Первые каменные сооружения, воздвигнутые в глубокой древности, складывались из больших неотесанных каменных глыб или отесанных камней, которые плотно пригонялись друг к другу и держались собственной тяжестью.
Иногда пытались связывать камни между собой железными скобами. Однако такими способами невозможно было строить прочные монументальные здания.
С течением времени для упрочнения каменной кладки стали пользоваться сначала глиной, а позднее известью и гипсом. Уже 5 тыс. лет назад египтяне готовили из смеси извести и гипса строительные растворы, в Древнем Египте употреблялся и раствор извести без гипса. Известковым раствором широко пользовались в Древнем Китае. Башни Великой китайской стены, постройка которых началась за 300 лет до нашей эры, были сложены на известковом растворе.
На Руси производство извести, как это доказано археологическими раскопками, существовало уже в X в. К этому времени относится постройка одного из замечательных памятников древнерусского зодчества — Десятинной церкви в Киеве.
В последующие столетия русские мастера создали несколько типов водоустойчивых известковых растворов. Они добавляли к извести толченый кирпич, черепки глиняной посуды, песок. В этих добавках содержатся кремнезем и глинозем, которые, вступая с известью в реакцию, образуют сложные химические соединения (гидросиликаты и гидроалюминаты), более водостойкие, чем известь.
В начале XVIII в. в России уже в промышленном масштабе готовили из смеси сухой пушонки с мелкоизмельченным кирпичным боем водостойкое вяжущее вещество; его называли тогда цементом или симентом.
В наше время цемент приготовляют так. В огромных вращающихся печах обжигают смесь мелкоизмельченного известняка (или мела) с размолотой глиной. Спекшуюся твердую зернистую массу (клинкер) на специальных мельницах чугунными шарами истирают в мелкий порошок. Для улучшения качества и удешевления стоимости цемента при размоле клинкера к нему добавляют до 3% гипса и до 15% гидравлических добавок — диатомита, трепела, опоки, вулканического пепла и т. п.
За годы Советской власти наши заводы стали не только изготовлять миллионы тонн цемента, но и освоили производство новых его видов. Одни из них быстро твердеют, другие дают более прочный бетон, третьи не боятся мороза, четвертые не имеют усадки.
В 40-х годах группой научных сотрудников и инженеров под руководством академика П. П. Будникова был создан быстро твердеющий цемент АГ (ангидритово-глиноземистый) . Его изготовляют, добавляя к молотому природному ангидриту или обожженному при 600— 700° С гипсовому камню мелкоизмельченный глиноземистый клинкер или доменный шлак; иногда все эти вещества размалывают вместе. Цемент АГ широко используют для изготовления крупных бетонных и железобетонных конструкций для жилищного строительства, для возведения мостовых устоев, бетонных фундаментов под мощные прокатные станы и блюминги, мартеновские и доменные печи. Выделение тепла при схватывании этого цемента без потери его прочности позволяет производить бетонирование даже в очень сильные морозы.
Прочный цемент можно получить и из природного двуводного гипса, или ангидрита, если размолоть его в порошок совместно с некоторыми добавками: известью, доломитом, доменным шлаком, портланд-цементом и др. Количество добавляемых примесей составляет 5—10% веса гипса.
Гипсовый цемент обладает повышенной прочностью благодаря тому, что мельчайшие частички сернокислого кальция, полученные при превращениях гипса в порошок, лучше растворяются в воде, образуя пересыщенные растворы. При затвердевании гипсового теста происходит перекристаллизация гипса, и мелкие кристаллики его сращиваются в твердый сросток. Из этого материала можно изготовлять архитектурные детали, пустотелые стеновые блоки и дырчатый кирпич, пригодные для строительства небольших домов и дач.
Еще более прочный цемент получается, если обожженный при 600—750 °С гипсовый камень или природный ангидрит размалываются вместе с известью, глауберовой солью, доломитом или доменным шлаком. Такой цемент называют ангидритовым. Прочность гипсовых цементов во многом зависит от природы добавок, чистоты гипсового камня и тонкости помола.
Вначале ангидритовый цемент использовался на стройках только для оштукатуривания деревянных и кирпичных стен. Теперь же из него изготовляют бетон и бетонные блоки, растворы, употребляемые при кладке стен из кирпича и камня. Этот цемент стоит значительно дешевле портланд-цемента из извести.
Уже более 100 лет строители пользуются цементом разных сортов, однако все известные до сих пор сорта, а следовательно растворы и бетоны, из них приготовленные, при схватывании и твердении уменьшаются в объеме, т. е. дают усадку. Усадка цементов приносит много неприятностей: в штукатурке появляются мелкие трещины, бетон становится проницаемым для воды. Для борьбы с усадкой цемента устраивают специальные швы в сводах, арках, крупных конструкциях. В некоторых случаях, например для заполнения швов тюбингов метрополитена, а также для сборных железобетонных конструкций, требуется цемент, который не только не уменьшается в объеме, а, наоборот, может расширяться.
Советские химики создали водонепроницаемые, безусадочные и расширяющиеся цементы из глиноземистого цемента и высокопрочного гипса или извести.
Подводные сооружения, стены и фундаменты в сырах местах часто строят из известково-пуццоланового цемента. Он состоит из молотой негашеной или гашеной извести (20—30%) и вулканической породы (70—80%); иногда добавляют 5% гипса. Свое название цемент получил от итальянского местечка Пуццуоли на берегу Неаполитанского залива, где издавна известны вулканический туф и пепел, которые в технике называют пуццоланами.
Из специальных видов цемента большой популярностью пользуется у нефтяников тампонажный цемент, идущий на цементирование буровых нефтяных скважин.
Так кальций в составе разных цементов «трудится» в самых разнообразных отраслях народного хозяйства. Не отстает от него и магний. Все шире применяется в промышленности магнезиальный портланд-цемент. Он отличается от обычного большим содержанием окиси магния (до 10%) в клинкере. Магнезиальный цемент производят в таких же печах, смесителях, дробилках, как и портланд-цемент. Единственное, пожалуй, отличие — очень тщательная дозировка компонентов сырьевой смеси и более быстрое охлаждение клинкера.
Подобно обычному цементу, магнезиальный портландцемент применяется для изготовления бетонных и железобетонных конструкций. Получают его, измельчая клинкер, который в свою очередь готовится обжигом искусственной смеси известково-магнезиальных и глинистых пород. При помоле добавляют немного гипса для регулирования сроков схватывания.
Магнезиальные цементы типа Сореля приготовляют из окиси магния, которую получают обжигом природного магнезита (при 750—850° С) или доломита (при 650—800°С). Во время обжига магнезит разлагается на MgO и СО2.
Окись магния более высокого качества получают из морской воды или рапы соляных озер (потому она и называется рапной). За рубежом есть много таких заводов; у нас окись магния из морской воды получают, например, на Сиваше. Морскую воду или рапу обрабатывают известковым молоком; выпадающая в осадок гидроокись магния прокаливается при невысокой температуре.
Окись магния в воде малорастворима, и, если готовить магнезиальный цемент на чистой воде, процесс гидратации протекает очень медленно. Поэтому для затворения обычно используют водные растворы хлористого или сернокислого магния и других солей. Чаще всего, однако, употребляют раствор MgCl2.
В цехах промышленных предприятий можно нередко увидеть бесшовные, или ксилолитовые, полы (от греч. «ксилос» — дерево, «литое» — камень). Еловые или сосновые опилки смешивают с окисью магния, добавляют асбест, тальк, трепел, иногда кварцевый песок и затворяют водным раствором MgCl2. Полученную массу наносят на деревянное, бетонное или каменное основание. Эти полы могут быть окрашены в любой цвет. Краситель вводится в массу при подготовке смеси. Ксилолитовые полы плохо проводят тепло, мало истираются, гигиеничны, негорючи и долговечны. Из подобной же массы изготовляют облицовочные плитки, ступени.
Магнезиальный цемент успешно применяется в производстве фибролита — ценного теплоизоляционного материала. Окись магния, затворенную водным раствором MgCl2, смешивают с древесной шерстью, кострой, кенафом или другим волокнистым материалом, нагружают в деревянные или металлические формы и прессуют. Отпрессованные плиты или блоки сушат 6—7 часов при 60—70° С и еще 8 часов при 80—90° С и усиленной вентиляции.
Фибролитовыми плитами утепляют стены и заполняют перекрытия и полы, обшивают стены и потолки под штукатурку. Пористые и пустотелые теплоизоляционные материалы (пено — и газомагнезиты) изготовляют, добавляя в процессе затворения к магнезиальному цементу пенообразователи (стоярный клей, канифоль и др.).