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水泥变硬的过程是一个复杂的化学反应过程。水泥与水发生水化反应，形成凝胶并逐渐形成网状结构，使得水泥逐渐失去可塑性，强度逐渐增加，最终变成具有相当强度的石状固体。如果掺有集合料如砂、石子等，水泥会把它们胶结在一起，变成坚固的整体，即混凝土。
具体来说，水泥熟料中的四种主要矿物质——硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）和铁铝酸四钙（C4AF）与水发生水化反应。这些矿物质与水反应后，会形成水化硅酸钙、氢氧化钙等物质。这些物质之间通过氢键和分子间的作用力紧密结合，形成高强度的固化材料，从而使得水泥变硬。
当水泥遇到水时，水泥小颗粒会与水分子结合并膨胀，颗粒间的间隙随之减小。随着时间的推移，颗粒间多余的水分被蒸发，颗粒之间越来越近，最终连在一起，这也是水泥变硬的一个原因。