История цемента: от древних цивилизаций до современных технологий

В этом году мы празднуем 200-летие важнейшего материала, без которого не обходится ни одна стройка, – цемента. 21 октября 1824 года Джозеф Аспдин, английский каменщик, зарегистрировал патент на вяжущее, которое получило название портландцемент.

Цемент – это материал, который играл ключевую роль в развитии архитектуры и строительства на протяжении тысячелетий. Его история начинается еще с древних цивилизаций, и на протяжении веков формула цемента становилась всё более совершенной, что позволило человечеству возводить всё более сложные и долговечные сооружения.

Первые вяжущие материалы: гипс и известь

Использование минеральных вяжущих в строительстве можно проследить ещё с времён неолита. Уже тогда люди применяли пластичные составы на основе природных материалов, таких как глина, в сочетании с армирующими компонентами – песком, соломой и тростником. Однако настоящим революционным шагом стало использование искусственных вяжущих веществ, таких как гипс и известь.

Примерно 3000–4000 лет до н.э. строители Египта, Индии, Китая, Греции и Рима научились обжигать горные породы для получения новых материалов, которые использовали для создания архитектурных шедевров. В Древнем Египте гипс применяли для покрытия стен и полов, а в Греции и Риме известь стала основным компонентом для создания бетона.

Так ИИ видит первые римские постройки

Несмотря на то, что впервые широко известь стала применяться в Греции для облицовочных работ и в гидротехнических сооружениях, ее массовое применение для кладочных растворов началось лишь в римский период. Именно римляне развили строительное искусство, оставив после себя знаменитые памятники древнего мира.

Одним из самых известных примеров древнеримского строительства с применением цементоподобных материалов является Пантеон, чья куполообразная крыша до сих пор считается техническим чудом.

«Семент» Руси: зарождение традиций

В древней Руси основным связующим материалом была известь. Получали ее путем обжига известняка в специальных печах, которая позже 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.

Так ИИ представляет себе Древнюю Русь

Заполнителем растворов являлась цемянка, т.е. мелкотолченая керамика. Использовалась как специально обожженная и затем размолотая глина, так и недообожённый кирпич, а позже мелкотолченый кирпичный бой более крупных фракций. Это давало меньшую усадку при твердении и увеличивало трещиностойкость. Интересно, что в раннем зодчестве в строительных растворах в качестве заполнителя песок практически не использовался.

Уже в 1584 году на Руси был создан «Каменный приказ» – государственное учреждение, которое занималось производством строительных материалов. В его ведении было изготовление извести, кирпича и специальных строительных смесей, известных как «семент». Смеси часто включали в себя необычные добавки, такие как кровь животных, творог, яйца и даже кизяк. Эти компоненты свидетельствуют о высоких требованиях к прочности и качеству строительных материалов того времени.

Научные открытия XVII-XVIII века

Несколько тысячелетий гипс и воздушная известь были единственными вяжущими материалами. Однако они отличались недостаточной водостойкостью. Развитие мореплавания в XVII-XVIII вв. стало мощным стимулом для создания новых водостойких вяжущих материалов. Необходимость в них была особенно велика для возведения портов, маяков, доков и других сооружений, требующих устойчивости к воде и способности твердеть под ее воздействием.

Так ИИ видит торговый порт

Одним из ключевых открытий стало выявление роли кислорода в процессе горения. Джозеф Пристли в 1774 году открыл этот элемент, что стало основой для создания научной базы производства известковых вяжущих веществ. Его работы, а также исследования Джозефа Блэка, профессора химии и анатомии из Шотландии, и Джона Смитона, инженера, известного строительством маяка Эдистона, привели к значительному прогрессу в понимании химических процессов, лежащих в основе производства цемента.

Римский цемент: начало промышленной эры

К концу XVIII века британский инженер Джеймс Паркер, благодаря работам своих предшественников, в частности, трудам Джозефа Пристли, запатентовал так называемый «римский цемент». Этот материал, получаемый из обожжённого и измельчённого мергелистого известняка, отличался высокой прочностью и скоростью твердения.

Паркер установил, что глинистые почвы устьев Темзы с 30-35% глины после обжигания и измельчения дают цемент, на производство которого он и взял патент, назвав свой цемент – романским (римским). Несколько лет спустя такое же открытие было сделано французами в Булони.

Материал нашел широкое применение в строительстве благодаря своим водостойким свойствам, что сделало его особенно полезным для возведения гидротехнических сооружений.

Более того, столь высокие технические свойства разработанного вяжущего позволили автору основать цементный завод в Лондоне под названием «Паркер и КО».

Так ИИ представляет себе старинный цементный завод

Портландцемент: новое слово в строительстве

Изобретение портландцемента в мире связывают с именем английского каменщика Джозефа Аспдина (1779—1855 гг.). В 1824 году он запатентовал новый тип цемента, «лучшее» вяжущее, которое назвал портландцементом. Этот материал получил своё название за сходство с известняком, добываемым на острове Портленд.

Согласно запатентованному способу, тонкоизмельченная смесь известняка и глины после предварительного высушивания в передвижном противне подвергается обжигу «до тех пор, пока углекислота полностью не выделится» с последующим помолом продукта в тонкий порошок и использованием при смешивании с достаточным количеством воды в качестве вяжущего материала «для желательных целей».

Хотя цемент Аспдина был скорее разновидностью гидравлической извести, его изобретение стало важным шагом к созданию современного цемента. Настоящий портландцемент, известный нам сегодня, был создан несколько позже, когда стали использовать более высокие температуры обжига и точное соотношение извести и глины.

Русский вклад в цементную науку

Одним из отечественных пионеров в области цемента стал Василий Михайлович Севергин. В 1801 году он выпустил «Пробирное искусство» – руководство по исследованию руд и ископаемых материалов, где описывались методы анализа вяжущих веществ. Его последующие работы в области кристаллографии заложили основы для изучения структуры цементных материалов.

Интенсивное развитие промышленности в России в XVIII в., когда было построено 3 тысячи промышленных предприятий, не считая горных заводов, потребовало систематизации накопленного опыта производства и применения вяжущих, создания более эффективных их видов. И в 1807 году академик В.М. Севергин дал описание вяжущего вещества, получаемого обжигом мергеля с последующим размолом. Полученный продукт по качеству был лучше роман-цемента.

Но ключевым вкладом России в развитие цемента стал труд Егора Герасимовича Челиева. В 1825 году он впервые описал оптимальные соотношения компонентов для производства цемента и предложил методы повышения прочности материала. Его «Трактат о строительных растворах» обобщил опыт восстановления Кремля после пожара 1812 года, когда цемент использовался для восстановления стен и башен Москвы.

Кстати, в отличие от Джозефа Аспдина, Е.Г. Челиев дает вполне конкретное соотношение сырьевых компонентов (около 1:1) и более рациональный режим обжига («до белого каления»), что соответствует температурному интервалу 1100—1200 °С. Эти отличительные признаки позволили получить принципиально новое вяжущее.

Так ИИ изобразил русского ученого

Совершенствование технологий в XIX–XX веках

В XIX веке цементная промышленность стала стремительно развиваться. В 1856 году в России был построен первый цементный завод, который положил начало целой индустрии. Вскоре заводы по производству цемента появились в разных уголках Российской империи, что позволило активно использовать этот материал при строительстве крупных объектов.

К концу XIX века британский инженер Исаак Джонсон разработал первые вращающиеся печи для производства цемента, что значительно повысило эффективность этого процесса. А в начале XX века во многих странах мира начались эксперименты с новыми типами цементов и способами их производства.

Уже в 1940-х годах советские учёные разработали гидрофобный цемент, который обладал улучшенными водоотталкивающими свойствами.

Современные технологии и экологические вызовы

С начала XXI века цементная промышленность столкнулась с новыми вызовами, связанными с экологией. Европейский Союз и другие страны начали внедрять строгие стандарты по снижению выбросов углекислого газа.

Экологическая повестка

Так, в 2005 году Евросоюз представил принципиально новую экологическую политику. Согласно документам ЕС, «система торговли разрешениями на выбросы ЕС» (The EU emissions trading system, EU ETS) является краеугольным камнем политики ЕС по борьбе с изменением климата и ее ключевым инструментом для рентабельного сокращения выбросов парниковых газов. Это первый в мире крупный углеродный рынок, и он остается крупнейшим». Эта политика, которая в настоящее время находится на третьем этапе развития, устанавливает цели по сокращению выбросов CO2 в определенных отраслях индустрии, включая цементную промышленность.

Некоторые отрасли, такие как цементная, получают бесплатные квоты на выбросы парниковых газов, которые не взимаются с производителя. Они были введены, чтобы препятствовать «утечке углерода» из-за импорта цемента из стран, которые могли бы несправедливо получить преимущества в конкуренции с производителями ЕС из-за того, что в них не установлена плата за выбросы CO2.

Развитие новых технологий в мире шло в соответствии с «Дорожной картой технологий: переход на низкоуглеродные технологии в цементной промышленности» (Technology Roadmap: Low-Carbon Transition in the Cement Industry), разработанной CSI и опубликованной Международным энергетическим агентством (the International Energy Agency, IEA) и WBCSD.

Актуальная экологическая повестка привела к развитию низкоуглеродных технологий производства цемента, в том числе с использованием альтернативных видов топлива. При этом современные технологии, такие как вертикальные мельницы и роллер-прессы, позволяют производить цемент с минимальными затратами энергии, что делает этот процесс более экологически безопасным. Так, например, болгарский завод Девня станет первым производителем безуглеродного цемента в Восточной Европе. Механизм пограничной углеродной корректировки, который коснется экспортеров электроэнергии, алюминия, цемента, удобрений, водорода, железа и стали в ЕС, в том числе из Западно-балканских стран, будет поэтапно вводиться с 2026 года.

Цифровизация

Кроме того, XXI век характеризуется непрерывным развитием цифровых технологий, которые находят все большее применение в цементной отрасли. Во многих странах внедряются системы автоматизации и контроля, которые позволяют оптимизировать производство, сократить затраты энергии и повысить эффективность процессов. В России цифровизация также набирает обороты. Крупные цементные заводы начинают интегрировать автоматизированные системы управления производственными процессами. В частности, компания ЦЕМРОС прямо сейчас проводит цифровую трансформацию на всех своих предприятиях, а одним из ключевых ИТ-проектов ЦЕМРОСа стали цифровые помощники, которые подсказывают оператору технологического участка оптимальный режим работы оборудования на основе анализа большого количества параметров процесса. В основе решения лежит технология машинного обучения: модель прогнозирует показатели каждые 30 минут и формирует рекомендации по достижению максимальной производительности при заданных границах качества.

3D-печать и новые строительные технологии

3D-печать из цементных композиций становится важным трендом в строительной индустрии. Она открывает новые возможности для быстрой и экономичной постройки домов и других сооружений. В таких странах, как США, Нидерланды и Китай, уже создаются экспериментальные проекты домов и мостов с использованием 3D-печати цементом.

Так мы представляем ЦЕМРОС

На сегодняшний день цементная промышленность России представляет собой динамично развивающийся сектор, полностью находящийся в частных руках. В стране действует более 50 цементных заводов, которые обеспечивают внутренний рынок стройматериалами и участвуют в экспортных поставках. Лидером отечественного цементного рынка является ЦЕМРОС, который занимает ведущие позиции в производстве строительных материалов. Компания объединяет 18 предприятий по всей стране, внедряя передовые технологии и современные стандарты качества, что позволяет ей оставаться ключевым игроком на рынке.

Несмотря на то, что со дня создания цемента прошло уже 200 лет, он остаётся важнейшим строительным материалом, который изменил мир и навсегда стал основой современной цивилизации. День цемента стал важным праздником не только для тех, чья профессия связана со строительством, но и для всех людей в целом, ведь его изобретение подарило человечеству возможность строить на века. Как древний Колизей напоминает нам о величии Римской империи, так и нынешние здания, мосты и дороги, возведенные из цемента, будут стоять тысячи лет, сохранив память о нашем времени для будущих поколений.

Изображения были сгенерированы искусственным интеллектом, а статью писал живой человек:

Юлия Романова