C незапамятных времен при возведении каменных и кирпичных сооружений строители использовали различные вяжущие материалы[57] минерального и органического происхождения (см. т. 1, глава 2, п. 2.4). Первоначально древние мастера применяли те материалы, которые было проще всего получить из природного сырья: деготь, различные смолы и известковые растворы. Первые упоминания об использовании смесей, которые можно считать цементными растворами, существуют в македонских источниках времен царя Филиппа II[58]. Изучение сохранившихся древнеримских сооружений подтверждает письменные свидетельства о том, что античные строители подмешивали к гашеной извести определенные материалы для придания ей водостойких свойств^{564}. Это были:

— пуццоланы (отложения вулканического пепла Везувия);

— дробленые или измельченные кирпичи;

— трасс (затвердевшие отложения вулканического пепла), добываемый в районе г. Эйфеля.

Несмотря на различия, все эти материалы содержали в своем составе оксиды: кремнезем SiO₂, глинозем Al₂O₃, оксид железа Fe₂O₃, которые взаимодействовали с гашеной и негашеной известью. При этом происходило образование нерастворимых солей кальция, в первую очередь, силикатов. В Средние века было случайно обнаружено, что продукты обжига мергелей[59] по водостойкости не уступают римским пуццолановым смесям и даже превосходят их. Как показали исследования средневековых сооружений, в те времена инженеры использовали цементные растворы при строительстве каналов, крепостей, гаваней и судостроительных верфей^{565}. К сожалению, никаких письменных источников о составе и технологии приготовления строительных растворов того периода не сохранилось.

Современную историю цемента, которая является порождением промышленной революции, следует вести со второй половины XVIII в. Весомый вклад в создание цементной индустрии был сделан английским инженером Джоном Смитоном. По заказу Лондонского научного общества в 1755–1759 гг. он возвел третий маяк на острове Эддистоун Рокс в проливе Ла-Манш. При строительстве 18-метрового сооружения английский инженер использовал гидравлическую известь.

Дж. Смитон установил, что устойчивость к воздействию морской воды извести придает примесь глины, которая содержалась в исходном природном известняке. Будучи инженером, Дж. Смитон не стал заниматься дальнейшими исследованиями гидравлических свойств использованного им строительного раствора.

На рубеже XVIII–XIX вв. Великобритания переживала строительный бум: цены на престижные каменные строения стремительно взлетели вверх. В целях снижения стоимости жилья стали практиковать строительство зданий из кирпича. На завершающей стадии фасады домов отделывали имитирующей дикий камень лепниной, которую изготавливали из смеси гашеной извести и цемента. Наиболее известной маркой этого материала был т. н. гидравлический «римский цемент», или романцемент, состав которого был подобран Джеймсом Паркером в 80-х гг. XVIII столетия и запатентован в 1796 г. Несмотря на свое название, цемент Паркера не совпадал по составу со смесями, применявшимися римскими строителями. «Римский цемент», по сути, был природным материалом, поскольку его готовили из жженых мергелей. Удачный опыт внедрения в строительные работы романцемента побудил других изобретателей к созданию искусственных вяжущих материалов посредством обжига взятых в различных соотношениях смесей мела и глины.

В 1817 г. английский инженер Джеймс Фрост изобрел строительную смесь, которую он назвал «британским цементом». Несколько лет Дж. Фрост затратил на исследования свойств нового вяжущего материала: изобретение английского строителя удалось запатентовать только в 1822 г. Спустя два года в строительной индустрии произошло еще одно важное событие: Джозеф Аспдин предложил искусственный вяжущий материал, который получали измельчением продукта спекания известняка и глины, взятых в определенных соотношениях. В твердом состоянии новый материал по внешнему виду напоминал дорогостоящий декоративный известняк, который добывали на острове Портланд^{566}. Из-за такого сходства новый строительный материал получил название портландцемента. Прочностные характеристики природных и искусственных цементов зависят от содержания Ca₂SiO₄, образующегося в результате отжига при температуре 1250 °С. Высокое содержание этого вещества в вяжущих материалах служило причиной тому, что их прочностные характеристики устанавливались достаточно медленно. Изделия из таких цементов приходилось держать в опалубках в течение нескольких недель.

^{Схема маяка Дж. Смитона на о. Эддистоун Рокс. Пролив Ла-Манш} 

Первый цемент, содержащий Ca₃SiO₅, который обеспечивал вяжущему материалу быстрое затвердевание и высокую прочность, был предложен сыном Дж. Аспдина — Уильямом, в начале 40-х гг. XIX столетия^{567}. Состав нового материала изобретатель держал в строгом секрете.

Инновации У. Аспдина оказались слишком неожиданными для основной массы производителей цемента, поскольку по новой технологии требовались более высокие температуры обжига (что повышало расход топлива) и повышенное содержание известняка в исходной смеси. В результате нововведений спеченная масса была тверже, чем обычно. Поэтому назрела необходимость усовершенствования методики размола клинкера. Все это существенным образом сказалось на себестоимости конечного продукта. Тем не менее, значительное улучшение функциональных свойств и, прежде всего, снижение времени затвердевания бетона, позволило новому продукту решительно завоевывать рынки сбыта.

Стремительный и неуклонный рост потребности в бетоне, а затем и железобетоне для строительства наблюдался в мире с конца 50-х гг. XIX в. Именно по этой причине портландцемент приобрел доминирующую роль в современных строительных технологиях.

В США производство цемента началось в первой четверти XIX в. из природных месторождений вблизи г. Розенталь, штат Нью-Йорк. Бетоны, созданные на основе этого цемента, были весьма популярны в течение долгого времени. Их использовали при строительстве статуи Свободы и Бруклинского моста в Нью-Йорке, а также здания Капитолия в Вашингтоне. Только после первой мировой войны в строительной индустрии США стали применять портландцемент.

Зодчие Киевской Руси до татаро-монгольского нашествия применяли связывающие материалы на основе гашеной извести и слабоотожженного кирпича-цемянки. По архивным свидетельствам, производство цемента в России началось в середине 20-х гг. XVIII столетия. При строительстве Ладожского канала в 1728 — 1729 гг. был использован бетон, изготовленный на цементном заводе, существовавшем в Конорском уезде Петербургской губернии. В 1825 г. независимо от Дж. Аспдина отечественный портландцемент, получаемый обжигом до спекания искусственной смеси известняка и глины, создал Е.Г. Челиев. В дореволюционной России количество цементных заводов, их мощность и технический уровень были недостаточными. Единственным научным учреждением, занимавшимся исследованиями по цементам, была механическая лаборатория Петербургского института инженерных путей сообщения. Большое значение в развитии теории и практики цементного производства в России имели труды A.Р. Шуляченко, Н.А. Белелюбского, И.Г. Малюги и ряда других ученых. В 1890 г. И. Самович опубликовал результаты испытаний прочности растворов с различным содержанием цемента и предложил составы бетонной смеси для получения материала наибольшей плотности. Пятью годами позже профессор И.Г. Малюга установил качественную зависимость между прочностью бетона и процентным содержанием воды в массе цемента и заполнителей.

Строительную индустрию XX в. уже невозможно представить без использования цемента и различных видов бетона. Уже в первой четверти столетия были созданы современные основы физикохимии цементов, разработана теория бетонов, усовершенствована технология цементного производства, созданы новые высокоэффективные виды этих материалов с особыми свойствами, удовлетворяющими потребности различных отраслей народного хозяйства. В создание современных основ материаловедения цементов и бетонов внесли свой вклад различные ученые мирового уровня: Д. Абрамс (США), А.А. Байков, В.А. Кинд, В.Н. Юнг, П.П. Будников, П.А. Ребиндер (СССР). Благодаря их стараниям производство этих материалов, основанное на достижениях химии и физики, превратилось в одну из ведущих отраслей мировой экономики.