Порошок минерального вяжущего, смешанный с водой, вначале образует вязкое пластичное клейкое тесто, которое постепенно густеет и превращается в камень. Сущность процесса твердения до сих пор является предметом горячих споров, обширных экспериментальных и теоретических исследований и находится пока на стадии гипотетики.

Создание теории твердения минеральных вяжущих имеет большое значение для технологии бетона. Только зная сущность явления, можно управлять получением ЖБИ требуемого технического качества и более экономично, так как в этом случае можно лучше использовать преимущества вяжущего, соответственно уменьшить расход бетона, не снижая его прочность и долговечность.

Минеральные вяжущие в исходном порошкообразном состоянии представляют собой лишь полуфабрикаты. Вяжущим в бетоне является по существу не исходное вяжущее, а продукты его взаимодействия с водой. Из этого важнейшего положения вытекает одна из важнейших проблем технологии бетона, связанная с повышенным использованием потенциально присутствующих в нем адгезионных свойств исходного вяжущего. Все более глубокое понимание процессов, происходящих при твердении вяжущих, значительно облегчает решение этой проблемы, которая, вероятно, всегда повторяется.

Более ста лет назад французские ученые предложили теорию твердения минеральных вяжущих, которая впервые нашла многих сторонников. Эта теория называется теорией кристаллизации, потому что она основана на явлении перекристаллизации вяжущего в водной среде. Когда исходное вяжущее смешивается с водой, его безводные минералы растворяются в насыщенном растворе и возвращаются в гидратированную форму. Минеральные гидраты обладают меньшей растворимостью, чем безводные. В результате раствор, насыщенный по исходным минералам, становится пересыщенным по их гидратам. Пересыщенные растворы не могут существовать в обычных условиях, и гидратированные минералы выделяются из пересыщенного раствора в виде беспорядочно расположенных, переплетенных между собой кристаллов кристаллического агрегата. Это соединение определяет прочность цементного камня.

Существует также гипотеза, называемая по существу коллоидной. Согласно этой гипотезе процессы твердения минеральных вяжущих объясняются образованием гидрогелей в результате набухания вяжущего в водной среде. Формированию процессов гелеобразования способствует накопление в гидрогелях коллоидного клеящего вещества, которое постепенно густеет по мере уменьшения содержания воды в тесте за счет химического поглощения или испарения. В результате зерна вяжущего склеиваются между собой, образуя искусственный камень. Согласно этой гипотезе, дальнейшее повышение прочности породы происходит в результате более глубоких процессов уплотнения коллоидных образований и их прорастания кристаллическими образованиями.

Рентгеноструктурный анализ продуктов гидратации вяжущего установил их кристаллическое состояние и даже позволил определить основные параметры внутреннего строения кристаллов, расстояние между их атомными структурами.

Убедительный ответ на вопрос о кристаллической структуре продуктов гидратации вяжущих минералов, полученный методом рентгеноструктурного анализа, вызвал следующую неоднозначность. Если гидраты выделяют в виде кристаллических образований, то почему они обладают рядом уникальных для коллоидных систем свойств, в частности адгезивностью, постепенным уплотнением за счет агрегации частиц и явлением тиксотропии. Ответ на этот вопрос был получен при изучении степени дисперсности продуктов гидратации минералов в момент их образования. Тиксотропия – это способность коллоидных растворов и тонкодисперсных суспензий обратимо загустевать с течением времени и, следовательно, способность твердых структур обратимо растворяться при механическом воздействии, вибрации и перемешивании.

Таким образом, продукты гидратации вяжущего имеют кристаллическую природу, но в силу своих субмикроскопических размеров образуют растворы со свойствами, присущими коллоидным системам.