Что такое цементы? Это группа особых порошкообразных материалов искусственного происхождения, обладающих вяжущими свойствами, Взаимодействуя с обычной водой, соляными растворами и вообще с любой жидкостью, порошок цемента сначала преобразуется в полужидкую пластичную смесь, а затем твердеет до прочности, не уступающей прочности камня. Недаром полностью затвердевшую массы именуют цементным камнем.
Человек начал использовать первое натуральное вяжущее вещество, еще не имея представления об этом термине. На практике было замечено, что размокшей глине (и даже глинистой жирной земле) легко придать нужную форму, которая сохранится и после высыхания. Так появились первые постройки из глины - несовершенные по форме и не особо прочные, они стали далекими предками современных зданий. Воодушевленные открытием, люди стали экспериментировать с другими природными вяжущими.
Как и в других областях человеческих изысканий, в истории цемента были свои пионеры, значительно опережавшие время. Так, возле Дуная в Югославии (в современной географии) археологи нашли древнюю хижину, пол которой был... бетонным! Более 7 тысяч лет назад живший в каменном веке строитель залил пол смесью, слоем до 0,4м, в которую входили гравий и, как вяжущее - красная известь местных сортов. Находка действительно уникальная: повсеместное использование извести как вяжущего началось значительно позднее.
Строители древнего Египта, Китая и Индии еще в III тысячелетии до нашей эры знали о вяжущих свойствах природной извести и использовали ее, но не в столь широких масштабах. Предпочтение отдавалась искусственному компоненту с вяжущими способностями - гипсу. Парадоксальная на первый взгляд ситуация разъясняется просто: на Востоке издавна привыкли экономить дефицитное топливо, а для обжига извести его требовалось гораздо больше, чем для производства строительного гипса: для последнего вполне достаточной является температура от 150 до 190 градусов. Иногда эти материалы совмещались; по мнению ученых, знаменитые пирамиды фараонов возведены с помощью именно гипсово-известковых строительных растворов.
Гораздо активнее использовали известь древние греки: и в гидротехнических работах, и для отделки зданий. А чуть позже римляне практически полностью перешли на строительные растворы для кладки, приготовляемые на основе извести.
В пользу строительного гения мастеров Древнего Рима свидетельствует тот факт, что многие сооружения римской эпохи сохранились до наших дней. В записях того времени найдены первые «технологические описания», согласно которым изготавливались известковые смеси для строительства. Из тех времен пришел и термин «цемент пуццолановый»: именно римляне впервые использовали вулканический пепел, в огромных количествах залегающий возле городка Поццуолли.
Предки-славяне, жившие во времена Киевской Руси, также предпочитали в качсетве вяжущего известь разных сортов - благо, известняка на родных просторах хватало. Известняк сперва обжигали в особых, нарочно построенных печах, а затем укладывали в ямы для гашения. Уже тогда стройматериалы подвергались градации: обрабатывая чистый известняк, люди получали белую, «воздушную» известь, прекрасно подходящую для отделочных работ. Если же к известковой породе подмешивались глины, «на-гора» выходила так называемая серая известь - не столь красивая, но способная затвердевать даже при высокой влажности. Именно ее чаще всего применяли в растворах для скрепления каменной кладки. Впрочем, материалы могли и варьироваться - в зависимости от наиболее актуальных целей строительства; древние славяне руководствовались теми же рациональными соображениями, что и сегодняшние специалисты стройки.
Как наполнитель цементных растворов, на заре истории цемента применялась цемянка. Так называлась измельченные керамические и природные материалы различных фракций и различного происхождения: это могла быть как собственно керамика, так и толченая пемза (или туф), предварительно обожженная и молотая глина, немного позднее - растолченный бракованный кирпич. Не слишком мелкая кирпичная фракция делала раствор более устойчивым к трещинам и менее склонным к усадке, почти в пыль перемолотая глина добавляла гидравлических свойств. Повсеместно использовали толченый кирпич (сурки, как его называли), перемешанный с известью, в Индии и других древних странах. Возможно, древние люди более экономно относились к природным ресурсам: как ни странно, но натуральный песок почти не употреблялся как наполнитель при изготовлений строительных растворов. Его место занимала крошка алебастра, а как вяжущее наряду с известью использовался гипс.
Четыреста с лишним лет тому назад в Москве стали появляться профессиональные производители «семента» - сухой основы строительных растворов. Учрежденный в 1584 году «Каменный приказ» контролировал не только производство и заготовку стеновых материалов (камня, кирпича), но и известковое производство. Читая «рецепты» того времени, можно только поражаться фантазии и находчивости предков, стремящихся к наиболее качественному результату: для крепости в раствор добавляли не только классический белок яиц, но и творог, кровь быка, кизяк и другие порой совершенно неожиданные, но дававшие потрясающий эффект компоненты.
Начало 19 века ознаменовалось подведением научной базы под производство цемента. Немецкий профессор Иоганн Непомук Фукс, специалист в области химии и минералогии, в 1829 г. обнародовал результаты своих изысканий: для изготовления цемента (гидравлического) может подойти любой минерал кремнеземистой группы - после соответствующего обжига. То есть, вместе с реабилитированной глиной ряды сырья для цемента пополнили граниты и гнейсы, порфиры, слюда и полевой шпат. Конечно, свойством затвердевать в известковом растворе обладали и «чистые» представители кремнеземистых минералов - халцедон и горный хрусталь, но такие растворы стоили бы гораздо дороже, чем возводимое с их помощью сооружение.
У Фукса были предшественники, занимавшиеся исследования в своих областях. В 1812 году, пока Наполеон занимался войнами, инженер из той же Франции Луи Жозеф Вика выяснил: если смешать чистую известь с глиной в правильной пропорции, обжечь и измельчить, то при добавлении воды смесь превратится в камень безо всяких дополнительных компонентов. Через несколько лет этот же ученый поставил серию опытов, доказавших способность любых известково-глинистых минералов после воздействия высоких температур выделять вяжущую (гидравлическую) известь.
Продолжив свои исследования, Луи Вика сумел опытным путем подтвердить, что почти любая из глин при обжиге может трансформироваться в пуццолан - то есть, приобрести способность твердеть при попадании воды. Научные исследования мергелей, известняком и глин, залегающих на территории Франции, не только принесли известность ученому, но и резко двинули вперед французское производство в области цементов и гидравлической извести.
В отличие от интересующихся лишь наукой французских ученых, английский подданный Джеймс Паркер не только выяснил, что в устье Темзы находятся насыщенные глиной почвы, пригодные для изготовления цемента, но и получит патент на производство этого стройматериала. «Романский цемент» - так назвал свой продукт романтичный англичанин. Когда через несколько лет подобное открытие было сделано в Булони, французской провинции, название уже закрепилось. С тех пор все цементы этого типа носили имя «романские»; в основном, это были быстросхватывающиеся смеси, хотя и не без исключений. Увы, неоднородность глинисто-известковых залежей серьезно влияла на качество цемента, доставляя производителям значительные проблемы. Но, как всем известно, нет худа без добра: попытки преодолеть сложности привели к новым важнейшим открытиям.
Природа заботится о своих нуждах, а не о потребностях человека. В этом более сотни лет назад убедились производители цемента: известные залежи мергелей оказались весьма неоднородны по составу, что было крайне неудобно. Ведь если в известняке мало глины - из него получится отличная гидравлическая известь, если много - какой-то подвид гидравлического цемента. А что делать, если породы с разным содержанием глины беспорядочно перемешаны? Конечно, искусственно готовить смесь, которая станет наиболее оптимальной по составу. В свое время Вика доказал, что подобное возможно, но осуществили идею не легкомысленные французы, а практичные предприниматели Англии и России. Единственной данью первопроходцу осталось наименование прибора, позволяющего тестировать сроки отвердения цементных растворов: «игла Вика».
Наука и история всегда развивались за счет подвижников, и история цемента - не исключение. Российский ученый Е.Г. Челиев внес огромный вклад в отечественное строительное дело, выпустив в Петербургском издательстве уникальные книги: «Трактат об искусстве приготовлять хорошие строительные растворы» (1822) и «Полное наставление, как приготовлять дешевый и лучший мертель или цемент, весьма прочный для подводных строений (1825). В основу последней книги легли практические знания по более эффективному использованию вяжущих, накопленные в процессе разрушенного нашествием Наполеона Московского Кремля.
Как истинный патриот Российской Империи, Егор Герасимович просто не мог спокойно смотреть на разрушения, причиненные войной 1912 года. Восстанавливая после пожара столицу России, он усиленно искал наиболее качественный строительный скрепляющий раствор, чтобы восстановленные здания стояли «пуще изначальных». Энтузиазм увенчался открытием: Челиев обнаружил, что если смесь глины и извести накалять в горне «до жару белого», используя звонкие сухие дрова, то результатом станет спекшийся в единую массу совершенно новый продукт. При измельчении и последующем смешивании с водой, он имеет способность быстро отвердевать и отличную крепость. Стоит заметить, что «белый жар» - температура от 1100 до 1200оС. А «новый продукт», открытый Егором Герасимовичем Челиевым - не что иное, как первый вид цемента в его современном понимании.
Не многие сегодня знают, что популярный портландцемент был изобретен за 30 лет до начала его широкого использования. Специалист по каменному строительству, англичанин Джозеф Aспдин, еще в 1824 году провел нехитрый опыт: у себя на кухне хорошенько нагрел в печи смешанные в определенных пропорциях известняк (привезенный с острова Портланд) и глину, и после измельчения результата получил порошок, великолепно отвердевающий при добавлении воды - гидравлический цемент. По достоинству оценено это изобретение было лишь в 1951 году, после Всемирной Лондонской выставки; с тех пор портландцемент всех разновидностей традиционно именуют «английским».
Ради исторической справедливости надо пояснить: вяжущее вещество, которое получил в результате своих опытов Аспдин, портландцементом в полной мере отнюдь не являлось - по крайней мере, в сегодняшнем понимании термина. По сути, это была всего лишь качественная, обожженная при более высоких температурах, разновидность романского цемента; к свойствам нынешнего портландцемента гораздо ближе смесь, рецепт которой описан в трудах Е. Г. Челиева. Более поздняя плеяда русских ученых подхватила и развила идеи Егора Герасимовича: над темой цемента работали А.А. Байков и Р.Л. Шуляченко, В.А. Кинд и П.П. Будников, В.Ф. Журавлев, В.Н. Юнг, С.И. Дружинин и другие умы нашего государства. Даже великий Дмитрий Иванович Менделеев, создавая книгу «Основы химии», уделил внимание цементам в связи с химией силикатов.
Советские времена оказались временем расцвета для отраслей науки, занимающихся цементов: руководство молодой страны прекрасно осознавало исключительную важность производства цемента для отечественной экономики. Развивались специализированные научные направления, возникали профильные организации, перспективам цементной отрасли уделялось огромное внимание.
Неразбериха 90-х и последующих годов привела к плачевному результату: практический и научный потенциал отрасли утрачен, как минимум, на 70-75%. И оставшейся четверти, кое-как поддерживающей научные разработки в области производства цемента, просто не выжить без серьезных инвестиций со стороны как государства, так и наиболее заинтересованной стороны - производителей современного цемента.
