Если нагреть гипс выше 500 градусов, он полностью обезвоживается и теряет способность присоединять воду обратно. За это его и называют «мертвым» гипсом. Если же продолжать нагревание, доводя температуру до 1000 градусов и более, то получается новый вяжущий материал так называемый гидравлический гипс. Это уже более сложное вещество: прокаливание при такой высокой температуре ведет не только к полной потере воды, но и к частичной потере серного ангидрида, который был связан в молекуле гораздо прочнее, чем кристаллизационная вода. Теперь образуется соль, в которой количество основного окисла CaO превышает количество кислотного окисла SO3. Нормальная соль CaSO4 превратилась в основную, состав которой выражается приближенной формулой xCaSO4·yCaO.
Если добавить воду к гидравлическому гипсу, она присоединяется к основной соли, получающиеся кристаллы переплетаются друг с другом, давая очень прочную массу, устойчивую к действию воды (недаром
же гипс гидравлический!) и колебаниям температуры. Этот вяжущий материал был известен людям очень давно: в Египте он применялся уже 4 тысячи лет назад.
С древних времен используется людьми в качестве вяжущего вещества и известь. В наше время ежегодно расходуют десятки миллионов тонн извести. Для приготовления извести обжигают известняк в больших печах при температурах около 900 градусов. Чтобы превратить известь в вяжущий материал, ее «гасят» водой:
CaO + H2O = Ca(OH)2.
Как происходит схватывание, затвердевание такой массы? Главную роль при этом играет поглощение углекислого газа из воздуха:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O.
Ca(OH)2 + SiO2 = CaSiO3 + H2O.
Этих недостатков лишен самый важный вяжущий материал нашего времени цемент. Это в основном смесь силикатов или алюминатов. Сырьем для получения цемента служит известняк (источник CaO) и глина (источник кислотных окислов SiO2 и Al2O3). Сырье тщательно измельчают и постепенно вводят в слегка наклоненную вращающуюся печь, в которую с противоположной стороны противотоком поступает топливо: угольная пыль или газ. Печи эти имеют довольно внушительные размеры 150 метров в длину и 3,6 метра в диаметре. Такие печи могут давать до 23 тонн цемента в час.
При сгорании топлива в печи развивается температура до 1500 градусов, исходная смесь медленно перемещается и обжигается. Известняк разлагается, давая CaO. Окись кальция реагирует с составными частями глины, образуя силикаты и алюминаты кальция. Комковатый продукт клинкер охлаждают и размалывают, после чего получается зеленовато-серая пудра цемента. Приготовленный таким способом силикатный цемент содержит CaO (около 60 процентов), SiO2 (25 процентов), Al2O3 (около 10 процентов) и Fe2O3 (около 5 процентов).
Иногда в качестве исходного вещества берут не известняк, а гипс, добавляя к нему еще уголь и, как обычно, глину. При обжиге такой смеси тоже получается цемент, но отходящие газы содержат сернистый газ, образовавшийся из гипса и используемый для одновременного получения серной кислоты.
Современное строительство предъявляет к цементу высокие требования. Во-первых, он должен хорошо схватываться после смешивания с водой. Но это схватывание не должно быть и «молниеносным», ведь нужно успеть доставить раствор к рабочему месту и уложить его. Технические условия предусматривают, что затвердевание цемента должно начинаться через 4560 минут после приготовления раствора. Нельзя допустить также, чтобы процесс затягивался. Нормальным считается, если схватывание происходит в течение 12 часов. В дальнейшем прочность массы возрастает.
Чтобы оценить качество цемента, его марку, через четыре недели массу испытывают на сжатие. Лучшие марки силикатного цемента выдерживают нагрузку до 600 кг/см2.
Процесс затвердевания цементных растворов похож на тот, что обусловливает схватывание алебастра: силикаты кальция присоединяют воду, давая твердые кристаллогидраты. Здесь происходят также и другие, более сложные химические и физико-химические изменения. Важно отметить, что для затвердевания цемента (его еще называют «портландцемент») необходима не слишком низкая температура. Поэтому в зимнее время приходится принимать специальные меры для обогрева строящихся сооружений.
Если взять в обжиг глину с малым содержанием SiO2, то получается глиноземистый цемент, состав которого уже другой: CaO (около 40 процентов), Al2O3 (около 40 процентов), Fe2O3 (1015 процентов) и только 510 процентов SiO2. В этом цементе главной составной частью является не силикат, а алюминат кальция. Если глина, используемая в качестве исходного сырья, содержит слишком много SiO2, то в шихту добавляют железную руду, благодаря чему SiO2 удаляется, связавшись с железом в силикат.
Очень существенная особенность глиноземистого
цемента его быстрое схватывание. Кроме того, присоединение воды к алюминату кальция CaO·Al2O3 сопровождается выделением тепла. А это очень важное обстоятельство; в зимнее время применение такого цемента не требует специальных мер по утеплению. Уже через сутки после приготовления раствора прочность затвердевшего цемента достигает 500600 кг/см2.