Существуют две классические теории твердения и роста прочности цемента1. Так, Ле Шателье в 1882 г. открыл, что продукты гидратации цемента имеют меньшую растворимость, чем исходные компоненты, вследствие чего гидраты выделяются из пересыщенного раствора. Выделившиеся из раствора гидраты представляют собой переплетенные удлиненные кристаллы с высокими адгезионными и когезионными свойствами.

По коллоидной теории, выдвинутой Михаэлисом в 1893 г., кристаллический гидроалюминат, гидросульфоалюминат и гидроокись кальция обеспечивают первоначальную прочность. Насыщенная известью вода взаимодействует с силикатами с образованием почти нерастворимого гидросиликата кальция в виде студенистой массы. Эта масса постепенно затвердевает вследствие потери воды как за счет внешнего высыхания, так и за счет гидратации внутренних негидратированных ядер цементных зерен.
В свете современных знаний представляется, что эти обе теории содержат элементы истины и не противоречат одна другой. Так, в частности, специалисты в области коллоидной химии выяснили, что многие, если не большинство, коллоиды состоят из кристаллических частиц. Эти частицы имеют малые размеры и, как следствие, большую площадь поверхности, что придает им свойства, отличающие их от обычных твердых веществ. Коллоидные свойства в большей степени определяются площадью поверхности частиц, а не неоднородностью их внутреннего строения.

Было установлено, что после перемешивания портландцемента с большим количеством воды образуется в течение нескольких часов раствор, пересыщенный Са(ОН)2 и содержащий гидросиликат кальция в метастабильном состоянии. Этот гидрат быстро выделяется согласно теории Ле Шателье; последующее твердение может быть следствием удаления воды из продуктов гидратации, как полагал Михаэлис.

Дальнейшие экспериментальные работы показали, что гидросиликаты кальция в действительности образуются в виде чрезмерно малых {субмикроскопических) переплетающихся кристаллов, которые имеют свойства геля. При перемешивании цемента с небольшим количеством воды степень кристаллизации, по-видимому, меньше, поэтому образуются кристаллы искаженной формы. Таким образом, спор Ле Шателье и Михаэлиса в значительной степени сводится к вопросу о терминологии, так как мы имеем дело с гелем, состоящим из кристаллов.

Для удобства считают, что термин «цементный гель» охватывает и кристаллическую гидроокись кальция. Таким образом, гель означает связную массу гидратированного цемента в виде максимально плотного цементного камня, т. е. содержащего в себе только поры геля; характерная пористость геля составляет около 28%. Истинная природа прочности геля не полностью раскрыта, но, вероятно, ее суть заключается в наличии двух типов когезионных связей.
Первый тип связей — физическое притяжение между твердыми поверхностями, разделенными только небольшими порами геля диаметром
это притяжение обычно вызывается вандер-ваальсовыми силами.

Источником второго типа когезии служат химические связи. Так как. цементный гель является ограниченно набухающим веществом (т. е. частицы не могут диспергироваться при добавлении воды), то, по-видимому, частицы геля перекрестно соединены химическими связями. Эти связи намного сильнее вандерваальсовых сил, однако химические связи охватывают только небольшую часть пограничных частиц геля. С другой стороны, большая площадь поверхности, такая, как, например, у цементного геля, не является необходимым условием получения высокой прочности, что показывает, например, развитие чрезвычайно высоких гидравлических свойств в цементном камне с небольшой удельной поверхностью, полученной при автоклавной обработке.
Таким образом, мы не можем установить относительную роль физических или химических связей, но нет сомнения в том, что и те и другие способствуют получению высокой прочности цементного камня.