и давлений, известняки уплотняются, меняют свою структуру и превращаются в мрамор. Это уже метаморфическая порода («метаморфоза» означает «превращение»). Поднятые над морем массивы известняков снова подвергаются атаке воды, углекислого газа, тепла — начинается новый цикл бесконечного путешествия кальция. Вот почему иногда говорят о круговороте кальция в природе.
Но вспомним, что путешествие кальция началось с разрушения алюмосиликатов, причем кальций не возвращается снова в такие соединения. А это значит, процесс идет необратимо, и то, что мы называем циклом, кругом, круговоротом, — достояние лишь определенного геологического периода.
Кальций, кроме того, играет огромную роль в круговороте углерода: 99,82 процента углерода земной коры содержится в осадочных породах, то есть в значительной степени связано именно с кальцием.
Представим себе, что жизнедеятельность растений и животных, горение и другие процессы не возобновляли бы в атмосфере запасы углекислого газа. Тогда потребовалось бы всего 1800 лет, чтобы весь наличный CO2 был бы связан кальцием и другими металлами.
Ну, а что же «бедные родственники» кальция — барий и стронций? Их судьба похожа на судьбу кальция. Эти элементы тоже в виде сульфатов и карбонатов попадают в воду и затем в осадочные породы. В общих чертах они путешествуют по тем же «маршрутам», что и их вездесущий родственник.
Элемент-строитель
Когда человек, не довольствуясь уже готовыми дарами природы, начал строить каменные жилища сам, по-видимому, в качестве строительного материала он использовал прежде всего известняк. Ведь его много, он достаточно прочен и в то же время легче поддается обработке, чем другие твердые породы.
Из известняковых плит сложены знаменитые египетские пирамиды. Наши южные города — такие, как Одесса, Евпатория, — строились из известняка. А Москва — ведь она потому и называлась белокаменной, что стены ее слагались из подмосковных известняков!
Сооружения древних времен возводились без применения каких-либо веществ, скрепляющих, «склеивающих» камни друг с другом. Прочность кладки обеспечивалась идеальной подгонкой, пришлифовкой камней. Трудно себе даже представить, какую титаническую работу приходилось при этом проделывать. Готовить вяжущие материалы люди научились гораздо позже. И в этом им снова пришел на помощь кальций.
Если природный гипс CaSO4·2H2O нагреть до 150 градусов, то часть его кристаллизационной воды удаляется. Получившийся гидрат с меньшим содержанием воды 2CaSO4·2H2O может «возвратить» себе потерянную воду. Практически такой «жженый», как его называют, гипс, или алебастр, размешивают с водой и полученную массу используют в качестве вяжущего материала для штукатурных работ и т. д. По мере того как вода «возвращается» в молекулу кристаллогидрата, происходит затвердевание массы.
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.
Если воду взять в избытке, образуется «известковое молоко». К нему добавляют еще песок и полученную массу (строители называют ее «раствором») используют для скрепления камней или кирпичей в строительстве.
Как происходит схватывание, затвердевание такой массы? Главную роль при этом играет поглощение углекислого газа из воздуха:
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O.
Частично также образуются силикаты за счет песка, имеющегося в массе:
Ca(OH)2 + SiO2 = CaSiO3 + H2O.
Легко понять, почему отвердение известкового раствора происходит медленно: углекислого газа в воздухе не так уж много, а главное — при схватывании выделяется вода, на просыхание которой необходимо значительное время. Да и прочность извести после затвердевания сравнительно невысока.
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 45–60 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
