيّمت دراسة إيكوفيس ^{[ ٨٤ ]} العوائق والفرص المتاحة لزيادة استخدام الوقود البديل في ١٤ دولة عضو في الاتحاد الأوروبي. وخلصت الدراسة إلى أن العوامل المحلية تحدّ من إمكانات السوق بدرجة أكبر بكثير من الجدوى التقنية والاقتصادية لصناعة الإسمنت نفسها.