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 (10–15 процентов) и только 5–10 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 500–600 кг/см2.
В наше время значение цемента не ограничивается использованием его для скрепления кирпичей или камней в кладке. При добавлении в цементное тесто щебня, гравия, шлака получается самостоятельный строительный материал — бетон. Смеси, приготовленной в специальных приспособлениях — бетономешалках, можно придать любую форму. На бетонных заводах так изготовляют плиты, крупные блоки, детали сложного профиля. Использование железного скелета — арматуры — позволяет резко улучшить механические свойства бетонных изделий. Сейчас изделия из железобетона в больших количествах производятся нашей промышленностью строительных материалов.
Мы уже говорили, что глиноземистый цемент выделяет тепло при схватывании. Это полезное свойство иногда становится большим недостатком. Одно дело, когда раствор кладут тонким слоем. Тогда тепло легко и равномерно отводится в окружающее пространство. А представьте себе, например, строительство большой гидроэлектростанции. Здесь в тело будущей плотины укладываются за небольшое время огромные массы бетона. Понятно, что отвод тепла затруднен и внутри бетонного массива температура может повыситься до 80 и более градусов. В этих условиях присоединение воды происходит так, что образуются очень крупные кристаллы гидратированного алюмината, а это в три-четыре раза снижает прочность конструкции. Как же быть?
Вспомним, что при высокотемпературном обжиге природного гипса образуется «мертвый» гипс. Но «мертвый» лишь по отношению к воде. Если 25–30 процентов такого гипса (его называют «ангидрит») добавить к глиноземистому цементу, он взаимодействует с алюминатом кальция в присутствии воды, давая соединение приблизительного состава 3CaO· Al2O3·3CaSO4·H2O. Эта реакция требует повышенной температуры, которая как раз и развивается при твердении глиноземистого цемента. Таким образом, тепло, которое могло бы повредить прочности сооружения, используется внутри самого массива бетона. Кроме того, ангидрито-глиноземистый цемент приобретает и еще одно важное свойство — устойчивость к морской воде, богатой различными солями и потому особенно агрессивно действующей на различные портовые сооружения.
Чтобы бетонные сооружения были прочными, недостаточно только приготовить бетон из высококачественного цемента, его еще нужно уложить в нужное место и уплотнить. Еще не так давно такое уплотнение бетона производилось исключительно вручную — с помощью трамбовок. Сейчас для этой цели применяют специальные вибраторы, передающие свои колебания массе бетона, заставляя ее уплотниться, оседать.
Современные требования к изделиям из бетона очень разнообразны. Для жилищного строительства у нас недавно начал применяться пенобетон, при изготовлении которого специально добиваются максимальной пористости массы. Плиты из такого материала плохо проводят тепло и звук. Цемент в сочетании с волокнистым силикатом магния — асбестом позволяет получать тонкие плиты шифера, ценного кровельного материала. Из такого асбоцемента делают и различные трубы По производству асбоцементных изделий наша страна сейчас занимает первое место в мире. И по производству цемента всех видов СССР быстро догоняет наиболее передовые капиталистические страны.
Кальций в живом организме
В жизни разных животных «элемент-строитель» играет важнейшую роль.
Если для многих низших животных самым «ходовым» материалом для постройки твердых раковин является карбонат кальция, то высшие животные для постройки твердого скелета используют фосфат кальция Ca3(PO4)2. В организме человека доля этого вещества составляет около 3 процентов по весу.
Может быть, это не так уж много? Но представьте себе человека… без костей, этакую медузу вместо высшего произведения природы, — вот что значит «всего 3 процента»! Впрочем, и медузу обижать не стоит: ведь она самый близкий родственник тех самых полипов, которые воздвигают в морях и океанах грозу мореплавателей — коралловые рифы…
При недостатке кальция прочность скелета снижается, появляется опасность переломов, куры несут яйца без скорлупы. Поэтому животные с кормом должны получать достаточное количество минеральных солей, содержащих кальций. В качестве подкормки в животноводстве применяют молотый мел или костяную муку, содержащую фосфат кальция в готовом виде.
Роль кальция в организме далеко не ограничивается постройкой скелета. Ионы кальция содержатся в крови и играют важную роль в возбуждении сердечной деятельности: лишение крови ионов кальция немедленно ведет к остановке сердца.
Кровь, не содержащая кальция, полностью теряет способность свертываться на воздухе. Деятельность центральной нервной системы также нарушается при недостатке кальция. Особенно нуждается в кальции растущий организм. Не удивительно поэтому, что молоко содержит кальциевые соли в большом количестве.
Известно, что некоторые моллюски отлагают карбонат кальция не только при постройке раковин, но и вокруг инородных тел (например, песчинок), случайно попавших внутрь створок, в виде жемчуга. Любопытно, что и в организме человека может происходить процесс, внешне похожий на образование отложений карбоната у жемчужниц. Так, при туберкулезе происходит обызвествление очага заболевания. При некоторых заболеваниях сердца окружающие его ткани также могут обызвествляться, заключая сердце в плотный панцирь.
Другие специальности кальция
Кальций не только строитель. Трудно назвать такую отрасль промышленности и народного хозяйства в целом, где на службе у человека не стояли бы соединения кальция. Например, при накаливании смеси окиси кальция с углем в электрических печах получается важный технический продукт — карбид кальция: CaO + 3C = CaC2 + CO. Если подействовать на него водой, выделяется ацетилен:
CaC2 + 2H2O = Ca(ОН)2 + C2H2.
Раньше ацетиленом пользовались лишь в качестве горючего для освещения. Когда для сжигания ацетилена применили не воздух, а чистый кислород, отчего температуру пламени удалось довести до 3 тысяч градусов, ацетиленовые горелки стали использовать для резки и сварки металлов. В результате работ знаменитого русского химика А. Е. Фаворского ацетилену была открыта широкая дорога в химическую промышленность.
Интересно, что действие на карбид кальция водяного пара при высокой температуре приводит к образованию
