當(dāng)水泥與適量的水調(diào)和時(shí),開始形成的是一種可塑性的漿體,具有可加工性.隨著時(shí)間的推移,漿體逐漸失去了可塑性,變成不能流動(dòng)的緊密的狀態(tài),此后漿體的強(qiáng)度逐漸增加,直到最后能變成具有相當(dāng)強(qiáng)度的石狀固體.如果原先還摻有集合料如砂、石子等,水泥就會(huì)把它們膠結(jié)在一起,變成堅(jiān)固的整體,即我們常說(shuō)的混凝土.這整個(gè)過(guò)程我們把它叫做水泥的凝結(jié)和硬化.從物理、化學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看,凝結(jié)和硬化是連續(xù)進(jìn)行的、不可截然分開的一個(gè)過(guò)程,凝結(jié)是硬化的基礎(chǔ),硬化是凝結(jié)的繼續(xù).但是在施工中為了保證施工質(zhì)量,要求在水泥漿體失去其可塑性以前必須結(jié)束施工,因此人們根據(jù)需要以及水泥漿體的這個(gè)特性,人為地將這整個(gè)過(guò)程劃分為凝結(jié)和硬化兩個(gè)過(guò)程.凝結(jié)是指水泥漿體從可塑性變成非可塑性,并有很低的強(qiáng)度的過(guò)程；硬化是指漿體強(qiáng)度逐漸提高能抵抗外來(lái)作用力的過(guò)程.此外,對(duì)凝結(jié)過(guò)程還人為地進(jìn)一步劃分為初凝和終凝,用加水后開始計(jì)算的時(shí)間來(lái)表示.例如,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：普通硅酸鹽水泥初凝不得早于45min,終凝不得遲于12h.使用時(shí)施工澆灌過(guò)程的時(shí)間,必須早于45min；到終凝后,才能脫去模板開始下一個(gè)周期生產(chǎn).
水泥的凝結(jié)和硬化,是一個(gè)復(fù)雜的物理—化學(xué)過(guò)程,其根本原因在于構(gòu)成水泥熟料的礦物成分本身的特性.水泥熟料礦物遇水后會(huì)發(fā)生水解或水化反應(yīng)而變成水化物,由這些水化物按照一定的方式靠多種引力相互搭接和聯(lián)結(jié)形成水泥石的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致產(chǎn)生強(qiáng)度.
普通硅酸鹽水泥熟料主要是由硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、硅酸二鈣（β-2CaO·SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）和鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3）四種礦物組成的,它們的相對(duì)含量大致為：硅酸三鈣37～60％,硅酸二鈣15～37％,鋁酸三鈣7～15％,鐵鋁酸四鈣10～18％.這四種礦物遇水后均能起水化反應(yīng),但由于它們本身礦物結(jié)構(gòu)上的差異以及相應(yīng)水化產(chǎn)物性質(zhì)的不同,各礦物的水化速率和強(qiáng)度,也有很大的差異.按水化速率可排列成：鋁酸三鈣＞鐵鋁酸四鈣＞硅酸三鈣＞硅酸二鈣.按最終強(qiáng)度可排列成：硅酸二鈣＞硅酸三鈣＞鐵鋁酸四鈣＞鋁酸三鈣.而水泥的凝結(jié)時(shí)間,早期強(qiáng)度主要取決于鋁酸三鈣和硅酸三鈣.現(xiàn)分別簡(jiǎn)述它們的水化反應(yīng).
首先,介紹鋁酸三鈣.它的水化反應(yīng)可用下式表達(dá).
上述鋁酸三鈣的水化反應(yīng)如果進(jìn)行得很快,會(huì)導(dǎo)致水泥的凝結(jié)過(guò)快而無(wú)法使用,因此,一般在粉磨水泥時(shí)都摻有適量的二水石膏作為緩凝劑,摻石膏后鋁酸三鈣的水化反應(yīng)如下式所示.
由于這個(gè)反應(yīng)就不會(huì)引起快凝.當(dāng)水泥中的石膏完全作用完后,還有多余3CaO·Al2O3時(shí)將發(fā)生下列反應(yīng).
如果還有過(guò)量3CaO·Al2O3時(shí),就會(huì)生成4CaO·Al2O3·13H2O.在正常緩凝的硅酸鹽水泥中,石膏摻入量能保證在漿體結(jié)硬以前,不會(huì)發(fā)生后兩個(gè)反應(yīng).
其次,談一下硅酸三鈣.它的水化反應(yīng)可表示如下：
由于CaO0.1.5SiO2·H2O0.25與天然的托勃莫來(lái)石很相似,因而稱它為托勃莫來(lái)石,通常用CSH(B)來(lái)表示.
鐵鋁酸四鈣水化反應(yīng)和鋁酸三鈣相似,而硅酸二鈣水化反應(yīng)和硅酸三鈣相似.
那么,這些水化產(chǎn)物怎樣會(huì)導(dǎo)致水泥漿結(jié)硬并產(chǎn)生強(qiáng)度呢?水泥凝結(jié)硬化的機(jī)理究竟是什么?按結(jié)晶理論認(rèn)為水泥熟料礦物水化以后生成的晶體物質(zhì)相互交錯(cuò),聚結(jié)在一起從而使整個(gè)物料凝結(jié)并硬化.按膠體理論認(rèn)為水化后生成大量的膠體物質(zhì),這些膠體物質(zhì)由于外部干燥失水,或由于內(nèi)部未水化顆粒的繼續(xù)水化,于是產(chǎn)生“內(nèi)吸作用”而失水,從而使膠體硬化.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是X—射線和電子顯微技術(shù)的應(yīng)用,將這兩種理論統(tǒng)一起來(lái),過(guò)去認(rèn)為水化硅酸鈣CSH(B)是膠體無(wú)定形的,實(shí)際上它是纖維狀晶體,只不過(guò)這些晶體非常細(xì)小,處在膠體大小范圍內(nèi),比面積很大罷了.所以現(xiàn)在比較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)是：水泥水化初期生成了許多膠體大小范圍的晶體如CSH(B)和一些大的晶體如Ca(OH)2包裹在水泥顆粒表面,它們這些細(xì)小的固相質(zhì)點(diǎn)靠極弱的物理引力使彼此在接觸點(diǎn)處粘結(jié)起來(lái),而連成一空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),叫做凝聚結(jié)構(gòu).由于這種結(jié)構(gòu)是靠較弱的引力在接觸點(diǎn)進(jìn)行無(wú)秩序的連結(jié)在一起而形成的,所以結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度很低而有明顯的可塑性.以后隨著水化的繼續(xù)進(jìn)行,水泥顆粒表面不大穩(wěn)定的包裹層開始破壞而水化反應(yīng)加速,從飽和的溶液中就析出新的、更穩(wěn)定的水化物晶體,這些晶體不斷長(zhǎng)大,依靠多種引力使彼此粘結(jié)在一起形成緊密的結(jié)構(gòu),叫做結(jié)晶結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)比凝聚結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度大得多.水泥漿體就是這樣獲得強(qiáng)度而硬化的.隨后,水化繼續(xù)進(jìn)行,從溶液中析出新的晶體和水化硅酸鈣凝膠不斷充滿在結(jié)構(gòu)的空間中,水泥漿體的強(qiáng)度也不斷得到增長(zhǎng).
影響水泥凝結(jié)速率和硬化強(qiáng)度的因素很多,除了熟料礦物本身結(jié)構(gòu),它們相對(duì)含量及水泥磨粉細(xì)度等這些內(nèi)因外,還與外界條件如溫度、加水量以及摻有不同量的不同種類的外加劑等外因密切相關(guān)