دو نظریه کلاسیک برای سخت شدن با کسب مقاومت سیمان وجود دارد. نظریه ای که به وسیله H.LeChatelier در سال ۱۸۸۲ پیشنهاد گردید، بیانگر آن است که محصولات هیدراتاسیون سیمان نسبت به ترکیبات اصلی از قابلیت حل شدن کمتری برخوردار می باشند. به طوری که هیدرات ها از یک محلول کاملا اشباع شده رسوب می نمایند و این رسوب به شکل بلورهای دراز به هم بافته شده ای است که دارای خصوصیات چسبندگی و پیوستگی زیاد می باشد.
نظریه کلوییدی که به وسیله W.Michaelis در سال ۱۸۹۳ مطرح گردید بیانگر آن است که بلورهای آلومینات، سولفو آلومینات و هیدروکسید کلسیم مقاومت اولیه سیمان را ایجاد می نمایند. آب اشباع شده از آهک متعاقبا به سیلیکات ها حمله نموده و سیلیکات کلسیم هیدراته را که تقریبا غیرقابل حل و به شکل جرم ژلاتینی است، تشکیل می دهد. این جرم به علت از دست دادن آب، یا به صورت خشک شدن خارجی یا به علت هیدراتاسیون داخلی هسته هیدراته نشده ذرات سیمان، به تدریج سخت می شود. به این ترتیب است که چسبندگی به وجود می آید.
در پرتو دانش جدید چنین به نظر می رسد که هر دو نظریه حقایقی را در بر دارند و به هیچ وجه ناسازگار نیستند. به ویژه متخصصان شیمی کلوییدی به این نتیجه رسیده اند که بسیاری، (و اگر نه اکثر) کلوییدها از ذرات بلورین تشکیل گردیده اند. این ذرات گواینکه بی نهایت کوچک هستند، مساحت سطح بزرگی دارند، که به آنها خواصی که ظاهرا با مواد جامد معمولی متفاوت است، می دهد. بنابراین رفتار کلوییدی اساساً تابعی از اندازه مساحت سطح و نه از نامنظم بودن ساختار درونی ذرات تشکیل دهنده کلویید می باشد.42-1
نتیجه تحقیقات نشان داده است وقتی که سیمان پرتلند با مقدار زیادی آب مخلوط می شود، طی چند ساعت محلول فوق اشباع شده ای با Ca(OH)2 تولید می نماید که در آن هیدرات سیلیکات کلسیم با غلظت زیاد و به حالت ناپایدار موجود است2-1. در تایید نظریه Le Chatelier این هیدرات سریعا رسوب می نماید؛ سخت شدن بعدی ممکن است بنا به نظریه Michaelis به دلیل خارج شدن آب از مواد هیدراته شده باشد. پس از این دوره غیر فعال، ته نشین شدن هیدرات سیلیکات کلسیم و Ca(OH)2 ادامه می یابد.
تحقیقات تجربی دیگر نشان داده اند که هیدرات های سیلیکات کلسیم در واقع از بلورهای درهم پیچیده بسیار ریز (در مقیاس نانومتر) تشکیل یافته اند20-1 که به لحاظ اندازه شان به آسانی می توان آنها را به عنوان ژل نیز توصیف نمود. وقتی سیمان با مقدار کمی آب مخلوط شود، درجه بلوری شدن آن احتمالا حتى ضعیف تر است و لذا بلورها به صورت ناقص تشکیل می شوند. بنابراین تناقض بین نظریه های Le Chatelier و Michaelis بیشتر به اختلاف در کاربرد واژه ها منتهی می شود زیرا که در عمل ژلی وجود دارد که از بلورهایی تشکیل گردیده است. به علاوه قابلیت حل شدن سیلیس در pH بیش از ۱۰، به نحو چشمگیری افزایش می یابد، به طوری که امکان دارد در ابتدا مکانیزم Michaelis و سپس مکانیزم Le Chatelier عمل نماید. Baron و Santeray بحث مفصل تری از این دو مکانیزم را ارائه نموده اند.94-1
واژه «ژل سیمان» به صورتی که بلور هیدروکسید کلسیم را نیز شامل گردد هرچند ناصحیح است ولی برای سهولت امر، در نظر گرفته می شود و در نتیجه ژل را به معنی جرمی چسبنده از سیمان هیدراته شده در متراکم ترین حالت خمیری خود می دانند. یعنی با منافذ ژلی، تخلخل خمیر در حدود ۲۸ درصد است.
منشا واقعی مقاومت ژل هنوز کاملا شناخته شده نیست ولی احتمالا از دو نوع پیوند پیوستگی حاصل می گردد27-1. نوع اول، کشش فیزیکی بین سطوح مواد جامد است که فقط به وسیله منافذ ژلی کوچک (کمتر از3nm) با یکدیگر فاصله دارند و معمولا به این کشش نیروهای واندروالسی (van der Waals) گفته می شود.
منشا نوع دوم چسبندگی، پیوندهای شیمیایی است. از آنجا که ژل سیمان به صورتی می باشد که تورم آن محدود است (یعنی ذرات با افزودن آب نمی توانند پراکنده گردند)، به نظر می رسد که ذرات ژل به وسیله نیروهای شیمیایی به یکدیگر پیوسته باشند. این پیوندها بسیار قوی تر از نیروهای واندروالسی هستند، ولیكن پیوند شیمیایی فقط بخش کوچکی از پیوستگی محیط ذرات ژلی را تشکیل می دهد. از طرف دیگر داشتن مساحتی به بزرگی سطح ژل سیمان، شرط لازم برای کسب مقاومت زیاد نیست، چنانکه خمیر سیمان عمل آورده شده به وسیله بخار با فشار زیاد که دارای مساحت سطح کمی نیز می باشد، خصوصیات هیدرولیکی خیلی خوبی از خود نشان می دهد.14-1
به این ترتیب نمی توان اهمیت نسبی پیوندهای فیزیکی و شیمیایی را تخمین زد، اما شکی وجود ندارد که در حصول مقاومت قابل ملاحظه خمیر سخت شده سیمان، هر دو عامل سهیم هستند. باید پذیرفت که درک ماهیت چسبندگی داخلی خمیر سیمان و چسبندگی آن به سنگدانه ها هنوز کامل نیست. همان طور که Nonat و Mutin 1-92توجیه نموده اند، ریز ساختار خمیر سیمان به صورت کلی با خواص مکانیکی آن ارتباط داده نشده است.
