Цемент представляет собой порошкообразный вяжущий материал, который при взаимодействии с водой превращается в пластичную массу, со временем затвердевающую в прочное камневидное тело - цементный камень.
Для строительных нужд вяжущие материалы стали использовать уже в глубокой древности. Первым природным вяжущим была глина, которая после смешивания с водой и высыхания приобретала некоторую прочность. Широкое распространение глинистых пород в природе и простота изготовления из них вяжущего материала обусловили повсеместное его применение. Однако со временем из-за слабых вяжущих свойств и малой стойкости во влажных условиях глина перестала удовлетворять требованиям строителей, и люди занялись поиском более совершенных материалов.
Более чем за 3 тыс. лет до н. э. были найдены способы получения искусственных вяжущих путем обжига некоторых горных пород и тонкого измельчения продуктов этого обжига. Первые искусственные вяжущие – строительный гипс (получаемый обжигом гипсового камня), а затем и известь (получаемая обжигом известняка) – были применены при строительстве уникальных сооружений в Древнем Египте, Мексике, Индии и Китае. Впервые широко известь стала применяться в Греции для облицовочных работ и в гидротехнических сооружениях. Но лишь в римский период началось массовое применение извести для кладочных растворов. Римляне, которые развили строительное искусство, оставив после себя знаменитые памятники древнего мира, составили и первые рекомендации по изготовлению и применению известковых растворов. Глина, гипс и известь способны твердеть только на воздухе, поэтому эти вяжущие материалы получили название воздушных. Все воздушные вяжущие характеризуются относительно невысокой прочностью. Со временем римляне научились повышать водостойкость известковых растворов, вводя в них тонкомолотую обожженную глину, дробленые или измельченные кирпичи и вулканические породы. Впервые применив вулканический пепел в качестве добавок, они изобрели «пуццолановый цемент», названный по месту залежей сырья близ города Поццуоли.
В средние века было случайно обнаружено, что продукты обжига загрязненных глиной известняков по водостойкости не уступают римским пуццолановым смесям и даже превосходят их. Началась разработка специальных месторождений известняка и глины, обращалось внимание на оптимальное соотношение этих компонентов. Только после 1844 г. пришли к выводу, что, помимо точного соотношения компонентов сырьевой смеси, необходима высокая температура обжига (порядка 1450°С) для достижения прочного соединения извести с оксидами, которое обладает гидравлическими свойствами. Луи Жозеф Вика еще в 1812 г. показал, что обожженная смесь чистой углекислой извести и глины в известной пропорции при измельчении затвердевает с водой без всяких прибавок. Позже Вика доказал, что большая часть глин может превращаться в пуццоланы вследствие обжига, поэтому продукт обжига глин назвали искусственной пуццоланой (цемянкой). Интересно, что для определения сроков схватывания цементного теста и сегодня применяется прибор, который по имени его изобретателя называется иглой Вика. Благодаря этому исследователю во Франции быстро стало развиваться производство гидравлических известей и цементов, получаемых прокаливанием естественных глинистых известняков. Еще в 1796 г. Джеймс Паркер открыл, что глинистые почвы устьев Темзы после обжигания и измельчения дают цемент, производство которого он запатентовал, назвав романским цементом. Но практическое осуществление этой мысли - приготовить гидравлический цемент из смеси глины и извести – произошло в России и Англии.
На Руси развитие производства вяжущих материалов связано с возникновением древних городов - Киева, Новгорода, Москвы и др. Вяжущие материалы использовали при возведении крепостных стен, башен, соборов. В 1584 г. в Москве был учрежден «Каменный приказ», который наряду с заготовкой строительного камня и выпуском кирпича ведал также производством извести. Также в Москве появились первые производители сухих строительных смесей, которые назывались цементом (или «сементом»). Активно использовались добавки - бычья кровь, творог, яичный белок, кизяк и другие вещества, что свидетельствует о высоких требованиях к качеству возводившихся сооружений. В Киевской Руси основным связующим материалом была известь, которую получали путем обжига известняка в специальных печах, а позже она гасилась в специальных ямах. Для приготовления строительного раствора использовалась известь разного состава: из чистого известняка получалась жирная белая известь (воздушная), а из известняка с глинистыми примесями - серая (гидравлическая, которая обладает способностью схватываться во влажной среде и использовалась при кладке). Белую известь использовали в основном при штукатурной работе. Заполнителями растворов служили мелкотолченая керамика, туф, пемза, обожженная и размолотая глина, позже мелкотолченый кирпичный бой более крупных фракций - это давало меньшую усадку при твердении и увеличивало трещиностойкость.
При восстановлении Кремля, разрушенного во время Отечественной войны 1812 г., русский строитель Егор Герасимович Челиев начал проводить эксперименты с различными материалами, чтобы найти скрепляющий состав для кирпича и камня, что привело к важному открытию: при обжиге в горне на сухих дровах смеси извести и глины до «белого жару» (при температуре свыше 1100-1200°С) получался спекшийся продукт, обладавший в измельченном виде высокими механическими свойствами и способностью твердеть в воде. Так Челиев стал изобретателем современного цемента.
В 1824 г. Джозеф Aспдин, британский каменщик, получил патент на «усовершенствованный способ производства искусственного камня». Изобретатель нагрел смесь хорошо подробленного известняка и глины в кухонной печи, после раздробил комок смеси в порошок и получил гидравлический цемент, который затвердел при добавлении воды. Aспдин назвал полученный продукт портландцементом, потому что при производстве он использовал камни с карьера, который находился на острове Портланд. Однако только 30 лет спустя после этого открытия английские портландцементы получили распространение, а затем и преобладание. Толчок дала Лондонская всемирная выставка 1851 г., после которой на континенте весь портландцемент назывался английским.
Полученное Аспдином вяжущее не было портландцементом в современном смысле этого слова, а представляло собой разновидность романцемента, полученного при несколько повышенной температуре обжига (900-1000°С), однако название «портландцемент» сохранилось и поныне. Гидравлическое вяжущее, описанное Е. Г. Челиевым, ближе по свойствам к современному портландцементу, а по качеству превосходило портландцемент Аспдина. Со второй половины XIX в. портландцемент прочно вошел в строительную практику. В России над его созданием и совершенствованием много работал А. Р. Шуляченко, которого называют отцом русского цементного производства. Его заслуга состоит в том, что высококачественные отечественные портландцементы почти полностью вытеснили в России цементы иностранного производства.
В 1856 г. был пущен первый в России завод портландцемента, который расположился в г. Гроздеце, затем были построены заводы в Риге (1866), Щурове (1870) и др. городах. В начале XX в. в России работало 60 цементных заводов общей производительностью около 1,6 млн т цемента. Однако после Первой мировой войны большинство цементных заводов было разрушено. После Октябрьской революции развитию цементной науки уделялось большое внимание, ведь цементная промышленность является базовой в обеспечение экономической мощи страны. Уже в 1962 г. СССР занял первое место в мире по выпуску цемента. К 1971 г. производство цемента в стране превысило 100 млн т. Средняя мощность цементного завода в СССР была почти в 2 раза выше, чем в США, и на 30% выше, чем в Японии.
Сегодня Россия занимает пятое место в мире по объемам производства цемента, уступая Китаю, Индии, США и Японии. Главным недостатком современных российских цементных заводов является то, что они используют более энергоемкий мокрый способ производства цемента, чем используемый в развитых странах мира сухой способ. Поэтому для компаний важно постепенно переходить на более прогрессивные энергосберегающие технологии. В настоящее время в нашей стране выпускается около 30 видов цементов, одновременно повышается качество цемента, растет средняя его марка. Сбывается предсказание Д. И. Менделеева, занимавшегося вопросами химии силикатов и писавшего в 1891 г., что цемент, составляющий одно из важнейших приобретений между приложениями химии к потребности жизни, есть строительный материал будущего. Дальнейшее увеличение выпуска цементов и других вяжущих материалов обеспечивается реконструкцией и расширением действующих предприятий, строительством новых, интенсификацией и модернизацией технологических процессов, повышением мощности и автоматизацией производства.
Обзор подготовила Елена Михаленко